基于最优隔振排桩布局及规格的设计方法研究★

王海洋

(福建水利电力职业技术学院,福建 永安 366000)

由于经济的迅猛发展,城市中交通设施大肆兴建,以及地面建筑物爆破拆除等引起的振动污染日益频繁,所带来的影响也越来越明显,环境振动对邻近建筑物、精密仪器设备以及人们的生活影响越来越严重。国际上已把振动列为“七大公害”之一。经过研究发现,应用排桩减隔振措施,可有效缓解振动污染问题[1-3]。刘晶磊等[4]通过模型试验,研究了不同参数单排桩的隔振效果,研究表明增大桩长、桩径及减小桩间距可有效提升隔振效果;梅名彰[5]基于高速铁路产生的振动问题,通过试验与数值模拟相结合的方法,研究了排桩的桩长、桩间距、埋深的变化对隔振效果的影响;贺涛等[6]研究了砂土地基中单排非连续排桩的减隔振情况;章伟康等[7]通过仿真软件建立了道路-排桩-地基动力模型,分析了排桩对移动车辆荷载的减隔振效果;杨维国等[8]针对地铁列车运行所致振动问题,进行了减振控制研究,研究得出隔振桩埋深在15 m以上时,才起到减振降噪效果;史海欧等[9]通过理论数值分析,研究了隔振桩截面形状的不同对振动波的阻抗作用,研究得出,总体上十字异形隔振桩的减振效果较优于方形隔振桩的减振效果。也有众多学者采用三维有限元法,进行了排桩的隔振性能研究,但都需要耗费大量时间,目前排桩结构的隔振性能分析大多为固定荷载作用下多排桩的参数分析[10-13]以及简谐移动荷载作用下单排桩的参数分析[14-18]。

以上众多学者虽然研究了排桩的不同参数变量对振动的影响,但并未对排桩的不同参量进行优化研究。为提升排桩减隔振效果,笔者对隔振排桩的布局与规格进行了深入研究,拟设计一种最优的隔振排桩布局与规格,最大限度地缓解环境振动问题。

1 技术方案

本设计的目的是根据现有技术的不足之处,提供一种基于最优隔振排桩布局及排桩规格的设计方法,该设计方法通过波散射的三维边界元方程以及单排桩被动隔振边界元方法[19],确定隔振排桩的排数以及各排的长度,从而达到规定的隔振效果,提高社会经济效益。

本设计目的的实现由以下技术方案完成:一种基于最优隔振排桩布局及排桩规格的设计方法,所述隔振排桩布置于振源和保护对象之间,其特征在于所述设计方法包括以下步骤:1)确定所述振源的位置以及所述振源与所述保护对象之间的距离;2)根据所述振源的位置、所述振源与所述保护对象之间的距离、波散射的三维边界元方程以及单排桩被动隔振边界元方法,确定所述隔振排桩中的第一排桩的最佳桩长;3)通过计算,确定所述隔振排桩中的第一排桩在确定的最佳桩长下,是否满足规定的隔振要求,若满足规定的隔振要求,则对所述隔振排桩中的第一排桩进行空间布局;若不满足规定的隔振要求,则在所述第一排桩的减振基础上,再利用同样的计算方法重新确定所述隔振排桩中的第二排桩的最佳桩长。如此往复,直至所述隔振排桩中的各排桩组合后满足规定的隔振要求。本设计步骤流程图如图1所示。

步骤2)中所述波散射的三维边界元方程表达式为:

(1)

步骤2)中所述单排桩被动隔振边界元方法的表达式为:

(2)

求解该式(2)可获得单排桩表面各点的位移。其中,全部边界节点按照顺序从1～N进行编号;面力、流量Tk和骨架位移、孔压Uk的积分系数分别为Gnk和Hnk,Gnk和Hnk的关系为:

(3)

节点s对应的面力、流量Ts和土骨架位移、孔压Us的积分常数分别记作Gss,Hss;位移、孔压、面力和流量的上标“s”为散射波;Hi为饱和土地基表面任意一点的散射波位移和面力影响系数矩阵;m为桩土界面的法向量矩阵;Ui,Ti,Pi和Qi分别为入射波在单排桩-饱和土交界面各节点上产生的位移、面力、孔压和流量,上标“i”为入射波。

衡量所述隔振排桩是否满足规定的隔振要求的方法为:引入衡量隔振效果的位移振幅衰减系数ARF,其定义为:

(4)

将利用所述单排桩被动隔振边界元方法解得的半空间表面散射波位移Us以及入射波位移Ui代入式(4),则有:

ARF=|Ui+Us|/Ui

(5)

在计算单排桩远场隔振效果时,所述单排桩的几何尺寸采用无量纲化参量表示,即利用波长λR对各参数进行归一化:无量纲桩长h*=H/λR、无量纲桩径r*=R/λR以及无量纲桩间净距l*=L/λR,其中,λR为饱和土地基的波长;H为假设桩长;R为假设桩径;L为假设桩间净距。

为衡量所述单排桩的几何尺寸以及桩身的材料性质对隔振效果的影响,引入平均振幅衰减系数AR,AR值愈小说明减隔振效果愈好[20],其定义见式(6):

