基于最優隔振排樁布局及規格的設計方法研究★

王海洋

(福建水利電力職業技術學院,福建 永安 366000)

由于經濟的迅猛發展,城市中交通設施大肆興建,以及地面建筑物爆破拆除等引起的振動污染日益頻繁,所帶來的影響也越來越明顯,環境振動對鄰近建筑物、精密儀器設備以及人們的生活影響越來越嚴重。國際上已把振動列為“七大公害”之一。經過研究發現,應用排樁減隔振措施,可有效緩解振動污染問題[1-3]。劉晶磊等[4]通過模型試驗,研究了不同參數單排樁的隔振效果,研究表明增大樁長、樁徑及減小樁間距可有效提升隔振效果;梅名彰[5]基于高速鐵路產生的振動問題,通過試驗與數值模擬相結合的方法,研究了排樁的樁長、樁間距、埋深的變化對隔振效果的影響;賀濤等[6]研究了砂土地基中單排非連續排樁的減隔振情況;章偉康等[7]通過仿真軟件建立了道路-排樁-地基動力模型,分析了排樁對移動車輛荷載的減隔振效果;楊維國等[8]針對地鐵列車運行所致振動問題,進行了減振控制研究,研究得出隔振樁埋深在15 m以上時,才起到減振降噪效果;史海歐等[9]通過理論數值分析,研究了隔振樁截面形狀的不同對振動波的阻抗作用,研究得出,總體上十字異形隔振樁的減振效果較優于方形隔振樁的減振效果。也有眾多學者采用三維有限元法,進行了排樁的隔振性能研究,但都需要耗費大量時間,目前排樁結構的隔振性能分析大多為固定荷載作用下多排樁的參數分析[10-13]以及簡諧移動荷載作用下單排樁的參數分析[14-18]。

以上眾多學者雖然研究了排樁的不同參數變量對振動的影響,但并未對排樁的不同參量進行優化研究。為提升排樁減隔振效果,筆者對隔振排樁的布局與規格進行了深入研究,擬設計一種最優的隔振排樁布局與規格,最大限度地緩解環境振動問題。

1 技術方案

本設計的目的是根據現有技術的不足之處,提供一種基于最優隔振排樁布局及排樁規格的設計方法,該設計方法通過波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動隔振邊界元方法[19],確定隔振排樁的排數以及各排的長度,從而達到規定的隔振效果,提高社會經濟效益。

本設計目的的實現由以下技術方案完成:一種基于最優隔振排樁布局及排樁規格的設計方法,所述隔振排樁布置于振源和保護對象之間,其特征在于所述設計方法包括以下步驟:1)確定所述振源的位置以及所述振源與所述保護對象之間的距離;2)根據所述振源的位置、所述振源與所述保護對象之間的距離、波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動隔振邊界元方法,確定所述隔振排樁中的第一排樁的最佳樁長;3)通過計算,確定所述隔振排樁中的第一排樁在確定的最佳樁長下,是否滿足規定的隔振要求,若滿足規定的隔振要求,則對所述隔振排樁中的第一排樁進行空間布局;若不滿足規定的隔振要求,則在所述第一排樁的減振基礎上,再利用同樣的計算方法重新確定所述隔振排樁中的第二排樁的最佳樁長。如此往復,直至所述隔振排樁中的各排樁組合后滿足規定的隔振要求。本設計步驟流程圖如圖1所示。

步驟2)中所述波散射的三維邊界元方程表達式為:

(1)

步驟2)中所述單排樁被動隔振邊界元方法的表達式為:

(2)

求解該式(2)可獲得單排樁表面各點的位移。其中,全部邊界節點按照順序從1～N進行編號;面力、流量Tk和骨架位移、孔壓Uk的積分系數分別為Gnk和Hnk,Gnk和Hnk的關系為:

(3)

節點s對應的面力、流量Ts和土骨架位移、孔壓Us的積分常數分別記作Gss,Hss;位移、孔壓、面力和流量的上標“s”為散射波;Hi為飽和土地基表面任意一點的散射波位移和面力影響系數矩陣;m為樁土界面的法向量矩陣;Ui,Ti,Pi和Qi分別為入射波在單排樁-飽和土交界面各節點上產生的位移、面力、孔壓和流量,上標“i”為入射波。

衡量所述隔振排樁是否滿足規定的隔振要求的方法為:引入衡量隔振效果的位移振幅衰減系數ARF,其定義為:

(4)

將利用所述單排樁被動隔振邊界元方法解得的半空間表面散射波位移Us以及入射波位移Ui代入式(4),則有:

ARF=|Ui+Us|/Ui

(5)

在計算單排樁遠場隔振效果時,所述單排樁的幾何尺寸采用無量綱化參量表示,即利用波長λR對各參數進行歸一化:無量綱樁長h*=H/λR、無量綱樁徑r*=R/λR以及無量綱樁間凈距l*=L/λR,其中,λR為飽和土地基的波長;H為假設樁長;R為假設樁徑;L為假設樁間凈距。

為衡量所述單排樁的幾何尺寸以及樁身的材料性質對隔振效果的影響,引入平均振幅衰減系數AR,AR值愈小說明減隔振效果愈好[20],其定義見式(6):

