不同埋置深度對(duì)樁的隔振效果的研究

劉晶磊 楊 爍 魏寶川 吳 浩 李春雨 張 政

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著科技水平的進(jìn)步，人們的生活水平逐漸提高，對(duì)科技的依賴性也越來越大，但是科學(xué)技術(shù)帶來的副作用也越來越明顯.例如，從原來的馬車，自行車到現(xiàn)在的汽車和火車，從原來的竹筏到現(xiàn)在的輪船.人們的出行效率比原來高了許多，但是在高效率的出行方式面前，交通系統(tǒng)產(chǎn)生的震動(dòng)也無時(shí)無刻不影響著人們的生活.這些震動(dòng)不只是體現(xiàn)在交通系統(tǒng)中，還體現(xiàn)在生活中的各個(gè)方面.為了緩解生活中產(chǎn)生的這些震動(dòng)，國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量研究.趙世俊等[1]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法探究了混凝土排樁對(duì)隔振體系的影響，研究了樁長和樁間距以及振源位置等因素對(duì)隔振效果的影響.得出了增大樁長，減小樁間距對(duì)隔振效果的影響越明顯、振源位置對(duì)隔振效果有影響的結(jié)論；郭炳川等[2]建立有限元模型研究樁長，樁間距，樁身材料對(duì)隔振效果的影響，得出了增大樁長，減小樁間距對(duì)隔振效果的影響越明顯、樁身材料對(duì)隔振效果影響不大的結(jié)論；劉晶磊等[3]通過室外試驗(yàn)研究了幾種非連續(xù)隔振屏障的隔振效果，得出了混凝土樁隔振效果的優(yōu)劣：混凝土實(shí)心樁>混凝土空心樁>PVC空井>碎石填充井>橡膠填充井；孫立強(qiáng)等[4]通過大比例尺試驗(yàn)，研究了空溝、碎石填充溝和排樁的隔振效果，研究結(jié)果表明排樁可以起到良好的隔振效果，空溝可以起到良好的隔振作用，空溝深度越大，隔振效果越好；碎石填充溝的隔振效果不明顯；Turan等[5]通過有限元和邊界元法研究了微型斜交樁作為被動(dòng)隔振屏障中樁長、樁徑、振動(dòng)頻率、振源距離、樁間距等因素對(duì)其隔振效果的影響作用，并表明樁傾角在90°～120°時(shí)，相對(duì)于主動(dòng)隔離情況下的垂直屏障，隔振性能提高了44%；Ulgen等[6]針對(duì)激發(fā)頻率、土壤分層、溝的尺寸、填充材料類型等影響因素在野外試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了一系列全面的實(shí)地試驗(yàn)，并指出了各影響因素的作用大小.

綜上所述的隔振措施中，多采用混凝土樁和空溝作為隔振屏障.但是若采用空溝作為隔振措施，就會(huì)面臨穩(wěn)定性、路面受損、地下水位變高、安全性等問題，故空溝在某些條件下并不適合被用于做隔振屏障.相較于空溝來講，混凝土樁具有簡單穩(wěn)定，取材廣泛，施工簡單，保護(hù)路面等優(yōu)點(diǎn)，且能夠起到很好的隔振效果.

1 試驗(yàn)概況

為了更好的與實(shí)際結(jié)果相結(jié)合，本次試驗(yàn)采取了室外模擬試驗(yàn).即在戶外建立了一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地，這個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地是在一塊平整的場(chǎng)地上取一個(gè)長4m，寬4m，高1.4m的長方體土坑.將粒徑均勻的砂土填入此長方體土坑中，分多層夯實(shí)，直到與地面整平為止.此次先填土后夯實(shí)過程中，砂土的含水率應(yīng)該控制在8%-12%之間.試驗(yàn)使用WZ-Z30型振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包括信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、功率放大器、加速度放大器等，均放置在矩形鐵箱中，并在其底部布置兩條鋼制軌道使之與地面隔離，方便采取試驗(yàn)數(shù)據(jù)并防止鐵箱對(duì)振動(dòng)波產(chǎn)生發(fā)射而影響試驗(yàn)結(jié)果.

如圖1所示，試驗(yàn)中共使用了11個(gè)加速度控制點(diǎn)，等間距的布置在一條軸線上，激振器的中心和第一個(gè)控制點(diǎn)之間的距離為300mm，其余的控制點(diǎn)間距為100mm.故最遠(yuǎn)處的控制點(diǎn)距振源的距離為1300mm.此外，激振器中心與布置排樁區(qū)域的中心重合，且此軸線在布置排樁區(qū)域中心的正上方.采用4根樁長400mm的樁，橫截面為邊長為10cm的正方形樁，樁間距為10cm.樁的埋置深度分別為50mm、100mm、150mm，振源頻率40Hz，采樣頻率為5000次/s，采樣時(shí)間為3s.

