正六邊形截面樁的減隔振性能試驗研究

唐家旗 畢全超* 趙 悅

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，高速鐵路發(fā)展迅猛，其引起的地表振動和建筑振動也受到了廣泛的關(guān)注.國內(nèi)外學(xué)者為降低鐵路振動對周圍環(huán)境的影響做了大量的研究,Aviles等[1-2]采用三維邊界元法研究了單排或多排樁的樁徑、樁長、樁間距等對隔振效果的影響.劉中憲等[3]通過定量化頻譜分析,揭示了P、SV波入射時排樁對不同頻段彈性波的隔振差別,探討了不同波速比、樁間距、樁排數(shù)對隔振效果的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明低頻波宜采用多排樁,但對高頻波,采用三排以上的樁屏障對隔振效果的提升則不再顯著.高廣運等[4]研究表明：剛性材料比柔性材料具有更好的隔振效果，在隔振設(shè)計時應(yīng)選擇剛性屏障材料：填充溝的深度在一倍瑞利波波長內(nèi)對隔振效果有較大影響，并且與寬度一起決定其隔振效果，但當(dāng)屏障深度超過一倍瑞利波波長后，屏障深度對隔振效果的影響很小.劉晶磊等[5]通過數(shù)值模擬分析得到結(jié)論：樁深對減隔振效果影響最明顯，截面尺寸次之，而排樁間距影響非常有小.孫立強等[6]通過大比例尺試驗,采用加速度作為振動的評價指標(biāo),分別研究空溝、碎石填充溝和排樁的隔振效果.郭炳川等[7]通過abaqus建立排樁隔振系統(tǒng)三維有限元模型，分析了樁長、樁間距、樁身材料、雙排樁距離和交叉布置排樁對隔振效果的影響.孫軍等[8]通過現(xiàn)場實測測得多排樁與蜂巢樁兩種隔振屏障的隔振效果.

上述學(xué)者對隔振排樁的研究大多是用數(shù)值模擬進行分析，而數(shù)值模擬與實際工程還是會存在一些誤差.所以本文室內(nèi)試驗是在原有方樁、圓樁等混凝土隔振樁型的基礎(chǔ)上提出一種新型正六邊形截面混凝土樁，研究三排樁樁間距、排間距、振源距等因素對隔振效果的影響，提出一些有益的結(jié)論.

1 試驗概況

本試驗為室內(nèi)試驗，場地為4m×4m×1.6m,其中上部為0.4m深的粉質(zhì)粘土，下部為1.2m深的沙土，分層夯實土體，土體密度為1600kg/m3～1700kg/m3，含水率為10%～11%.該試驗采用WS-Z30型振動臺控制系統(tǒng)，設(shè)備主要包括信號發(fā)生器、激振器、電荷放大器、功率放大器、加速度傳感器(靈敏度為4PC/ms-2，頻率響應(yīng)為0.20～8000Hz，測量范圍為50m/s2，質(zhì)量為28.5g)，數(shù)據(jù)采集控制儀、加速度計放大器等.試驗儀器及隔振樁如圖1所示.

圖1 試驗儀器及隔振樁

本次試驗選定的激振頻率為30Hz、60Hz、120Hz，激振波為正弦波，采樣頻率設(shè)置為5000Hz，時間為5s.同時，在整個試驗過程中，電荷放大器值始終保持一致[9].試驗采用的正六邊形截面混凝土樁邊長為5cm，高為40cm，總共18個，每排設(shè)置6個樁.三排樁樁間距、排間距、振源距等數(shù)值見表1，試驗場地儀器布置及排樁區(qū)域如圖2所示.

圖2 試驗場地儀器布置及排樁區(qū)域

表1 正六邊形截面三排樁取值表

2 隔振效果評價指標(biāo)

為了減小試驗誤差，加速度最大值取兩次試驗測得數(shù)值的平均值.試驗隔振效果采用振幅衰減系數(shù)ARF[10]來表示，ARF為設(shè)置隔振屏障后的地面垂直豎向加速度與無隔振屏障時的地面垂直豎向加速度之比.ARF越小，隔振效果越好，反之則隔振效果越差.ARF的表達式如下：

ARF=a/a0

式中a為設(shè)置隔振措施后的地面豎向最大加速度值；a0為無隔振措施時的地面豎向最大加速度值.