(6)

其中,A′為設置屏障后屏蔽區域面積。

本設計的優點是:利用波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動隔振邊界元方法,可在有效確保隔振排樁的隔振效果的前提下,合理選取隔振排樁的排數以及各排的長度,從而減少工程量、提高社會經濟效益。

2 實施方式

以下結合附圖,通過實施案例對本設計的特征及其他相關特征作進一步詳細說明。

圖2為隔振排樁的平面布局示意圖,圖3為隔振排樁的橫斷面示意圖。

如圖3所示,地面振源1位于地面上,通常為強夯施工、地面爆破工程或者是地面鐵路干線上列車通過形成,而地下振源2位于地下,通常為地下爆破工程或地鐵隧道上列車通過形成,保護目標3容易受地面振源1和地下振源2產生的振動干擾,故本實施案例提出一種基于最優隔振排樁布局及排樁規格的設計方法,在地面振源1、地下振源2與保護目標3之間的土體中,設計布局隔振排樁4以形成隔振保護,該設計方法包括以下步驟:

1)確定地面振源1和地下振源2的具體位置,并測量確定地面振源1和地下振源2分別距保護目標3的距離,進而確定隔振排樁4的布局位置。

2)根據步驟1)中確定的地面振源1和地下振源2的具體位置以及距離保護目標3的距離,并根據波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動隔振邊界元方法,確定隔振排樁4的第一排樁的最佳樁長。

3)通過計算,確定隔振排樁4經過上述步驟確定的最佳樁長下是否滿足規定的隔振要求,若第一排樁的最佳樁長已滿足規定的隔振要求,則對設計的第一排隔振排樁4進行空間布局;若還不滿足規定的隔振要求,則在已設計好的第一排樁的減振基礎上,再通過上述步驟利用同樣的計算方法確定下一排樁的最佳樁長;如此往復,直至隔振排樁4的各排樁組合后,滿足規定的隔振要求,然后對設計好的隔振排樁4進行空間布局。

4)將設計好的隔振排樁4埋入確定的布局位置后,在樁頂與地面之間的樁孔內填筑防水材料5,以避免地面水貫入樁孔內影響隔振排樁4的隔振效果,并且沿隔振排樁4的延伸方向,兩側還各開挖一條排水溝6,可將該處的地面水引流至別處,以進一步減小地面水的影響。

3 實施效果

本實施案例以第一排單排樁為例進行分析計算,為了方便計算分析過程,計算單排樁隔振效果時,單排樁幾何尺寸采用了無量綱化參數表示[21],無量綱樁長h*=H/λR,無量綱樁徑r*=R/λR,無量綱樁間凈距l*=L/λR,λR為飽和土地基的波長,參數歸一化為x*=X/λR,y*=Y/λR,當無量綱樁長h*=0.6時,ARF的等值線示意圖如圖4所示;當無量綱樁長h*=1.0時,ARF的等值線示意圖如圖5所示;當無量綱樁長h*=1.4時,ARF的等值線示意圖如圖6所示;圖7為不同長度單排樁的隔振效果示意圖,圖8為不同樁徑單排樁的隔振效果示意圖,圖9為不同樁間凈距單排樁的隔振效果示意圖;表1為單排樁樁長與平均振幅衰減系數關系表,表2為單排樁樁徑與平均振幅衰減系數關系表,表3為單排樁樁間凈距與平均振幅衰減系數關系表。

對比圖4—圖6可以看出,隨著樁長的不斷增大,樁后有效屏障區域面積也不斷增大,說明隨著樁長的增大,隔振效果不斷提高。從圖7和表1中可以看出,隨著樁長的逐漸增大,其隔振效果逐漸提升,提升幅度漸小。從圖8和表2中可以看出,隨著樁徑的逐漸增大,其隔振效果逐漸提升,提升幅度漸小。從圖9和表3中可以看出,隨著樁間凈距的逐漸增大,其隔振效果逐漸降低,降低幅度漸小。

表1 單排樁樁長與平均振幅衰減系數關系表

表2 單排樁樁徑與平均振幅衰減系數關系表

表3 單排樁樁間凈距與平均振幅衰減系數關系表

綜上所述,較長的樁長、較大的樁徑與較小的樁間凈距可以有效提高隔振效果,因此可以考慮在樁長較長、樁徑較大、樁間凈距較小的第一排樁的減振效果前提下,合理設計出第二排樁的樁長、樁徑與樁間凈距,同樣的方法可以設計出下一排樁的樁長、樁徑與樁間凈距,這樣可以設計出排樁的長度依次減短、樁徑依次減小、樁間凈距依次增大,既能達到規定的隔振效果,又能減少樁體所需的建筑材料,減少隔振排樁的工程量,為社會帶來良好的經濟效益。

4 結論

針對日益嚴重的振動污染問題,本文設計出一種最優隔振排樁布局及排樁規格的設計方法,通過波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動隔振邊界元方法,確定隔振排樁的各參量,設計出排樁的長度依次減短、樁徑依次減小、樁間凈距依次增大,既可達到規定的隔振效果,又可減少樁體所需的建筑材料和建設工程量,大大節約了工程建設成本。