不同工况下强%28重%29夯扬尘规律试验研究.pdf

第41卷第9 期2023年9 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)0 9-0 2 49-0 9市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.9Sep.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.09.249不同工况下强（重）夯扬尘规律试验研究吕斌,田明震2*,韩佳,宫海霞,孙兆云3,张宏博2(1.齐鲁高速公路股份有限公司济菏运营管理中心，山东济南2 50 0 0 2；2.山东大学齐鲁交通学院，山东济南2 50 0 6 1;3.山东交通科学研究院，山东济南2 50 0 0 2)摘要：强(重)夯技术因具有施工简便、经济实用、效果显著等优点在工程中得到了广泛应用。然而，强(重)夯施工会造成严重的扬尘现象，影响周边空气质量，危害居民健康。基于强(重)夯现场试验，设计了多种强（重)夯施工工况，并对各工况下产生的扬尘质量浓度进行了监测，分析了不同施工条件下强（重)夯扬尘规律和影响范围。研究结果表明：夯击能、测点-夯点距离、土体含水率是影响强（重)夯扬尘质量浓度的关键因素。结合现场监测数据，建立了与夯击能和测点-夯点距离相关的扬尘质量浓度及安全距离计算公式，可为确保强（重）夯施工人员的安全以及环保措施的制定提供参考。关键词：不同工况；强（重)夯；扬尘规律；质量浓度；安全距离中图分类号：TU997Experimental Study on Dust Emission Lawof Dynamic CompactionLu Bin,Tian Mingzhen?*,Han Jia,Gong Haixia,Sun Zhaoyun,Zhang Hongbo?(1.Qilu Expressway Co.,Ltd.Jihe Operation Management Center,Jinan 250002,China;2.School of Qilu Transportation,Shandong University,Jinan 250061,China;3.Shandong Institute of Transportation Science,Jinan 250002,China)Abstract:Dynamic compaction method has been widely used in engineering because of its easy construction,eco-nomic and practical and significant effect.However,a large amount of dust will be caused by dynamic compactionconstruction,affecting the surrounding air quality and endangering the health of residents.In this paper,based on thedynamic compaction field test,the dust concentration were monitored to reveal the dust pattern and influence range ofdynamic compaction under dfferent construction conditions.The results show that the tamping energy,distance be-tween the measuring and tamping points and the moisture content of the soil are the key factors which affect the dustmass concentration.Combined with the field monitoring data,the dust mass concentration and safety distance calcula-tion formulae related to tamping energy and distance are established,which can provide a reference for ensuring thesafety of personnel and the development of environmental protection measures in dynamic compaction construction.Key words:various working conditions;dynamic compaction;dust emission law;mass concentration;safety distance文献标志码：AUnderDifferent Working Conditions随着我国现代化建设的推进，空气污染已成为不可忽视的环境和民生问题，而施工扬尘是城市空气污染的重要污染源，如何合理控制并降低施工扬尘是当今驱待研究和解决的问题。