不同埋置深度对桩的隔振效果的研究

刘晶磊 杨 烁 魏宝川 吴 浩 李春雨 张 政

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着科技水平的进步，人们的生活水平逐渐提高，对科技的依赖性也越来越大，但是科学技术带来的副作用也越来越明显.例如，从原来的马车，自行车到现在的汽车和火车，从原来的竹筏到现在的轮船.人们的出行效率比原来高了许多，但是在高效率的出行方式面前，交通系统产生的震动也无时无刻不影响着人们的生活.这些震动不只是体现在交通系统中，还体现在生活中的各个方面.为了缓解生活中产生的这些震动，国内外许多学者做了大量研究.赵世俊等[1]采用现场试验和数值模拟相结合的方法探究了混凝土排桩对隔振体系的影响，研究了桩长和桩间距以及振源位置等因素对隔振效果的影响.得出了增大桩长，减小桩间距对隔振效果的影响越明显、振源位置对隔振效果有影响的结论；郭炳川等[2]建立有限元模型研究桩长，桩间距，桩身材料对隔振效果的影响，得出了增大桩长，减小桩间距对隔振效果的影响越明显、桩身材料对隔振效果影响不大的结论；刘晶磊等[3]通过室外试验研究了几种非连续隔振屏障的隔振效果，得出了混凝土桩隔振效果的优劣：混凝土实心桩>混凝土空心桩>PVC空井>碎石填充井>橡胶填充井；孙立强等[4]通过大比例尺试验，研究了空沟、碎石填充沟和排桩的隔振效果，研究结果表明排桩可以起到良好的隔振效果，空沟可以起到良好的隔振作用，空沟深度越大，隔振效果越好；碎石填充沟的隔振效果不明显；Turan等[5]通过有限元和边界元法研究了微型斜交桩作为被动隔振屏障中桩长、桩径、振动频率、振源距离、桩间距等因素对其隔振效果的影响作用，并表明桩倾角在90°～120°时，相对于主动隔离情况下的垂直屏障，隔振性能提高了44%；Ulgen等[6]针对激发频率、土壤分层、沟的尺寸、填充材料类型等影响因素在野外试验场地进行了一系列全面的实地试验，并指出了各影响因素的作用大小.

综上所述的隔振措施中，多采用混凝土桩和空沟作为隔振屏障.但是若采用空沟作为隔振措施，就会面临稳定性、路面受损、地下水位变高、安全性等问题，故空沟在某些条件下并不适合被用于做隔振屏障.相较于空沟来讲，混凝土桩具有简单稳定，取材广泛，施工简单，保护路面等优点，且能够起到很好的隔振效果.

1 试验概况

为了更好的与实际结果相结合，本次试验采取了室外模拟试验.即在户外建立了一个试验场地，这个试验场地是在一块平整的场地上取一个长4m，宽4m，高1.4m的长方体土坑.将粒径均匀的砂土填入此长方体土坑中，分多层夯实，直到与地面整平为止.此次先填土后夯实过程中，砂土的含水率应该控制在8%-12%之间.试验使用WZ-Z30型振动台系统，该系统中包括信号发生器、电荷放大器、功率放大器、加速度放大器等，均放置在矩形铁箱中，并在其底部布置两条钢制轨道使之与地面隔离，方便采取试验数据并防止铁箱对振动波产生发射而影响试验结果.

如图1所示，试验中共使用了11个加速度控制点，等间距的布置在一条轴线上，激振器的中心和第一个控制点之间的距离为300mm，其余的控制点间距为100mm.故最远处的控制点距振源的距离为1300mm.此外，激振器中心与布置排桩区域的中心重合，且此轴线在布置排桩区域中心的正上方.采用4根桩长400mm的桩，横截面为边长为10cm的正方形桩，桩间距为10cm.桩的埋置深度分别为50mm、100mm、150mm，振源频率40Hz，采样频率为5000次/s，采样时间为3s.

