隔震溝設計及在實際工程中的應用

薛松領，常軍,張也

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011）

隔震溝設計及在實際工程中的應用

薛松領，常軍,張也

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011）

隔震溝是阻止地面震動傳播的重要措施，通過對實際工程的分析，設計出一條隔振溝降低振源對周邊精密儀器的影響。通過對現場可能產生的荷載采集，將采集的荷載輸入到有限元模型中作為模型中的動力荷載。其中，土單元的本構模型為摩爾庫倫模型，根據當地的工程地質勘查報告獲取模型參數。通過GTS有限元分析，設置了種3種情況，一：無隔震溝的地面的加速度時程曲線，二：不同深度的隔振溝的地面的加速度時程曲線，三：不同寬度的隔振溝的地面的加速度時程曲線，最終根據精密儀器對振動影響的最低要求確定隔震溝的設計尺寸，驗證了隔震效果。結果表明：將隔震溝應用到實際工程中，該隔震溝能阻止地面震動傳播。

隔震溝；GTS；隔震；摩爾庫倫準則

沖擊荷載在采礦、鍛造、爆破、土木工程中有廣泛的應用，會對附近建筑尤其是安置精密儀器的建筑造成不利影響。如何阻止地面震動傳播成為隔震的首要問題。為此，工程界提出了各種措施來阻止地面震動傳播。開挖隔震溝是簡單有效的方法，但隔震隔開挖的深度目前還沒有定論。對于隔震溝的隔震效果和機理，易長平做了數值模擬給出了：隔震溝的寬度對隔震溝的影響不大[1]。鄧亞虹總結出隔震溝的位置、深度、寬度影響規律[2]。李志成對隔震溝的尺寸效應做了研究[3]。Kim H將隔震溝的效應與實時控制聯系起來[4-5]。Wang等對隔震溝進行了實測效果分析[6]。

該文實在蘇州亨通鍛造有限公司的動荷載對蘇州矩陣光電半導體精密儀器產生影響的具體背景下，通過有限元分析設計出隔震溝來隔離亨通鍛造有限公司的動荷載對蘇州矩陣光電半導體精密儀器的振動，使其帶到精密儀器的工作要求。工藝穩定要求加速度在垂直方向小于0.1 cm/s2，水平方向小于0.02 cm/s2。

1 工程概況

1.1 工程平面布置圖

蘇州亨通鍛造有限公司和蘇州矩陣光電均在蘇州市張家港鳳凰鎮內，平面布置圖見圖1。

1.2 工程地質圖及土工參數

土單元采用的是摩爾庫倫單元，參數見表1，工程地質圖見圖2。

表1 土的參數

圖1 工程平面布置圖

圖2 工程地質圖

1.3 動力荷載概況

沖擊荷載的加載器見圖3和圖4。

圖3 荷載驅動器

圖4 荷載加載器

荷載1為沖擊荷載見圖5，荷載2為簡諧荷載見圖6，荷載3為掛車-120（主要考慮的是滿載卡車對地面振動的影響）。根據現場實測信息，矩陣光電處只有在某些時刻才會受到振動影響。圖6的簡諧荷載是由離心機產生的一直存在。圖5的沖擊荷載（全部作用時間10 s）是間歇的，所以荷載取值為：10 s的沖擊荷載與10 s的簡諧荷載，按圖1的位置同時施加在有限元模型上。

圖5 沖擊荷載

圖6 簡諧荷載

2 數值分析

2.1 無隔震溝的地面加速度傳播分析

為了分析隔震溝的效果,首先模擬了沒有隔震溝情況下加速度衰減規律,計算模型見圖7，整體尺寸為50 m×50 m×50 m，網格尺寸為1 m×1 m×1 m。加速度衰減規律見圖8。

圖7 計算模型

圖8 加速度峰值衰減規律

結果表明，隨到振源距離的增加，由于土的阻尼效應，加速度波的能量被消耗的越多，地面加速度越小。

2.2 不同深度隔震溝的減震效果比較

為了比較不同深度隔震溝的隔震效果，考慮了隔震溝深1～7 m，寬度為1 m的工況下隔震效果。有限元模型見圖9（這里只是隔震溝深度為7 m時情況）。圖10是7種工況下矩陣光電處水平加速度峰值和垂直加速度峰值對比。

