排樁隔振試驗(yàn)分析★

陳大印 馮志平

(溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江溫州 325005)

1 概況

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活、生產(chǎn)中產(chǎn)生的振動(dòng)日益嚴(yán)重起來(lái)，公路交通、重工業(yè)的振動(dòng)機(jī)器和施工活動(dòng)等引起的振動(dòng)，可導(dǎo)致臨近振動(dòng)敏感的精密儀表、設(shè)備和建筑物等產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)工程建設(shè)、精密測(cè)量和人們?nèi)粘Ｉ疃加胁豢赡绲挠绊?，?duì)環(huán)境的影響也不容小覷，國(guó)際上已經(jīng)將振動(dòng)列為七大公害之一，因此隔振減振研究意義重大。20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多研究人員對(duì)于屏障隔振做過(guò)一些研究。Klein及其他先驅(qū)通過(guò)三維頻域邊界單元法研究表明空溝深度是其隔振的主要影響因素。由于空溝僅適用于較小的波長(zhǎng)，一般要取得好效果就要付出很大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。Klein用有限元法對(duì)高架橋路沿線的隔振管樁進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明在距離震源25 m的情況下，管樁可以減少地面上下振動(dòng)水平5 dB。在Karlstrom的列車(chē)實(shí)驗(yàn)中表明了空溝對(duì)低頻率振動(dòng)波有一定的削弱作用。高廣運(yùn)以SH波的三效應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用了新的設(shè)計(jì)方法，突破了Woods等前輩的結(jié)論，成功證明了非連續(xù)屏障良好的隔振效果。而在Murillo的屏障隔振縮尺離心模型試驗(yàn)中，可以看到屏障深度才是其隔振效果的主要影響因素，至于寬度的影響只局限于淺深度及低頻率，在與之對(duì)立的情況下，其影響可以忽略不計(jì)。

以上的研究主要考慮的是單向彈性土體中的屏障的隔振效果，但對(duì)于實(shí)際工程中遇到的軟土中排樁的隔振效果，本文是基于實(shí)體樁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理圖像分析，理論對(duì)比來(lái)得出一些結(jié)論，探討不同直徑的樁、不同頻率的振動(dòng)波及實(shí)心、空心樁的不同組合的隔振效果。

2 模型試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)室在尺寸為3.5 m×5.5 m×1.2 m的模型槽中進(jìn)行，為了最大限度減少邊界效應(yīng)，側(cè)壁由內(nèi)而外分別由1層4 cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板、防水層、鋼筋混凝土外圍構(gòu)成，底部墊有1層4 cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板。模型槽內(nèi)還要填充一定高度的沙土，實(shí)驗(yàn)所用沙土是溫州常見(jiàn)的河沙，經(jīng)曬干、篩分后分層回填壓實(shí)，然后測(cè)定其物理力學(xué)指標(biāo)。所需的模型樁尺寸為75 mm，樁的長(zhǎng)度分別為1.2 m。試驗(yàn)需要用到的主要儀器有VC2002函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，JZ-5激振器，GF75W功率放大器，動(dòng)態(tài)分析測(cè)試系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析測(cè)試儀，加速度傳感器。

自由場(chǎng)與單排樁的測(cè)試與分析。為了體現(xiàn)排樁的隔振效果，首先要對(duì)無(wú)任何屏障情況下的自由場(chǎng)進(jìn)行振動(dòng)影響的測(cè)試，而后進(jìn)行不同直徑排樁的測(cè)試，本次對(duì)比試驗(yàn)采用的是75 mm樁，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖

2.1 單排樁和雙排樁在三角波影響下的對(duì)比

單排樁和雙排樁情況下，三種頻率三角波影響的情況，從兩個(gè)方向作對(duì)比，來(lái)討論單排樁和雙排樁的隔振效果，根據(jù)圖像所統(tǒng)計(jì)的最大速度值(mm/s)分別以不同列測(cè)點(diǎn)畫(huà)三幅圖像，見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 5 Hz下的最大速度值

