排樁屏障隔振試驗分析★

陳大印 陳李斌

(溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州 325005)

0 引言

公路交通、重工業(yè)的振動機器和施工活動都要引起振動，對臨近振動敏感的精密儀表、設(shè)備和建筑物等有不可忽視的影響。由于振動引起的結(jié)構(gòu)物破壞以及振動超過界限值等可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟后果，危及人民生命財產(chǎn)的安全，對社會直接或間接影響較大，由交通、工業(yè)機器及施工活動等造成的振動已經(jīng)深深的影響著人們的生產(chǎn)、生活，對環(huán)境的影響也不容小覷，國際上已經(jīng)將振動列為七大公害之一，因此，振動防護已成為亟需解決的環(huán)境和工程問題。

20世紀60年代以來，國內(nèi)外很多研究人員對于屏障隔振做過一些研究?？諟献鳛橐环N屏障，具有一定的隔振效果，Lamb及其他先驅(qū)通過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，一般要取得好的效果就要付出很大的經(jīng)濟代價。邱暢根據(jù)Lamb問題的基本解，并從相關(guān)積分方程方法(彈性波散射理論)著手，利用得出的積分方程表達式，在三維層次對兩種情況下的屏障(連續(xù)和非連續(xù))進行了研究。在Karlstrom的列車實驗中表明了空溝對低頻率振動波有一定的削弱作用。高廣運以SH波的三效應(yīng)為出發(fā)點，運用了新的設(shè)計方法，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。申永剛的空心管樁實驗方法證明了地形與行車速度對振動有一定程度的影響，通過埋置適宜深度的隔振溝能有效的使路面振動波以及中高頻率振動波減弱。以上的研究主要考慮的是單向彈性土體中屏障的隔振效果，但是對于實際工程中可能遇到的軟土中排樁的隔振效果，本文是基于實體樁現(xiàn)場測試試驗的基礎(chǔ)上，通過對試驗測得的數(shù)據(jù)進行一系列的數(shù)據(jù)處理圖像分析，理論對比來得出一些結(jié)論，探討不同直徑的樁、不同頻率的振動波的隔振效果。

1 模型試驗方法與儀器

本實驗室在尺寸為3.5 m×5.5 m×1.2 m的模型槽中進行，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，底部墊有一層聚苯乙烯泡沫塑料板。模型槽內(nèi)還要填充一定高度的砂土，實驗所用砂土是溫州常見的河砂，經(jīng)曬干、篩分后分層回填壓實，然后測定其物理力學指標。

本實驗所需的模型樁尺寸為75 mm，樁的長度分別為1.2 m。實芯樁所配混凝土中各種材料的重量比為水泥∶水∶干砂子∶石子=1∶0.42∶1.21∶2.83，混凝土強度由測試齡期為 28 d 的混凝土試塊強度而得。試驗用到的儀器有VC2002函數(shù)信號發(fā)生器，JZ-5激振器，GF75W功率放大器，動態(tài)分析測試系統(tǒng)，動態(tài)信號分析測試儀，加速度傳感器。

2 自由場與單排樁的測試與分析

為了體現(xiàn)排樁的隔振效果，首先要對無任何屏障情況下的自由場進行振動影響的測試，本次對比試驗采用的是75 mm樁，測點布置如圖1所示。

圖1 測點分布簡圖

2.1 VIBRA+振動監(jiān)測儀自導圖形的分析

將VIBRA+振動監(jiān)測儀記錄的數(shù)據(jù)導入電腦，畫出部分圖形，根據(jù)圖形對自由場和布單排樁、單排樁和泡沫板情況下的對比分析，得出抗震效果較好的一組。

2.2 自由場、布單排樁在不同頻率三角波的情況下的對比

自由場和單排樁的情況下，由于所測數(shù)值較多，本實驗采取具有代表性的頻率波做出對比，即采用5 Hz，20 Hz和50 Hz的波，根據(jù)圖形所統(tǒng)計的最大豎向速度值(mm/s)分別以不同列測點畫三幅圖形，見圖2～圖4。

圖2 自由場、單排樁5 Hz下的最大速度值

圖3 自由場、單排樁20 Hz下的最大速度值

從以上三個圖可以看出:自由場情況下的各測點測值總是大于布樁情況下的測值;并且，距離振源越遠的點，最大速度值呈下降趨勢，故距離振源越遠，所受影響越小。

由以上可以得出結(jié)論:在不同頻率三角波的影響下，布樁情況下的隔振效果優(yōu)于自由場情況下的效果。

圖4 自由場、單排樁在50 Hz頻率下的最大速度值

3 單排樁與泡沫板情況下的比較

單排樁和泡沫板情況下，從三個方向作對比，來討論單排樁和泡沫板的隔振效果，根據(jù)圖形所統(tǒng)計的最大速度值(mm/s)分別以不同列測點畫六幅圖形，見圖5～圖10。

圖5 單排樁和泡沫板在5 Hz下Y，Z方向的最大速度值

圖6 5 Hz下X方向的最大速度值

圖7 20 Hz下Y，Z方向的最大速度值

圖8 20 Hz下X方向的最大速度值

圖9 50 Hz下Y，Z方向的最大速度值

圖10 50 Hz下X方向的最大速度值

從以上六個圖可以看出:在5 Hz和20 Hz情況下，單排樁和泡沫板Y，Z方向的最大速度值相差不太大，總體來說泡沫板的速度值大于單排樁的(除了在測點13處發(fā)生的突變)，不過隔振效果差別不太明顯;頻率為50 Hz時，泡沫板和單排樁在Y，Z兩個方向上最大速度值泡沫板低于單排樁，即泡沫板在50 Hz時，Y，Z方向隔振效果優(yōu)于單排樁，不過在X方向泡沫板最大速度值大于排樁的最大速度值，在X方向的隔振效果排樁好一些。

4 結(jié)語

排樁作為非連續(xù)屏障隔振中的一種，給工程實踐帶來便利的同時也有較好的經(jīng)濟效益。它通過干涉振動波能的傳遞來達到隔振的效果。排樁模型試驗研究的完善，對軌道交通、建筑物、施工場地等隔振減振方面有著重要的指導意義。本文通過室內(nèi)試驗和數(shù)據(jù)分析得出了如下的結(jié)論:

1)通過設(shè)置排樁，可以減小場地振動的速度值，讓場地更趨于穩(wěn)定，排樁可以有效的阻隔振源引起的振動。

2)對于縱向和豎向隔振，在頻率較大時，泡沫板的隔振效果優(yōu)于單排樁，頻率較小時，隔振效果低于排樁;在橫向隔振，泡沫板隔振效果明顯低于排樁隔振。

［1］邱 暢.連續(xù)屏障和非連續(xù)屏障遠場被動隔振三維分析［D］.上海:同濟大學博士學位論文，2003.

［2］高廣運，李志毅，邱 暢.填充溝屏障遠場被動隔振三維分析［J］.巖土力學，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］申永剛，項貽強.行駛車輛引起復雜場地及結(jié)構(gòu)振動的試驗研究［J］.振動與沖擊，2008，27(5):89-94.

［5］蔡袁強.飽和土中單排彈性樁對平面S波的屏蔽［J］.巖土工程學報，2008，30(7):964-969.