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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速鐵路發(fā)展迅猛，其引起的地表振動(dòng)和建筑振動(dòng)也受到了廣泛的關(guān)注.國(guó)內(nèi)外學(xué)者為降低鐵路振動(dòng)對(duì)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(zhǎng)、樁間距等對(duì)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(shí)排樁對(duì)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(duì)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(duì)高頻波,采用三排以上的樁屏障對(duì)隔振效果的提升則不再顯著.高廣運(yùn)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(jì)時(shí)應(yīng)選擇剛性屏障材料：填充溝的深度在一倍瑞利波波長(zhǎng)內(nèi)對(duì)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(zhǎng)后，屏障深度對(duì)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(duì)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(qiáng)等[6]通過大比例尺試驗(yàn),采用加速度作為振動(dòng)的評(píng)價(jià)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(zhǎng)、樁間距、樁身材料、雙排樁距離和交叉布置排樁對(duì)隔振效果的影響.孫軍等[8]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)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(duì)隔振排樁的研究大多是用數(shù)值模擬進(jìn)行分析，而數(shù)值模擬與實(shí)際工程還是會(huì)存在一些誤差.所以本文室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)隔振效果的影響，提出一些有益的結(jié)論.

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，場(chǎng)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(shí)土體，土體密度為1600kg/m3～1700kg/m3，含水率為10%～11%.該試驗(yàn)采用WS-Z30型振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)，設(shè)備主要包括信號(hào)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(cè)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(jì)放大器等.試驗(yàn)儀器及隔振樁如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)儀器及隔振樁

本次試驗(yàn)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(shí)間為5s.同時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，電荷放大器值始終保持一致[9].試驗(yàn)采用的正六邊形截面混凝土樁邊長(zhǎng)為5cm，高為40cm，總共18個(gè)，每排設(shè)置6個(gè)樁.三排樁樁間距、排間距、振源距等數(shù)值見表1，試驗(yàn)場(chǎng)地儀器布置及排樁區(qū)域如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)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(píng)價(jià)指標(biāo)

為了減小試驗(yàn)誤差，加速度最大值取兩次試驗(yàn)測(cè)得數(shù)值的平均值.試驗(yàn)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(shí)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(dá)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(shí)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(cè)定

為了測(cè)定地面最大豎向加速度，選取30Hz，60Hz，120Hz等頻率用激振器對(duì)地面進(jìn)行激振，不采取減隔振措施，得到振源距在100cm、120cm、140cm時(shí)的地面最大豎向加速度，試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 正六邊形三排樁樁間距對(duì)隔振效果的影響

為了研究樁間距對(duì)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(gè)工況下，采用激振器進(jìn)行激振，頻率選用30Hz、60Hz、120Hz，試驗(yàn)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(shí)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(shí)候，隨著激振頻率的增大，相應(yīng)位置的振動(dòng)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(duì)隔振效果的影響

為了研究排間距對(duì)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(gè)工況下，采用激振器進(jìn)行激振，激振頻率選用30Hz、60Hz、120Hz，試驗(yàn)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(shí)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(shí)候，隨著激振頻率的增大，相應(yīng)位置的振動(dòng)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(duì)隔振效果的影響

為了研究振源距對(duì)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(gè)工況下，采用激振器進(jìn)行激振，頻率選用30Hz、60Hz、120Hz，試驗(yàn)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(shí)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(dòng)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(duì)隔振效果的影響，本文采用三排樁室內(nèi)試驗(yàn)，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(shí)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(shí)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(shí)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%.