基于樁間角度對(duì)環(huán)形排樁減隔振效果分析

王 洋 楊 爍 張業(yè)榮 劉晶磊*

(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 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000;3.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來(lái)，高速鐵路發(fā)展迅猛，為人類帶來(lái)空前便捷.交通產(chǎn)生的振動(dòng)，人體直觀感覺(jué)較小而被人們忽略，但長(zhǎng)期振動(dòng)卻對(duì)人類的健康和生活產(chǎn)生了較大影響.對(duì)建筑結(jié)構(gòu)來(lái)講，振動(dòng)會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生裂痕、傾斜、地基下沉等問(wèn)題，對(duì)精密儀器來(lái)講，振動(dòng)會(huì)對(duì)儀器精度產(chǎn)生影響[1].對(duì)人體健康來(lái)講，會(huì)使人體產(chǎn)生耳鳴、頭暈等影響[2].路面交通振動(dòng)產(chǎn)生的波形主要是瑞利波，在地表產(chǎn)生振動(dòng).瑞利波在波分擔(dān)能量中最大[3]，能達(dá)到波動(dòng)總能量的67%，在隔振措施中，主要考慮屏障瑞利波.

對(duì)此，人們通過(guò)采取一系列隔振措施對(duì)振動(dòng)進(jìn)行阻隔.隔振措施一般分為連續(xù)屏障和非連續(xù)屏障，混凝土排樁即為非連續(xù)屏障的一種.采取隔振措施后，當(dāng)振動(dòng)波傳遞到屏障后，經(jīng)過(guò)屏障作用，波會(huì)發(fā)生反射、透射和繞射，進(jìn)而降低振動(dòng)波能量，從而達(dá)到隔振效果[4].對(duì)于非連續(xù)屏障的研究，學(xué)者通常采用試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方法對(duì)隔振效果進(jìn)行研究.孫軍[5]等通過(guò)在距鐵路路線一段距離內(nèi)設(shè)置不同形式排樁后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到相關(guān)減振量及減振效果.孫立強(qiáng)[6]等通過(guò)試驗(yàn)研究了空溝、碎石填充溝以及排樁的減隔振效果，并得出排樁有較好的隔振作用.趙世俊[7]運(yùn)用有限元軟件ABQUS對(duì)排樁進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了樁長(zhǎng)、樁徑、排數(shù)、樁間距及材料等參數(shù)對(duì)隔振效果的影響，并發(fā)現(xiàn)樁長(zhǎng)、樁間距是影響隔振效果的重要因素.郭炳川[8]通過(guò)建立有限元模型對(duì)樁長(zhǎng)、樁間距及材料參數(shù)等因素進(jìn)行了研究并得到一系列結(jié)論.王另的[9]采用ANSYS有限元軟件研究了樁長(zhǎng)、樁身材料以及屏障距建筑物距離等參數(shù)對(duì)周期性排樁隔振效果的影響并對(duì)問(wèn)題提出了方案.

鑒于諸多學(xué)者對(duì)排樁研究形式多為規(guī)則形式排樁，且樁間距為排樁中影響隔振效果的一重要因素，本文主要針對(duì)混凝土排樁以環(huán)形排列形式下進(jìn)行阻隔瑞利波效果進(jìn)行研究，探究因素主要為樁間角度.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)儀器主要采用振動(dòng)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集控制儀及傳感器等.振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)中通過(guò)信號(hào)發(fā)生器、激振器(模擬振源)、功率放大器、電荷放大器、加速度傳感器、加速度計(jì)放大器、數(shù)據(jù)采集控制儀等一些列儀器進(jìn)行了振源傳遞到采集數(shù)據(jù)的過(guò)程.試驗(yàn)材料為截面邊長(zhǎng)為10cm混凝土樁.

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地布置及工況

試驗(yàn)場(chǎng)地尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為4.0m×4.0m×1.6m，土體密度為1.6g/cm3～1.7g/cm3之間.場(chǎng)地布置情況見(jiàn)圖1，激振器為振源，將混凝土樁以環(huán)形布置，采集信號(hào)器布置線將以對(duì)稱中心所在線為0°所在線，從此線開(kāi)始，角度依次增加10°進(jìn)行采集，且越過(guò)最外側(cè)樁時(shí)，增加一條10°測(cè)線.樁前布置1#傳感器和2#傳感器，間距為15cm，2#傳感器距樁為15cm，樁后布置3#傳感器～10#傳感器，間距均為10cm，3#傳感器距樁為10cm，此處以環(huán)形屏障角度為80°情況示意.因場(chǎng)地對(duì)稱，故選取對(duì)稱部分進(jìn)行分析.