圖3 50 Hz下的最大速度值

圖4 20 Hz下的最大速度值

從圖2～圖4中可以看出:測(cè)點(diǎn)9～16在20 Hz情況下，雙排樁的最大速度值低于單排樁的最大速度值，5 Hz時(shí)大部分低于單排樁，50 Hz時(shí)對(duì)比效果不明顯，故在三角波作用下，雙排樁Y方向的隔振效果優(yōu)于單排樁;在Z方向不同頻率波的作用下，單排樁和雙排樁隔振效果對(duì)比不明顯，雙排樁的隔振效果沒(méi)有明顯的優(yōu)于單排樁。

2.2 單排樁和雙排樁在正弦波影響下的對(duì)比

單排樁和雙排樁情況下，三種頻率正弦波影響的情況，從兩個(gè)方向作對(duì)比，來(lái)討論單排樁和雙排樁的隔振效果，根據(jù)圖像所統(tǒng)計(jì)的最大速度值(mm/s)分別以不同列測(cè)點(diǎn)畫(huà)三幅圖像，見(jiàn)圖5～圖7。

從圖5～圖7中可以看出:在三種不同頻率的正弦波的作用下，測(cè)點(diǎn)1～8，在頻率為20 Hz和50 Hz時(shí)，雙排樁各測(cè)點(diǎn)最大速度值均小于單排樁最大速度值，即雙排樁的隔振效果優(yōu)于單排樁;在5 Hz時(shí)，測(cè)點(diǎn)1～8雙排樁和單排樁隔振效果對(duì)比不明顯。測(cè)點(diǎn)9～16在頻率為20 Hz和50 Hz時(shí)，雙排樁各測(cè)點(diǎn)最大速度值亦是均小于單排樁最大速度值，即雙排樁的隔振效果在此頻率下優(yōu)于單排樁;在5 Hz時(shí)，測(cè)點(diǎn)9～16雙排樁和單排樁隔振效果對(duì)比不明顯。單排樁和雙排樁的最大速度值均是隨測(cè)點(diǎn)距離震源越遠(yuǎn)而逐漸變小的，在測(cè)點(diǎn)2～7，最大速度值趨于穩(wěn)定，變化很小;測(cè)點(diǎn)9～16也是如此。故在正弦波作用下，雙排樁Y，Z方向的隔振效果優(yōu)于單排樁，不過(guò)效果不太明顯。

圖5 單排樁和雙排樁在5 Hz下的最大速度值

圖6 單排樁和雙排樁在20 Hz下的最大速度值

圖7 單排樁和雙排樁在50 Hz下的最大速度值

3 結(jié)語(yǔ)

排樁作為非連續(xù)屏障隔振中的一種，給工程實(shí)踐帶來(lái)便利同時(shí)也有較好的經(jīng)濟(jì)效益。它通過(guò)干涉振動(dòng)波能的傳遞來(lái)達(dá)到隔振的效果。排樁模型試驗(yàn)研究的完善，將會(huì)使軌道交通、建筑物、施工場(chǎng)地等隔振減振方面有著重要的指導(dǎo)意義。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析得出了如下的結(jié)論:

1)通過(guò)設(shè)置排樁，可以減小場(chǎng)地振動(dòng)的速度值，讓場(chǎng)地更趨于穩(wěn)定，排樁可以有效地阻隔震源引起的震動(dòng)。

2)如果振動(dòng)場(chǎng)地多發(fā)生縱向震動(dòng)時(shí)，宜采用雙排樁，雙排樁可以有效地阻隔縱向振動(dòng)波的傳播，減小振動(dòng)產(chǎn)生的危害。如果多發(fā)生豎向震動(dòng)時(shí)，宜采用單排樁，單排樁經(jīng)濟(jì)適用，并且其隔振效果相對(duì)于雙排樁相差不大，單排樁對(duì)豎向波的傳播有顯著地阻隔效果，總體來(lái)說(shuō)，雙排樁對(duì)隔振效果沒(méi)有明顯的影響。

［1］Klein R，Antes H，Le Houedec D.Efficient 3D modelling of vibration isolation by open trenches［J］.Computers and Structures，1997，64(1):809-817.

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