图1 控制点布置图

如表1所示，此次试验采用控制变量法，共对应三种工况，各个工况的埋深不同，其余参数如桩长、桩间距、桩径、振源频率等均相同，分析埋置深度对隔振效果的影响.

表1 工况明细表

2 试验结果分析

为研究桩的不同埋置深度对桩的隔振效果的影响，本次试验共进行了埋置深度不同的三个工况进行探究，即除了埋置深度不同，桩长和桩间距以及振源频率等因素均相同.各种屏障的作用效果以加隔振措施前后各点加速度的比值Ar进行表示.

上式中Max(D)表示有隔振时各控制点处采集的竖向加速度极大值，Max(Dwout)表示无隔振时各控制点处采集的竖向加速度极大值.

由图2～图4的横坐标表示各控制点距振源的距离，纵坐标表示的是对应控制点的Ar值.由图2～图4可知，取点处与振源之间的距离为300-700mm时，1号检测线上各点Ar值随其与振源中心距离的增大而减小，但随着距离的增大，1号检测线上相邻两个点Ar值的差值随其与振源中心距离的增大而降低.但取点处与振源中心的距离增大到700mm以后，Ar值随着距离的增大而增大，但其值小于1，隔振效果减弱.由图2～图4可知，隔振最优区域在600mm～800mm之间；埋深50mm时，隔振最优区域的Ar值分布在0.612～0.64之间；埋深100mm时，隔振最优区域的Ar值分布在0.736～0.769之间；埋深150mm时，隔振最优区域的Ar值分布在0.822～0.834之间.图2即埋置深度为50mm的桩的Ar值分布在0.64～0.723之间，图3即埋置深度为100mm的桩的Ar值分布在0.736～0.934之间，图4即埋置深度为150mm的桩的Ar值分布在0.822～0.954之间.埋深从150mm减小到100mm，Ar值减小10%，即隔振效果提高了10%；埋深从100mm减小到50mm，Ar值减小20%，隔振效果提高了20%.

图2 埋深5cm时各控制点Ar值分布曲线 图3 埋深10cm时各控制点Ar值分布曲线

图4 埋深15cm时各控制点Ar值分布曲线

为了进一步研究埋深对隔振效果的影响，对不同埋深下最优隔振区域进行分析，并绘制图5.

图5 不同埋深下最优隔振区域Ar最小值

如图5所示，图5的横坐标表示埋深的大小，纵坐标表示最优隔振区域Ar最小值.变量仅控制在桩的埋深，其他影响因素相同.桩的埋深由150mm减小到100mm，Ar最小值由0.822减小到0.736，即表示桩的隔振效果提高了11.7%左右.桩的埋深由100mm减小到50mm时，Ar最小值由0.736减小到0.612，即桩的隔振效果提高了20.3%左右.由此可知桩的埋深对桩的隔振作用有影响，随着埋深的减小，其隔振效果也会提升.由图2、图3、图4也可以知道，在相同的埋深情况下，随着距离振源的距离增大，其Ar值逐渐减小，但距离增大到一定值后，Ar值逐渐增大.说明距离的远近也影响Ar值，对隔振也有影响.

3 结 论

根据本次试验数据，本文分析了混凝土桩埋深对隔振效果的影响，在本试验条件下得出以下结论：

(1)混凝土的桩能够有效的隔离振动波，随着振源距的增大，其Ar值逐渐减小，隔振效果显著，但距离增大到一定值后，隔振效果减弱.不同埋深的隔振最优区域在600mm～800mm之间；埋深50mm时，隔振最优区域的Ar值分布在0.612～0.64之间；埋深100mm时，隔振最优区域的Ar值分布在0.736～0.769之间；埋深150mm时，隔振最优区域的Ar值分布在0.822～0.834之间，随着埋深的增大，最优隔振区域的Ar值增大，隔振效果减弱.

(2)桩的埋深对混凝土桩的隔振性能影响显著，主要表现在随着桩的埋深的减小，其隔振效果明显增加，增加效果在30%～40%.