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖

選取振源距即振源至對(duì)稱中心樁的距離處為110cm，樁間角度以10°為起點(diǎn)，依次增加2.5°，激振波采用正弦波，采樣頻率設(shè)置為5000Hz，激振頻率選取80Hz，具體工況見(jiàn)表1.

2 隔振評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文隔振評(píng)價(jià)指標(biāo)采用振幅加速度降低比Ar[10]進(jìn)行評(píng)價(jià)，振幅加速度降低比越小則隔振效果越好，振幅加速度降低比越大則隔振效果越差.

Ar=a1/a2

(1)

式中：Ar為振幅加速度降低比即設(shè)置隔振屏障與無(wú)隔振屏障時(shí)加速度比值；a1為設(shè)置混凝土樁的振幅加速度；a2為未設(shè)置混凝土樁的振幅加速度.

表1 樁間角度試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)分析及結(jié)果

為直觀分析效果，將工況1至3數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得圖2(從左至右樁間角度為10°、12.5°、15°).樁前振幅降低比均在1.0～1.3左右，有振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域，此現(xiàn)象可解釋為振動(dòng)波經(jīng)過(guò)屏障反射振動(dòng)加強(qiáng)，體現(xiàn)了一定屏障作用.橫向觀察，樁長(zhǎng)不變，有效隔振區(qū)域的分布也將隨著樁間角度的改變而發(fā)生變化.首先能看到較好的隔振區(qū)域面積從軸線開(kāi)始向最外側(cè)樁開(kāi)始蔓延，在中間區(qū)域的屏障效果為最佳，隨軸線向樁屏障邊緣樁處移動(dòng)，振動(dòng)加強(qiáng)帶面積增大，屏障效果將有所減弱.此現(xiàn)象與瑞利波在環(huán)形排列樁末端繞射能力有關(guān)，可以解釋為屏障中間區(qū)域的樁可以有效抵擋波所傳遞的能量，向兩邊延伸.隨著樁數(shù)的減小，一些瑞利波繞過(guò)兩側(cè)的樁發(fā)生繞射，兩側(cè)的波不能被有效屏蔽，所以在屏障邊緣附近多為振動(dòng)帶加強(qiáng)區(qū).

其次可以觀察到隨著樁間角度的增大，可以看到屏障后振幅加速度降低比小于0.5的面積逐漸減小，最外側(cè)樁的振動(dòng)加強(qiáng)帶區(qū)域面積有所增大，表明隔振效果越來(lái)越差.樁間角度由10°增加到12.5°時(shí)，振幅加速度降低比小于0.5的面積占比減弱趨勢(shì)較為平緩.當(dāng)樁間角度由12.5°變化至15°時(shí)，振幅加速度降低比小于0.5的面積占比下降幅度略微增大，隔振面積呈減小趨勢(shì).可解釋為，當(dāng)樁間角度增大，即樁間距離增大，擴(kuò)大了振動(dòng)波傳遞時(shí)發(fā)生透射的范圍，使得振動(dòng)波被阻隔的能量減少，進(jìn)而隔振效果變差.綜上分析，隨樁間角度增大，振幅加速度降低比小于0.5的面積減小，隔振效果呈減弱趨勢(shì)，且樁間角度越大趨勢(shì)更較為明顯，由此可知樁間角度為影響隔振效果的重要因素.

圖2 工況1、2、3Ar等值線圖

為進(jìn)一步直觀分析減隔振效果，取中心軸線處1#至10#Ar值進(jìn)行繪制如圖3所示，橫坐標(biāo)為采集點(diǎn)距樁中心距離.可以看出，在樁屏障之前，振幅加速度降低比大于1，樁屏障之后，振幅加速度小于1且明顯降低，說(shuō)明在屏障作用下，環(huán)形排樁具有一定的隔振效果，Ar值范圍在0.32至0.68之間.隨著樁間角度的減小，振幅加速度降低比曲線在距樁35cm之前較陡，降低速度較快.在距離樁35cm之后，Ar值稍有回升波動(dòng)的情況，但依舊對(duì)振動(dòng)具有一定隔振作用，在一定范圍內(nèi)，均有較穩(wěn)定的隔振區(qū)域.當(dāng)樁間角度增加至15°時(shí)，Ar值上升幅值相對(duì)較多，幅度較大，從而也反映出樁間角度增大對(duì)隔振效果具有削弱影響.

圖3 不同樁間角度中心軸線Ar曲線圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)試驗(yàn)研究樁間角度對(duì)環(huán)形排樁的減隔振效果影響，結(jié)論如下：

(1)環(huán)形排樁具有一定的隔振效果，中間區(qū)域隔振效果較好，對(duì)稱軸線樁后Ar值范圍在0.32～0.68之間；

(2)樁間角度是影響環(huán)形排樁隔振效果的重要因素，樁間角度越大，隔振效果越差.