圖1 控制點(diǎn)布置圖

如表1所示，此次試驗(yàn)采用控制變量法，共對(duì)應(yīng)三種工況，各個(gè)工況的埋深不同，其余參數(shù)如樁長、樁間距、樁徑、振源頻率等均相同，分析埋置深度對(duì)隔振效果的影響.

表1 工況明細(xì)表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為研究樁的不同埋置深度對(duì)樁的隔振效果的影響，本次試驗(yàn)共進(jìn)行了埋置深度不同的三個(gè)工況進(jìn)行探究，即除了埋置深度不同，樁長和樁間距以及振源頻率等因素均相同.各種屏障的作用效果以加隔振措施前后各點(diǎn)加速度的比值A(chǔ)r進(jìn)行表示.

上式中Max(D)表示有隔振時(shí)各控制點(diǎn)處采集的豎向加速度極大值，Max(Dwout)表示無隔振時(shí)各控制點(diǎn)處采集的豎向加速度極大值.

由圖2～圖4的橫坐標(biāo)表示各控制點(diǎn)距振源的距離，縱坐標(biāo)表示的是對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)的Ar值.由圖2～圖4可知，取點(diǎn)處與振源之間的距離為300-700mm時(shí)，1號(hào)檢測(cè)線上各點(diǎn)Ar值隨其與振源中心距離的增大而減小，但隨著距離的增大，1號(hào)檢測(cè)線上相鄰兩個(gè)點(diǎn)Ar值的差值隨其與振源中心距離的增大而降低.但取點(diǎn)處與振源中心的距離增大到700mm以后，Ar值隨著距離的增大而增大，但其值小于1，隔振效果減弱.由圖2～圖4可知，隔振最優(yōu)區(qū)域在600mm～800mm之間；埋深50mm時(shí)，隔振最優(yōu)區(qū)域的Ar值分布在0.612～0.64之間；埋深100mm時(shí)，隔振最優(yōu)區(qū)域的Ar值分布在0.736～0.769之間；埋深150mm時(shí)，隔振最優(yōu)區(qū)域的Ar值分布在0.822～0.834之間.圖2即埋置深度為50mm的樁的Ar值分布在0.64～0.723之間，圖3即埋置深度為100mm的樁的Ar值分布在0.736～0.934之間，圖4即埋置深度為150mm的樁的Ar值分布在0.822～0.954之間.埋深從150mm減小到100mm，Ar值減小10%，即隔振效果提高了10%；埋深從100mm減小到50mm，Ar值減小20%，隔振效果提高了20%.

圖2 埋深5cm時(shí)各控制點(diǎn)Ar值分布曲線 圖3 埋深10cm時(shí)各控制點(diǎn)Ar值分布曲線

圖4 埋深15cm時(shí)各控制點(diǎn)Ar值分布曲線

為了進(jìn)一步研究埋深對(duì)隔振效果的影響，對(duì)不同埋深下最優(yōu)隔振區(qū)域進(jìn)行分析，并繪制圖5.

圖5 不同埋深下最優(yōu)隔振區(qū)域Ar最小值

如圖5所示，圖5的橫坐標(biāo)表示埋深的大小，縱坐標(biāo)表示最優(yōu)隔振區(qū)域Ar最小值.變量僅控制在樁的埋深，其他影響因素相同.樁的埋深由150mm減小到100mm，Ar最小值由0.822減小到0.736，即表示樁的隔振效果提高了11.7%左右.樁的埋深由100mm減小到50mm時(shí)，Ar最小值由0.736減小到0.612，即樁的隔振效果提高了20.3%左右.由此可知樁的埋深對(duì)樁的隔振作用有影響，隨著埋深的減小，其隔振效果也會(huì)提升.由圖2、圖3、圖4也可以知道，在相同的埋深情況下，隨著距離振源的距離增大，其Ar值逐漸減小，但距離增大到一定值后，Ar值逐漸增大.說明距離的遠(yuǎn)近也影響Ar值，對(duì)隔振也有影響.

3 結(jié) 論

根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文分析了混凝土樁埋深對(duì)隔振效果的影響，在本試驗(yàn)條件下得出以下結(jié)論：

(1)混凝土的樁能夠有效的隔離振動(dòng)波，隨著振源距的增大，其Ar值逐漸減小，隔振效果顯著，但距離增大到一定值后，隔振效果減弱.不同埋深的隔振最優(yōu)區(qū)域在600mm～800mm之間；埋深50mm時(shí)，隔振最優(yōu)區(qū)域的Ar值分布在0.612～0.64之間；埋深100mm時(shí)，隔振最優(yōu)區(qū)域的Ar值分布在0.736～0.769之間；埋深150mm時(shí)，隔振最優(yōu)區(qū)域的Ar值分布在0.822～0.834之間，隨著埋深的增大，最優(yōu)隔振區(qū)域的Ar值增大，隔振效果減弱.

(2)樁的埋深對(duì)混凝土樁的隔振性能影響顯著，主要表現(xiàn)在隨著樁的埋深的減小，其隔振效果明顯增加，增加效果在30%～40%.