粒径小于10 0 m收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 9基金项目：山东省重点研发计划项目（2 0 19 GSF109045）作者简介：吕斌，男，工程师，学士，主要从事高速公路养护管理与施工技术研究工作。通讯作者：田明震，男，在读硕士研究生，主要研究方向为路基隐蔽性病害机理。引文格式：吕斌，田明震，韩佳，等.不同工况下强（重）夯扬尘规律试验研究 J.市政技术，2 0 2 3，41(9)：2 49-2 57.（LYUB，T I A NM Z,H A NJ,e t a l.Experimental study on dust emission law of dynamic compaction under dfferent working conditionsJJ.Journal of municipal technology,2023,41(9):249-257.)250的总悬浮颗粒物（TSP)是目前我国城市空气污染的主要污染物。其中直径小于10 m的颗粒PM10和直径小于2.5m的颗粒PM2.5对人体危害极大，可引起人体呼吸系统疾病，长期过量摄入会危及生命。我国对施工过程中的扬尘污染问题极其重视,2 0 18 年10月修订的中华人民共和国大气污染防治法规定建设单位应当将防治扬尘污染的费用列人工程造价，制定具体的施工扬尘污染防治实施方案，对所造成的损害依法承担责任。一些学者对施工扬尘排放量和危害进行了研究，张丽丽等 1 采用重量法测出了扬尘的质量浓度，基于高斯粉尘扩散模式计算出了单位面积的扬尘排放量，并制定了抑制扬尘扩散的措施；刘伟等 2 根据扬尘污染程度，将工地周围划分为不同级别的污染区，便于扬尘的分级管理与控制；张智慧等 3 定量分析了施工扬尘污染对人体健康的损害，构建了扬尘损害人体健康的模型；朱宝岩等 4 依托建筑工程进行实测，构建了扬尘对作业人员和周围居民健康损害情况经济评价模型，并用货币定量表征和描述扬尘危害；胡伟成等 5、周红等 6 采用CFD模拟技术较好地拟合了施工扬尘空间扩散，且后者根据模拟结果，采用伤残调整生存年法建立了土方运输阶段的工人健康损害量化评估方法，定量分析了施工扬尘引起的工人健康损害和抑尘措施的阻损效果；黄玉虎等 7 发现TSP与监测距离的关联性较强，而其他因素对其影响相对较小。为了进一步揭示TSP指标的变化规律，田刚等 8 通过研究发现TSP与DF(降尘)具有良好的线性相关关系,且提出可以用Crsp=11.6xCpF来表示施工现场边缘处DF和TSP质量浓度之间的关系；谢海花等 9 基于多元回归模型，建立了与温度、湿度、距离和风速相关的PM10浓度预测模型;Neuman等 10 通过研究发现PM10与TSP的排放因子具有很好的相关性;Dirk等 11 结合沙漠中风沙在风力作用下的扩散规律，发现DF和TSP具有较好的相关性，提出可以通过降尘监测折换法估计TSP的质量浓度。上述研究对比了风速、温度和湿度等因素对扬尘距离的影响，但对重夯扬尘问题的研究较少,缺乏对重夯施工引起的扬尘影响因素和规律的认识。因此，笔者基于重夯施工现场试验，研究施工工艺对扬尘特性的影响规律，揭示扬尘的主要敏感性指标和影响范围，以期为重夯施工和防护提供参考，具有重要的工程应用价值。Journal of Municipal Technology100%500L1Fig.1 The distribution curves of particle size由图1可知，土粒粒径最大不超过0.2 5mm，粒径大于0.0 7 55mm的土粒超过土粒含量的50%,d6o=0.110 mm、d 3o=0.0 7 0 m m、d i o=0.0 6 7 m m,其不均匀系数 Cu=1.64,曲率系数C=0.66,根据GBJ1451990土的分类标准可知该粉砂土级配不良。1.2扬尘监测指标与设备我国主要监测施工场地内TSP、PM 10 和PM2.5的质量浓度。重夯施工产生的扬尘量瞬时性较强，综合考虑精度、成本和可行性等因素，选择使用JCF-5C便携式激光粉尘检测仪（见图2）。PM2.5和PM10测量范围均为0.0 0 1 10 mg/m,TSP测量范围为0.001100mg/m;TSP、PM 10 和PM2.5测量灵敏度均为 0.0 0 1 mg/m。风速对扬尘分布的影响极大，为使监测点处的扬尘质量浓度具有代表性,监测点处应风速稳定,且位于下风向。1.3工况设计调整强(重)夯夯击能进行扬尘测试，研究不同夯击能对扬尘质量浓度的影响,其中强夯夯击能为800、12 0 0、16 0 0 k Nm，重夯夯击能为10 0、2 0 0、300、40 0 k Nm。以重夯施工为例，考虑锤重、夯击次数和土体含水率等参数的变化，研究不同影响因素对扬尘质量浓度的影响，共设计8 种工况。重夯扬尘测试工况见表1。第41卷1现场试验与测试方案1.1试验场地选择山东省聊城市一工点进行现场试验，土质为粉砂土，受连续多天暴晒的影响，土体含水率较低，普遍处于5%8%易起尘。