圖9 深度為7 m有限元模型

圖10 加速度峰值對比

由圖10可知，隔震溝越深，其隔震效果越好，對水平加速度的影響較大，對垂直加速度的影響相對較小。減震溝越深，波需要傳播路徑越長，其損失的能量也越大。對垂直加速度而言，由于土的濾波與放大作用，加速度波在隔振溝附近發生類似于慧更斯衍射的現象，故圖9和圖10中出現平臺與轉折點。

2.3 不同寬度減震溝減震效果比較和有無隔振溝效果的分析

為了分析不同寬度減震溝的減震效果，設計了兩種工況進行比較。工況1：減震溝深3 m，寬1 m。工況2：減震溝深3 m，寬2 m。有限元模型見圖11和圖12。圖13是兩種工況下矩陣光電處加速度對比。最后為了驗證開挖隔振溝與無減震溝效果，圖14為矩陣光電在有無隔振溝下的加速度時程曲線對比圖。

由圖13可以看出，兩種工況下矩陣光電處的加速度非常接近，說明增加減震溝的寬度對于隔震沒有太大意義。由圖14可知開挖隔振溝可有效地降低加速度響應，從而隔離振動。

圖11 工況1有限元模型

圖12 工況2有限元模型

圖13 兩種工況下加速度對比

圖14 有無隔振溝加速度對比

3 結論

隔震溝的開挖使振動波傳播的路徑變長，能量的損失變大，從而達到隔震效果。隔振效果會受到場地的類別、開挖的深度和地下水文等因數的影響。該文主要有以下3點結論：（1）隔震溝對水平振動影響比垂直振動影響大；（2）隔震溝的隔震效果隨隔震溝深度的增加而增加,而隔震溝的寬度變化對減震意義不大；（3）滿足矩陣光電要求時，隔震溝開挖深度為7 m。

[1]易長平，陳明，盧文波，等.減震溝減震的數值模擬[J].武漢大學學報（工學版），2005，38（1）：49-52.

[2]鄧亞虹，夏唐代，陳敬虞.車輛荷載作用下隔震溝隔震效率影響因素分析[J].巖土力學，2007，28（5）：883-887.

[3]李志成，錢七虎.隔震溝減震效率有限元研究[J].工程力學，1997（A03）：6-10.

[4]KIM H,KIM Y,Kim M,et al.Performance evaluation of a full-scale advanced phase isolation ditch process by using real-time control strategies [J].Korean Journal of Chemical Engineering,2014,31（4）：611-618.

[5]KIM H,KIM Y,CHA J,et al.Model-based evaluation of control strategies for phosphorus removal in a full-scale advanced phase isolation ditch process[J].Water Sci Technol,2009,60（4）：879-888.

[6]WANG W F,SHI X C.Analysis on vibration isolation effect of vibration isolation ditch in feeble-minded strong rammer project[J].Copper Engineering,2007.

Isolation ditch design and its application in practical engineering

XUE Songling,CHANG Jun,ZHANG Ye
（School of Civil Engineering,SUTS,Suzhou 215011,China）

The isolation trench is an important measure to prevent the spread of the ground vibration.Based on the practical engineering,an isolation trench was designed to decrease the influence of the vibration source on the peripheral precision instruments.By means of the load acquisition which may be produced in the field,the collected load was input into the finite element model as the dynamic load in the model.The constitutive model of the soil element is the molar Kulun model,and the model parameters are obtained according to the local engineering geological survey report.Through the GTS finite element analysis,the paper presents three working conditions:one is that of the ground acceleration curve with no isolation ditch conditions,the other is that of curves of isolation trench in different depth,and the last is that of curves of isolation trench in different width,and the design size of the isolation trench is determined ultimately according to the minimum requirement of the peripheral precision instruments for the vibration influence,and the isolation is verified.The result shows that when the isolation trench is applied to the actual engineering,it can prevent the spread of the ground vibration.

isolation ditch;GTS;vibration isolated;molar Kulun model

TV542

A

1672-0679（2016）04-0022-04

（責任編輯：經朝明）

2016-06-22

江蘇省自然科學基金項目（BK20141180）；江蘇省結構工程重點實驗室開放課題（Z1405）；江蘇省建設系統科技項目（2015ZD77）；蘇州科技大學研究生創新項目（SKCX15_045）

薛松領（1991-），男，江蘇揚州人，碩士研究生。

常軍（1973-），男，教授，博士，主要從事健康監測與振動控制的研究，Email:changjun21@mail.usts.edu.cn。