(6)

其中,A′为设置屏障后屏蔽区域面积。

本设计的优点是:利用波散射的三维边界元方程以及单排桩被动隔振边界元方法,可在有效确保隔振排桩的隔振效果的前提下,合理选取隔振排桩的排数以及各排的长度,从而减少工程量、提高社会经济效益。

2 实施方式

以下结合附图,通过实施案例对本设计的特征及其他相关特征作进一步详细说明。

图2为隔振排桩的平面布局示意图,图3为隔振排桩的横断面示意图。

如图3所示,地面振源1位于地面上,通常为强夯施工、地面爆破工程或者是地面铁路干线上列车通过形成,而地下振源2位于地下,通常为地下爆破工程或地铁隧道上列车通过形成,保护目标3容易受地面振源1和地下振源2产生的振动干扰,故本实施案例提出一种基于最优隔振排桩布局及排桩规格的设计方法,在地面振源1、地下振源2与保护目标3之间的土体中,设计布局隔振排桩4以形成隔振保护,该设计方法包括以下步骤:

1)确定地面振源1和地下振源2的具体位置,并测量确定地面振源1和地下振源2分别距保护目标3的距离,进而确定隔振排桩4的布局位置。

2)根据步骤1)中确定的地面振源1和地下振源2的具体位置以及距离保护目标3的距离,并根据波散射的三维边界元方程以及单排桩被动隔振边界元方法,确定隔振排桩4的第一排桩的最佳桩长。

3)通过计算,确定隔振排桩4经过上述步骤确定的最佳桩长下是否满足规定的隔振要求,若第一排桩的最佳桩长已满足规定的隔振要求,则对设计的第一排隔振排桩4进行空间布局;若还不满足规定的隔振要求,则在已设计好的第一排桩的减振基础上,再通过上述步骤利用同样的计算方法确定下一排桩的最佳桩长;如此往复,直至隔振排桩4的各排桩组合后,满足规定的隔振要求,然后对设计好的隔振排桩4进行空间布局。

4)将设计好的隔振排桩4埋入确定的布局位置后,在桩顶与地面之间的桩孔内填筑防水材料5,以避免地面水贯入桩孔内影响隔振排桩4的隔振效果,并且沿隔振排桩4的延伸方向,两侧还各开挖一条排水沟6,可将该处的地面水引流至别处,以进一步减小地面水的影响。

3 实施效果

本实施案例以第一排单排桩为例进行分析计算,为了方便计算分析过程,计算单排桩隔振效果时,单排桩几何尺寸采用了无量纲化参数表示[21],无量纲桩长h*=H/λR,无量纲桩径r*=R/λR,无量纲桩间净距l*=L/λR,λR为饱和土地基的波长,参数归一化为x*=X/λR,y*=Y/λR,当无量纲桩长h*=0.6时,ARF的等值线示意图如图4所示;当无量纲桩长h*=1.0时,ARF的等值线示意图如图5所示;当无量纲桩长h*=1.4时,ARF的等值线示意图如图6所示;图7为不同长度单排桩的隔振效果示意图,图8为不同桩径单排桩的隔振效果示意图,图9为不同桩间净距单排桩的隔振效果示意图;表1为单排桩桩长与平均振幅衰减系数关系表,表2为单排桩桩径与平均振幅衰减系数关系表,表3为单排桩桩间净距与平均振幅衰减系数关系表。

对比图4—图6可以看出,随着桩长的不断增大,桩后有效屏障区域面积也不断增大,说明随着桩长的增大,隔振效果不断提高。从图7和表1中可以看出,随着桩长的逐渐增大,其隔振效果逐渐提升,提升幅度渐小。从图8和表2中可以看出,随着桩径的逐渐增大,其隔振效果逐渐提升,提升幅度渐小。从图9和表3中可以看出,随着桩间净距的逐渐增大,其隔振效果逐渐降低,降低幅度渐小。

表1 单排桩桩长与平均振幅衰减系数关系表

表2 单排桩桩径与平均振幅衰减系数关系表

表3 单排桩桩间净距与平均振幅衰减系数关系表

综上所述,较长的桩长、较大的桩径与较小的桩间净距可以有效提高隔振效果,因此可以考虑在桩长较长、桩径较大、桩间净距较小的第一排桩的减振效果前提下,合理设计出第二排桩的桩长、桩径与桩间净距,同样的方法可以设计出下一排桩的桩长、桩径与桩间净距,这样可以设计出排桩的长度依次减短、桩径依次减小、桩间净距依次增大,既能达到规定的隔振效果,又能减少桩体所需的建筑材料,减少隔振排桩的工程量,为社会带来良好的经济效益。

4 结论

针对日益严重的振动污染问题,本文设计出一种最优隔振排桩布局及排桩规格的设计方法,通过波散射的三维边界元方程以及单排桩被动隔振边界元方法,确定隔振排桩的各参量,设计出排桩的长度依次减短、桩径依次减小、桩间净距依次增大,既可达到规定的隔振效果,又可减少桩体所需的建筑材料和建设工程量,大大节约了工程建设成本。