粒径分布曲线见图1。0.10.001土粒粒径/mm图1粒径分布曲线0.01第9 期吕斌等：不同工况下强(重)夯扬尘规律试验研究251JCJCF-SC型便携式激光粉尘检测仪6.00图3施工现场试验(m）Fig.3 Test on site图2 便携式激光粉尘检测仪Fig.2 Portable laser dust detector表1重夯扬尘测试工况表Tab.1 The working conditions of tamping dust test工况锤重（质量/)1425384454647484在距各工况夯点6、8、10、12 m处分别布置监测设备，研究监测距离对扬尘质量浓度的影响。选择工况1、2、3研究夯击次数和土体含水率相同时，不同锤重对扬尘质量浓度的影响。选择工况1、4、5、6 研究锤重和土体含水率相同时，不同夯击次数对扬尘质量浓度的影响。选择工况1、7、8 研究锤重和夯击次数相同时，不同土体含水率对扬尘质量浓度的影响。1.4试验步骤与测试方法1)清理并整平重夯施工场地。2)确定每次夯击的夯点位置。为保证试验条件的独立性，每个夯点的位置都不相同。3)确定监测点的位置。根据工况设计的测距，布置便携式激光粉尘检测仪,并对其进行标定。为了使测得的数据具有稳定性和代表性，根据中国居民营养与慢性病状况报告(2 0 2 0 年）公布的中国居民平均身高，将监测仪器布置高度设为1.6 5m，见图3。4)进行重夯作业，监测每个夯点的TSP、PM 10和PM2.5质量浓度。为保证测量数据的准确性，重夯作业应选择在无风或风速较小且稳定时进行。2童重夯施工过程中扬尘试验结果分析2.1不同夯击能对扬尘的影响重夯施工中不同夯击能引起的3种扬尘质量浓度变化情况见图4。夯击次数土体含水率0/%1w101W101102W103W104w1011015115w20由图4可知,TSP、PM 10 和PM2.5的质量浓度与夯击能呈正相关关系,且夯击能的增加对TSP质量浓度的影响最大。随着夯击能的增加,TSP质量浓度平均增幅为0.0 7 0 mg/m,PM10质量浓度平均增幅为0.043mg/m,PM2.5质量浓度平均增幅为0.0 0 8 mg/m。2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.00.70.6(u/au)/x鲁单0.50.40.30.20.10.01L=6mL=8mL-10mL=12m100200夯击能/(kNm)a)TSPL-6mL-8mL=10mL-12m100200夯击能/(kNm)b)PM103003004004002520.100.080.060.040.020.00图4重夯施工中不同夯击能对3种扬尘质量浓度的影响Fig.4 The effect of different ramming energy on three types ofdust mass concentrations in heavy compaction construction强夯施工中不同夯击能引起的3种扬尘质量浓度变化情况见图5。Journal of Municipal Technology0.20IL=6m0.18L-8m0.16L-10mL-12m0.140.12第41卷由图5可知,在强夯施工中,TSP、PM 10 和PM2.5的质量浓度与夯击能的关系与重夯施工相同,且扬尘质量浓度显著增加。在重夯和强夯施工中,随着夯击能的增加,L=6 m处3种扬尘质量浓度变化情况见图6。由图6 可知，在重夯和强夯施工中,3种扬尘质量浓度与夯击能均具有线性关系，但对夯击能变化的敏感程度不同。扬尘粒径较大,TSP质量浓度受夯100200夯击能/(kNm)c)PM2.5300400击能的影响较为明显,夯击能每增加10 0 kNm,TSP质量浓度平均增长率为8.39%，而PM10和PM2.5质量浓度平均增长率分别为6.13%和2.7 0%。由此可知，由于夯击能的增加，夯锤落地时产生的冲击能也随之增大，从而使得更多的土壤颗粒被扬起，导致3种扬尘质量浓度均呈现增加趋势。3种监测指标增幅的差异是地基土本身粒径的差异和不同粒径的土壤颗粒在空气中的运动模式不同造成的。3.53.0(cu/au)/浆鲁单2.52.01.51.00.50.0L=6mL-8mL=10mL=12m800L=6mL-8m1.5L-10mIL=12m(e/u)/x善1.00.50.012001600夯击能/(kNm）a)TSP8001L=6mL=8 m0.3L-10mL-12m0.21200夯击能/(kNm）b)PM1016000.10.0800图5强夯施工中不同夯击能对3种扬尘质量浓度的影响Fig.5 The effect of different ramming energy on three types of dust mass concentrations in dynamic compaction construction1200夯击能/(kNm)c)PM2.51600第9 期3.53.0(cu/Bu)/双善单2.52.01.51.00.50.002004006008001 000 1200 1 400 1 600 1 800夯击能/(kNm)图6 L=6m处3种扬尘质量浓度变化情况Fig.6 The concentration changing of three types of dust masswith L=6 m1.3夯击能10 0 kNm夯击能2 0 0 kNm务击能30 0 kNm务击能40 0 kNm(eu/u)/善1.21.11.00.9离均呈负相关关系。