基于桩间角度对环形排桩减隔振效果分析

王 洋 杨 烁 张业荣 刘晶磊*

(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 土木工程学院，河北 张家口 075000;3.河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心，河北 张家口 075000)

0 引 言

近年来，高速铁路发展迅猛，为人类带来空前便捷.交通产生的振动，人体直观感觉较小而被人们忽略，但长期振动却对人类的健康和生活产生了较大影响.对建筑结构来讲，振动会使结构发生裂痕、倾斜、地基下沉等问题，对精密仪器来讲，振动会对仪器精度产生影响[1].对人体健康来讲，会使人体产生耳鸣、头晕等影响[2].路面交通振动产生的波形主要是瑞利波，在地表产生振动.瑞利波在波分担能量中最大[3]，能达到波动总能量的67%，在隔振措施中，主要考虑屏障瑞利波.

对此，人们通过采取一系列隔振措施对振动进行阻隔.隔振措施一般分为连续屏障和非连续屏障，混凝土排桩即为非连续屏障的一种.采取隔振措施后，当振动波传递到屏障后，经过屏障作用，波会发生反射、透射和绕射，进而降低振动波能量，从而达到隔振效果[4].对于非连续屏障的研究，学者通常采用试验或者数值模拟的方法对隔振效果进行研究.孙军[5]等通过在距铁路路线一段距离内设置不同形式排桩后进行现场实测得到相关减振量及减振效果.孙立强[6]等通过试验研究了空沟、碎石填充沟以及排桩的减隔振效果，并得出排桩有较好的隔振作用.赵世俊[7]运用有限元软件ABQUS对排桩进行了数值模拟，研究了桩长、桩径、排数、桩间距及材料等参数对隔振效果的影响，并发现桩长、桩间距是影响隔振效果的重要因素.郭炳川[8]通过建立有限元模型对桩长、桩间距及材料参数等因素进行了研究并得到一系列结论.王另的[9]采用ANSYS有限元软件研究了桩长、桩身材料以及屏障距建筑物距离等参数对周期性排桩隔振效果的影响并对问题提出了方案.

鉴于诸多学者对排桩研究形式多为规则形式排桩，且桩间距为排桩中影响隔振效果的一重要因素，本文主要针对混凝土排桩以环形排列形式下进行阻隔瑞利波效果进行研究，探究因素主要为桩间角度.

1 试验概况

1.1 试验仪器及试验材料

试验仪器主要采用振动台、数据采集控制仪及传感器等.振动台控制系统中通过信号发生器、激振器(模拟振源)、功率放大器、电荷放大器、加速度传感器、加速度计放大器、数据采集控制仪等一些列仪器进行了振源传递到采集数据的过程.试验材料为截面边长为10cm混凝土桩.

1.2 试验场地布置及工况

试验场地尺寸(长×宽×高)为4.0m×4.0m×1.6m，土体密度为1.6g/cm3～1.7g/cm3之间.场地布置情况见图1，激振器为振源，将混凝土桩以环形布置，采集信号器布置线将以对称中心所在线为0°所在线，从此线开始，角度依次增加10°进行采集，且越过最外侧桩时，增加一条10°测线.桩前布置1#传感器和2#传感器，间距为15cm，2#传感器距桩为15cm，桩后布置3#传感器～10#传感器，间距均为10cm，3#传感器距桩为10cm，此处以环形屏障角度为80°情况示意.因场地对称，故选取对称部分进行分析.

图1 试验场地布置图

选取振源距即振源至对称中心桩的距离处为110cm，桩间角度以10°为起点，依次增加2.5°，激振波采用正弦波，采样频率设置为5000Hz，激振频率选取80Hz，具体工况见表1.

2 隔振评价指标

本文隔振评价指标采用振幅加速度降低比Ar[10]进行评价，振幅加速度降低比越小则隔振效果越好，振幅加速度降低比越大则隔振效果越差.

Ar=a1/a2

(1)

式中：Ar为振幅加速度降低比即设置隔振屏障与无隔振屏障时加速度比值；a1为设置混凝土桩的振幅加速度；a2为未设置混凝土桩的振幅加速度.

表1 桩间角度试验工况

3 试验分析及结果

为直观分析效果，将工况1至3数据进行处理得图2(从左至右桩间角度为10°、12.5°、15°).桩前振幅降低比均在1.0～1.3左右，有振动加强区域，此现象可解释为振动波经过屏障反射振动加强，体现了一定屏障作用.横向观察，桩长不变，有效隔振区域的分布也将随着桩间角度的改变而发生变化.首先能看到较好的隔振区域面积从轴线开始向最外侧桩开始蔓延，在中间区域的屏障效果为最佳，随轴线向桩屏障边缘桩处移动，振动加强带面积增大，屏障效果将有所减弱.此现象与瑞利波在环形排列桩末端绕射能力有关，可以解释为屏障中间区域的桩可以有效抵挡波所传递的能量，向两边延伸.随着桩数的减小，一些瑞利波绕过两侧的桩发生绕射，两侧的波不能被有效屏蔽，所以在屏障边缘附近多为振动带加强区.

其次可以观察到随着桩间角度的增大，可以看到屏障后振幅加速度降低比小于0.5的面积逐渐减小，最外侧桩的振动加强带区域面积有所增大，表明隔振效果越来越差.桩间角度由10°增加到12.5°时，振幅加速度降低比小于0.5的面积占比减弱趋势较为平缓.当桩间角度由12.5°变化至15°时，振幅加速度降低比小于0.5的面积占比下降幅度略微增大，隔振面积呈减小趋势.可解释为，当桩间角度增大，即桩间距离增大，扩大了振动波传递时发生透射的范围，使得振动波被阻隔的能量减少，进而隔振效果变差.综上分析，随桩间角度增大，振幅加速度降低比小于0.5的面积减小，隔振效果呈减弱趋势，且桩间角度越大趋势更较为明显，由此可知桩间角度为影响隔振效果的重要因素.

图2 工况1、2、3Ar等值线图

为进一步直观分析减隔振效果，取中心轴线处1#至10#Ar值进行绘制如图3所示，横坐标为采集点距桩中心距离.可以看出，在桩屏障之前，振幅加速度降低比大于1，桩屏障之后，振幅加速度小于1且明显降低，说明在屏障作用下，环形排桩具有一定的隔振效果，Ar值范围在0.32至0.68之间.随着桩间角度的减小，振幅加速度降低比曲线在距桩35cm之前较陡，降低速度较快.在距离桩35cm之后，Ar值稍有回升波动的情况，但依旧对振动具有一定隔振作用，在一定范围内，均有较稳定的隔振区域.当桩间角度增加至15°时，Ar值上升幅值相对较多，幅度较大，从而也反映出桩间角度增大对隔振效果具有削弱影响.

图3 不同桩间角度中心轴线Ar曲线图

4 结 论

本文通过试验研究桩间角度对环形排桩的减隔振效果影响，结论如下：

(1)环形排桩具有一定的隔振效果，中间区域隔振效果较好，对称轴线桩后Ar值范围在0.32～0.68之间；

(2)桩间角度是影响环形排桩隔振效果的重要因素，桩间角度越大，隔振效果越差.