3 無隔振措施下地面最大加速度測定

為了測定地面最大豎向加速度，選取30Hz，60Hz，120Hz等頻率用激振器對地面進行激振，不采取減隔振措施，得到振源距在100cm、120cm、140cm時的地面最大豎向加速度，試驗結(jié)果見表2，無減隔振措施布置如圖3.

表2 無隔振措施地面最大加速度

圖3 無減隔振措施布置

4 實驗結(jié)果分析

4.1 正六邊形三排樁樁間距對隔振效果的影響

為了研究樁間距對隔振效果的影響，將排間距設(shè)定為10cm，隔振振源設(shè)定為100cm.在樁間距為5cm、10cm、15cm的三個工況下，采用激振器進行激振，頻率選用30Hz、60Hz、120Hz，試驗結(jié)果見表3.

表3 三排樁不同樁間距隔振效果

從表中可以看出：在排間距為10cm，振源距為100cm的條件下.樁間距在5cm、10cm、15cm時地面加速度分別衰減了56.9%～61.5%、48.3%～51.5%、36.2%～39.7%.可知隨著三排樁樁間距的減小，隔振效果有所提高，且增加幅度較為明顯，而且當(dāng)樁間距一定的時候，隨著激振頻率的增大，相應(yīng)位置的振動加速度逐漸減小.

為了更形象的表示不同樁間距的最大加速度，繪制了樁間距-地面最大加速度曲線如圖4.

圖4 相同排間距與振源距下不同樁間距的隔振效果

4.2 正六邊形三排樁排間距對隔振效果的影響

為了研究排間距對隔振效果的影響，將樁間距設(shè)定為10cm，隔振振源設(shè)定為100cm.在排間距為5cm、10cm、15cm的三個工況下，采用激振器進行激振，激振頻率選用30Hz、60Hz、120Hz，試驗結(jié)果見表4.

表4 三排樁不同排間距隔振效果

從表中可以看出：在樁間距為10cm，振源距為100cm的條件下.排間距在5cm、10cm、15cm時地面加速度分別衰減了45.5%～52.4%、48.3%～51.5%、39.4%～43.1%.可知隨著三排樁排間距減小，隔振效果逐漸增加，但是增加幅度并不顯著，而且當(dāng)排間距一定的時候，隨著激振頻率的增大，相應(yīng)位置的振動加速度逐漸減小.

為了更形象的表示不同排間距的最大加速度，繪制了排間距-地面最大加速度曲線如圖5.

圖5 相同樁間距與振源距下不同排間距的隔振效果

4.3 振源距對隔振效果的影響

為了研究振源距對隔振效果的影響，將三排樁樁間距和排間距均設(shè)定為10cm.在振源距為100cm、120cm、140cm的三個工況下，采用激振器進行激振，頻率選用30Hz、60Hz、120Hz，試驗結(jié)果見表5.

表5 不同振源距隔振效果

從表中可以看出：在樁間距和排間距都為10cm的條件下，振源距在100cm、120cm、140cm時地面加速度分別衰減了48.3%～51.5%、49.2%～60.5%、53.8%～57.1%.可知隨著振源距的增大，隔振效果略有增加，振動加速度逐漸減小.

為了更形象的表示不同振源距的最大加速度，繪制了振源距-地面最大加速度曲線如圖6.

圖6 相同樁間距與排間距下不同振源距的隔振效果

5 結(jié) 論

為了研究正六邊形三排樁不同樁間距、排間距、振源距等因素對隔振效果的影響，本文采用三排樁室內(nèi)試驗，得出以下結(jié)論.

(1)當(dāng)正六邊形三排樁排間距為10cm、振源距為100cm的時候，隨著樁間距變?yōu)?5cm、10cm、5cm，隔振效果有所增加，增加幅度較為明顯，加速度衰減了36.2%～61.5%.

(2)當(dāng)正六邊形三排樁樁間距為10cm、振源距為100cm的時候，隨著排間距變?yōu)?5cm、10cm、5cm，隔振效果有增加，但增加幅度不明顯,加速度衰減了39.4%～52.4%.

(3)當(dāng)正六邊形三排樁樁間距和排間距都為10cm的時候，隨著振源距變?yōu)?00cm、120cm、140cm，隔振效果略有增加，加速度衰減了48.3%～60.5%.