这是由于扬尘在飘散过程中,受重力作用，扬尘颗粒随着飘散距离的增加而下落，部分颗粒运动至较远处的测点时已下落至监测高度以下。因此远处监测点的扬尘质量浓度要小于近处监测点。吕斌等：不同工况下强(重)夯扬尘规律试验研究TSPPM10PM2.51Fig.7 The effect of different tamping times on three types of dust mass concentrations2532.2不同夯击次数对扬尘的影响以重夯施工为例,在距夯点10 m处布置监测点，研究不同夯击能下，夯击次数对3种扬尘质量浓度的影响,见图7。由图7 可知,不同夯击能下,3种扬尘质量浓度受夯击次数的影响较小，经过多次夯击得到的扬尘质量浓度收敛于某一固定值。这是由于重夯施工频率低，在多次夯击过程中，扬尘在高空中迅速飘散，所以在某一固定位置处的扬尘质量浓度变化不大。2.3不同测点-夯点距离对扬尘的影响在不同夯击能下，测点-夯点距离对3种扬尘质量浓度的影响见图8。由图8 可知,3种扬尘质量浓度与测点-夯点距0.50一夯击熊10 0 kNm务击能2 0 0 kNm0.45秀击能30 0 kNm务出能40 0 kNm0.400.350.300.2523夯击次数a)TSP0.130.120.110.100.090.08图7 不同夯击次数对3种扬尘质量浓度的影响40.14夯击熊10 0 kNm夯击能2 0 0 kNm击能30 0 kNm务击能40 0 kNm12夯击次数c)PM2.52.4不同夯锤锤型对扬尘的影响控制夯击能不变，改变夯锤锤型，研究其对扬尘质量浓度的影响。其中一种方式为增加夯锤质量，减小落锤高度；另一种方式为减小夯锤质量，增大落锤高度。为保证单一变量，夯锤的底面积不变。相2夯击次数b)PM103434市放技术254Journal of Municipal Technology1.8夯击能10 0 kNm夯击能2 0 0 kNm1.6夯击能30 0 kNm(eu/u)/x鲁里一击能40 0 kNm1.41.21.00.8Fig.8 The effect of different measurement point ramming point distances on three types of dust mass concentrations同夯击能下不同锤重对3种扬尘质量浓度的影响见图9。由图9 可知，相同夯击能下，锤重较大、落锤高度较低的扬尘质量浓度要小于锤重较小、落锤高度较高的扬尘质量浓度，说明落锤高度是影响扬尘质量浓度的主要因素。1.81.61.4(u/au)/x善里1.21.00.80.60.40.20.0第41卷0.6一夯击能10 0 kNm夯击能2 0 0 kNm夯击能30 0 kNm夯击能40 0 kNm(eu/u)/x鲁里0.50.40.30.268测点-夯点距离/ma)TSP0.160.140.120.100.08图8 不同测点-夯点距离对3种扬尘质量浓度的影响4t5t100200夯击能/(kNm)a)TSP103001264006一夯击能10 0 kNm夯击能2 0 0 kNm夯击能30 0 kNm夯击能40 0 kNm810测点-夯点距离/mc)PM2.5采用锤重大、落锤高度低的方式只能少量减少扬尘量，该方式产生的扬尘质量浓度依然大于低一级夯击能产生的扬尘质量浓度。李成 12 通过现场试验发现，采用锤重大、落锤高度低的方式夯击密实效果更优，验证了使用大锤、重锤的必要性。0.60.5(cu/eu)/鲁里0.40.30.20.10.08测点-点距离/mb)PM101210010200300夯击能/(kNm)b)PM10124t5t400第9 期2.5不同土体含水率对扬尘的影响土体含水率是影响重夯过程中扬尘质量浓度的1.201.151.10(cu/ul)/浆善型1.051.000.950.900.850.80由图10 可知，3种扬尘质量浓度随土体含水率变化的规律一致,即均呈负相关关系。随着含水率的增加，3种扬尘质量浓度的衰减速率也随之增加。水吕斌等：不同工况下强(重)夯扬尘规律试验研究0.164t0.145t0.12(cu/u)/浆鲁里0.100.080.060.040.020.00图9 不同锤重对3种扬尘质量浓度的影响Fig.9 The effect of different hammer weights on three types of dust mass concentrations-L=6mL-8mL-10mL=12mW101015含水率/%a)TSP0.1200.1150.1100.1050.1000.0950.0900.0850.0800.075图10 不同土体含水率对3种扬尘质量浓度的影响Fig.10 The effect of different soil moisture content on three types of dust mass concentrations255100200夯击能/（kNm）c)PM2.5重要因素，以施工现场土体含水率为指标,研究不同土体含水率对3种扬尘质量浓度的影响，见图10。