排桩屏障隔振试验分析★

陈大印 陈李斌

(温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325005)

0 引言

公路交通、重工业的振动机器和施工活动都要引起振动，对临近振动敏感的精密仪表、设备和建筑物等有不可忽视的影响。由于振动引起的结构物破坏以及振动超过界限值等可产生较大的经济后果，危及人民生命财产的安全，对社会直接或间接影响较大，由交通、工业机器及施工活动等造成的振动已经深深的影响着人们的生产、生活，对环境的影响也不容小觑，国际上已经将振动列为七大公害之一，因此，振动防护已成为亟需解决的环境和工程问题。

20世纪60年代以来，国内外很多研究人员对于屏障隔振做过一些研究。空沟作为一种屏障，具有一定的隔振效果，Lamb及其他先驱通过三维频域边界单元法研究表明空沟深度是其隔振的主要影响因素。由于空沟仅适用于较小的波长，一般要取得好的效果就要付出很大的经济代价。邱畅根据Lamb问题的基本解，并从相关积分方程方法(弹性波散射理论)着手，利用得出的积分方程表达式，在三维层次对两种情况下的屏障(连续和非连续)进行了研究。在Karlstrom的列车实验中表明了空沟对低频率振动波有一定的削弱作用。高广运以SH波的三效应为出发点，运用了新的设计方法，突破了Woods等前辈的结论，成功证明了非连续屏障良好的隔振效果。申永刚的空心管桩实验方法证明了地形与行车速度对振动有一定程度的影响，通过埋置适宜深度的隔振沟能有效的使路面振动波以及中高频率振动波减弱。以上的研究主要考虑的是单向弹性土体中屏障的隔振效果，但是对于实际工程中可能遇到的软土中排桩的隔振效果，本文是基于实体桩现场测试试验的基础上，通过对试验测得的数据进行一系列的数据处理图像分析，理论对比来得出一些结论，探讨不同直径的桩、不同频率的振动波的隔振效果。

1 模型试验方法与仪器

本实验室在尺寸为3.5 m×5.5 m×1.2 m的模型槽中进行，为了最大限度减少边界效应，侧壁由内而外分别由聚苯乙烯泡沫塑料板、防水层、钢筋混凝土外围构成，底部垫有一层聚苯乙烯泡沫塑料板。模型槽内还要填充一定高度的砂土，实验所用砂土是温州常见的河砂，经晒干、筛分后分层回填压实，然后测定其物理力学指标。

本实验所需的模型桩尺寸为75 mm，桩的长度分别为1.2 m。实芯桩所配混凝土中各种材料的重量比为水泥∶水∶干砂子∶石子=1∶0.42∶1.21∶2.83，混凝土强度由测试龄期为 28 d 的混凝土试块强度而得。试验用到的仪器有VC2002函数信号发生器，JZ-5激振器，GF75W功率放大器，动态分析测试系统，动态信号分析测试仪，加速度传感器。

2 自由场与单排桩的测试与分析

为了体现排桩的隔振效果，首先要对无任何屏障情况下的自由场进行振动影响的测试，本次对比试验采用的是75 mm桩，测点布置如图1所示。

图1 测点分布简图

2.1 VIBRA+振动监测仪自导图形的分析

将VIBRA+振动监测仪记录的数据导入电脑，画出部分图形，根据图形对自由场和布单排桩、单排桩和泡沫板情况下的对比分析，得出抗震效果较好的一组。

2.2 自由场、布单排桩在不同频率三角波的情况下的对比

自由场和单排桩的情况下，由于所测数值较多，本实验采取具有代表性的频率波做出对比，即采用5 Hz，20 Hz和50 Hz的波，根据图形所统计的最大竖向速度值(mm/s)分别以不同列测点画三幅图形，见图2～图4。

图2 自由场、单排桩5 Hz下的最大速度值

图3 自由场、单排桩20 Hz下的最大速度值

从以上三个图可以看出:自由场情况下的各测点测值总是大于布桩情况下的测值;并且，距离振源越远的点，最大速度值呈下降趋势，故距离振源越远，所受影响越小。

由以上可以得出结论:在不同频率三角波的影响下，布桩情况下的隔振效果优于自由场情况下的效果。

图4 自由场、单排桩在50 Hz频率下的最大速度值

3 单排桩与泡沫板情况下的比较

单排桩和泡沫板情况下，从三个方向作对比，来讨论单排桩和泡沫板的隔振效果，根据图形所统计的最大速度值(mm/s)分别以不同列测点画六幅图形，见图5～图10。

图5 单排桩和泡沫板在5 Hz下Y，Z方向的最大速度值

图6 5 Hz下X方向的最大速度值

图7 20 Hz下Y，Z方向的最大速度值

图8 20 Hz下X方向的最大速度值

图9 50 Hz下Y，Z方向的最大速度值

图10 50 Hz下X方向的最大速度值

从以上六个图可以看出:在5 Hz和20 Hz情况下，单排桩和泡沫板Y，Z方向的最大速度值相差不太大，总体来说泡沫板的速度值大于单排桩的(除了在测点13处发生的突变)，不过隔振效果差别不太明显;频率为50 Hz时，泡沫板和单排桩在Y，Z两个方向上最大速度值泡沫板低于单排桩，即泡沫板在50 Hz时，Y，Z方向隔振效果优于单排桩，不过在X方向泡沫板最大速度值大于排桩的最大速度值，在X方向的隔振效果排桩好一些。

4 结语

排桩作为非连续屏障隔振中的一种，给工程实践带来便利的同时也有较好的经济效益。它通过干涉振动波能的传递来达到隔振的效果。排桩模型试验研究的完善，对轨道交通、建筑物、施工场地等隔振减振方面有着重要的指导意义。本文通过室内试验和数据分析得出了如下的结论:

1)通过设置排桩，可以减小场地振动的速度值，让场地更趋于稳定，排桩可以有效的阻隔振源引起的振动。

2)对于纵向和竖向隔振，在频率较大时，泡沫板的隔振效果优于单排桩，频率较小时，隔振效果低于排桩;在横向隔振，泡沫板隔振效果明显低于排桩隔振。

［1］邱 畅.连续屏障和非连续屏障远场被动隔振三维分析［D］.上海:同济大学博士学位论文，2003.

［2］高广运，李志毅，邱 畅.填充沟屏障远场被动隔振三维分析［J］.岩土力学，2005，26(8):1184-1188.

［3］Karlstrom A，Bostrom A.Efficiency of trenches along railways for trains moving at sub-orsupersonic speeds［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2007，27(7):625-641.

［4］申永刚，项贻强.行驶车辆引起复杂场地及结构振动的试验研究［J］.振动与冲击，2008，27(5):89-94.

［5］蔡袁强.饱和土中单排弹性桩对平面S波的屏蔽［J］.岩土工程学报，2008，30(7):964-969.