连续荷载作用下单排桩隔振效果研究

刘 杰 刘晶磊* 温孟瑶

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 75000)

0 引 言

目前，轨道交通由于便捷，运量大，效率高，耗能低，速度快等优点在国内交通运输中得到了飞速的发展.虽然轨道交通对于经济发展做出巨大的贡献，给人们的生活带来巨大的好处，“便利”已经成为了现代轨道交通的代名词.但是轨道交通所引起的振动问题却不容忽视，以振动在人们日常生活中所产生的影响(建筑物振动和地表振动)为主进行分析，这些问题受到了社会的广泛关注[1-3].由于轨道交通振动公害的产生，振动的主要形式也随之浮出表面，其振动产生的振动波主要以表面波的形式进行传播，在传播路径进行阻隔被视为一种有效的隔振措施，加上隔振机理[4]的提出，发现振动波穿越屏障的的方式主要有：绕射、透射和散射三种.其中Paolucci、高广运等[5-6]采用有限元法和谱单元法等模拟方法对振动问题进行分析；张鼎等[9]运用理论分析及数值模型，从数值仿真的角度，通过验证经验公式与试验有效值分析，对于地下屏障的隔振机理做出了解释.

以上学者对隔振效果做出了理论以及有限元法进行了分析和验证，但缺少试验的支持，因此本文研究内容主要针对线荷载作用下的单排桩隔振效果进行研究，同时实现了连续型荷载和试验的双重突破.为铁路隔振设计提供了可靠的依据.

1 试验场地与设备

图1 实验设备

本文针对连续型荷载的排桩试验，为保证其正常实施，试验场地选取砂土作为试验用土.试验场地所处位置空旷，鲜有人为振动干扰.试验场地尺寸为4 m×4 m×2 m(边长×边长×深)，试验过程中保持场地中土体的密度以及湿度.

仪器设备方面，本试验采用小型精密模拟振动台系统进行隔振试验，传感器，接收器，信号放大器，计算机操作系统，信号采集仪等设备进行试验.采样频率为5000次/s，采样时间为5s.试验仪器及设备具体如图1所示.

2 试验安排

本次试验场地内设置1.5 m×2.4 m的矩形区域布设传感器，共设置9个传感器，其中单排桩屏障前布置2个传感器，单排桩屏障后布置6个传感器，单排桩桩间布设1个传感器，其中桩前布设2个传感器间距10 cm，桩后布置6个传感器间距10 cm，桩间布置传感器位于单排桩屏障中心位置处.具体试验布置图如图2所示.

连续型荷载距离单排桩屏障30 cm、60 cm、90 cm，连续荷载长度为120 cm，上部为振动台，下部为实心混凝土桩.激振由振动台带动实心混凝土桩连带振动，已达到连续型荷载隔振效果.

图2试验场地布置图图3连续型荷载

3 试验方案

本次试验为了研究连续型荷载作用下的单排桩隔振效果，将集中分析单排桩的以下几种几何因素，包括桩长，桩径，桩间距等并设置以下几种工况进行分析，具体工况如下表所示.

表1 试验参数明细表

4 评价指标

本试验评价指标采用振幅降低比Ar值来进行隔振效果的比较.Ar值越小代表隔振效果越好.为减少实验误差，选择所测加速值得平均值作为公式(1)的竖向加速度值.

Ar=a1/a0

(1)

式中：a0为所测无隔振地表加速度值；a1为所测设置隔振措施后的加速度值.

5 试验结果与分析

图4 桩长与Ar值的曲线图

5.1 桩长因素影响

为了单独研究桩长对隔振效果的影响，取3种桩长，分别为30 cm、40 cm、50 cm.桩间距和桩径保持不变.振源距离取30 cm.并作出具体工况如下表所示.

表2 桩长参数试验工况明细表

根据表中数据做出曲线图如下作进一步分析.

根据图4所示，当桩长增加后，其Ar值最低由0.481减小到0.404，即当桩长增加后隔振效果明显变好.说明桩长因素是影响连续型荷载作用下单排桩隔振效果的重要因素.其隔振效果(即Ar值)随着桩长的增加0.67倍增强了0.079.

图5 桩径与Ar值的曲线图

5.2 桩径因素影响

为了单独研究桩长对隔振效果的影响，取3种桩径，分别为5 cm、10 cm、15 cm.桩间距和桩长保持不变.振源距离取30 cm.并作出具体工况如下表所示.

表3 桩径参数试验工况明细表

根据表中数据做出曲线图如下作进一步分析.

根据图5所示，当桩径增加后，其Ar值最低由0.541减小到0.434，说明当桩径增加后隔振效果变好.即桩径的变化也是影响连续型荷载作用下单排桩隔振效果的因素之一，即桩径增加2倍，Ar值减小0.109.

图6 桩间距与Ar值的曲线图

5.3 桩间距因素影响

为了单独研究桩间距对隔振效果的影响，取3种桩间距，分别为5 cm、10 cm、15 cm.桩径和桩长保持不变.振源距离取30 cm.并作出具体工况如下表所示.

表4 桩间距参数试验工况明细表

根据表中数据做出曲线图如下作进一步分析.

根据图6所示，当桩间距增加后，其Ar值最低由0.453增加到0.621，说明当桩间距增加后隔振效果变差.即桩间距的增加对隔振效果起到了副作用，所以建议在设置桩间距时取较小值，才能在连续性荷载作用下起到有效的隔振作用.

5.4 振源距因素影响

表5 振源距参数试验工况明细表

为了单独研究桩间距对隔振效果的影响，取3种振源距，分别为30 cm、60 cm、90 cm.桩身几何参数保持不变.取桩长为40 cm，桩径为10 cm，桩间距为10 cm.并作出具体工况如下表所示.

根据表中数据做出曲线图如下作进一步分析.

图7 振源距与Ar值的曲线图

如图7所示，随着振源距离的增加，其Ar值逐渐降低，Ar值具体减少为0.103，说明随着振源距离的增加，隔振效果有所增强.

6 结 论

通过对单排桩进行连续荷载作用下的隔振效果研究得出了以下几种结论.

(1)单排桩在线性荷载作用下有一定的隔振效果，并且随着桩长的增加隔振效果增强，并且桩长因素影响最大，Ar值变化最大，建议在经济合理范围内取长桩.

(2)随着桩径的变化隔振效果变化比较明显，并且随着桩径的增加隔振效果逐渐增强.

(3)当桩间距增加时，振动波绕射更加容易，使得Ar值增加，从而降低隔振效果，所以建议布置排桩时桩间距取较小值.

(4)当振源距离增加时，隔振效果有所减弱.