0.44-L=6m0.42L-8mL-10m0.40L=12m(eu/&u)/x鲁里0.380.360.340.320.300.280.260.2415w20w1030010015含水率/%c)PM2.5分可在土体表面形成一层膜状结构，从而抑制土壤颗粒碎裂形成扬尘，且土壤颗粒被水分包围，整体质量增加，不易受冲击、被扬起，所以随着土体含水400W10L-6mL-8mL-10mL-12m1502010015含水率/%b)PM101520市放技术256Journal of Municipal Technology率的增加,重夯施工中扬尘的质量浓度降低。但过高的含水率在重夯施工过程中会导致浅层土体液化，造成弹簧土，不利于施工。3扬尘质量浓度的公式拟合与安全距离根据上述对测点-夯点距离与扬尘质量浓度关系的研究可知，当夯锤底面积为2 m,质量为4t时，3种扬尘质量浓度与夯击能和测点-夯点距离存在一定的非线性关系。结合现场试验数据,使用Origin1.8:L=6m Crsp=1.96+1.1410-xW-1.0410 xLL=8mL-10m1.6L-12m(cu/au)/(浆善望1.41.21.00.8由图11可知，拟合结果良好。TSP、PM 10 和PM2.5作为重夯施工过程中产生的对人体有害的主要物质，CBZ2.1一2 0 0 7 工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素中规定各种项扬尘的容许质量浓度均为1mg/m。图7 中PM10、PM 2.5的质量浓度均小于1mg/m,低于规范要求的容许质量浓度，因此只对TSP质量浓度进行分析。TSP容许质量浓度示意见图12。通过现场试验，由图12 可知，距夯点8 m以内第41卷Pro2022进行多元非线性拟合，得到扬尘质量浓度与夯击能和测点-夯点距离的关系式,见式(1)(3)。Crsp=1.96+1.14 10-W-1.04 10-L;(1)CpM1o=0.61+6.49 10-W-3.62 10-2L;(2)CpM2.5=1.6710-l+1.11 10-W-8.1310-3L。(3)式中：W为夯击能(10 0 40 0 kNm);L为夯点-测点距离(6 12 m)。3种扬尘拟合曲线见图11。:/=0 m CpM1o=0.61+6.49 10-W3.6210*L0.6:L=8mL-10mL-12m(cu/eu)/鲁里0.50.40.30.2100200夯击能/(kNm)a)TSP(cu/u)/x善单3000.16L=10mL-12m0.140.120.100.08100图113种扬尘拟合曲线Fig.11 Three types of dust fitting curves时，TSP质量浓度大于容许质量浓度，会危害人体健康。夯击能逐渐增加，扬尘扩散的能量随之增加，安全距离也逐渐增大。基于拟合的TSP质量浓度关系式,结合规定的容许质量浓度，可以得到式（4）。1.96+1.1410-3W-1.0410-L-4.0410-5WxL1。(4)解不等式，可得到关于夯击能的最小安全距离，即：400:L=6m Cpmz2s=1.6710-+1.1110-4W8.1310-LL=8m400夯击能/(kNm)c)PM2.5100200300200夯击能/(kNm）b)PM10300400第9 期2.01.81.6(eu/u)/善1.41.21.00.80.60.40.20.0图12 TSP容许质量浓度示意图Fig.12 TSP allowable concentration diagram0.96+1.1410-3 WLM1.0410-l+4.0410-W4结论通过现场试验研究了不同工况下重夯施工中的扬尘质量浓度，主要结论如下：1)TSP、PM 10 和PM2.5质量浓度与夯击能呈正相关关系，与测点-夯点距离和土体含水率均呈负相关关系，夯击次数对扬尘质量浓度影响不大。2)夯击能不变的情况下，大锤、重锤、落锤高度低、提高土体含水率可以减小扬尘质量浓度。3)基于现场监测数据，建立了TSP、PM 10 和PM2.5质量浓度关于夯击能和测点-夯点距离的二元关系式。4)根据拟合的TSP质量浓度公式，考虑扬尘对人体健康的影响，提出了夯击能最小安全距离的计算方法。参考文献【1张丽丽，许意军，王琨，等.建筑施工扬尘排放系数测算与防治措施研究：以河南省郑州市为例 J.河南科学,2 0 12,30(7)：961-963.(ZHANG L L,XU Y J,WANG K,et al.Calculation pre-ventation and control 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