基于最優(yōu)隔振排樁布局及規(guī)格的設(shè)計(jì)方法研究★

王海洋

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 永安 366000)

由于經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,城市中交通設(shè)施大肆興建,以及地面建筑物爆破拆除等引起的振動(dòng)污染日益頻繁,所帶來(lái)的影響也越來(lái)越明顯,環(huán)境振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物、精密儀器設(shè)備以及人們的生活影響越來(lái)越嚴(yán)重。國(guó)際上已把振動(dòng)列為“七大公害”之一。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)用排樁減隔振措施,可有效緩解振動(dòng)污染問(wèn)題[1-3]。劉晶磊等[4]通過(guò)模型試驗(yàn),研究了不同參數(shù)單排樁的隔振效果,研究表明增大樁長(zhǎng)、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(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題,通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了排樁的樁長(zhǎng)、樁間距、埋深的變化對(duì)隔振效果的影響;賀濤等[6]研究了砂土地基中單排非連續(xù)排樁的減隔振情況;章偉康等[7]通過(guò)仿真軟件建立了道路-排樁-地基動(dòng)力模型,分析了排樁對(duì)移動(dòng)車(chē)輛荷載的減隔振效果;楊維國(guó)等[8]針對(duì)地鐵列車(chē)運(yùn)行所致振動(dòng)問(wèn)題,進(jìn)行了減振控制研究,研究得出隔振樁埋深在15 m以上時(shí),才起到減振降噪效果;史海歐等[9]通過(guò)理論數(shù)值分析,研究了隔振樁截面形狀的不同對(duì)振動(dòng)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(yōu)于方形隔振樁的減振效果。也有眾多學(xué)者采用三維有限元法,進(jìn)行了排樁的隔振性能研究,但都需要耗費(fèi)大量時(shí)間,目前排樁結(jié)構(gòu)的隔振性能分析大多為固定荷載作用下多排樁的參數(shù)分析[10-13]以及簡(jiǎn)諧移動(dòng)荷載作用下單排樁的參數(shù)分析[14-18]。

以上眾多學(xué)者雖然研究了排樁的不同參數(shù)變量對(duì)振動(dòng)的影響,但并未對(duì)排樁的不同參量進(jìn)行優(yōu)化研究。為提升排樁減隔振效果,筆者對(duì)隔振排樁的布局與規(guī)格進(jìn)行了深入研究,擬設(shè)計(jì)一種最優(yōu)的隔振排樁布局與規(guī)格,最大限度地緩解環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題。

1 技術(shù)方案

本設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處,提供一種基于最優(yōu)隔振排樁布局及排樁規(guī)格的設(shè)計(jì)方法,該設(shè)計(jì)方法通過(guò)波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動(dòng)隔振邊界元方法[19],確定隔振排樁的排數(shù)以及各排的長(zhǎng)度,從而達(dá)到規(guī)定的隔振效果,提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

本設(shè)計(jì)目的的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成:一種基于最優(yōu)隔振排樁布局及排樁規(guī)格的設(shè)計(jì)方法,所述隔振排樁布置于振源和保護(hù)對(duì)象之間,其特征在于所述設(shè)計(jì)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(hù)對(duì)象之間的距離;2)根據(jù)所述振源的位置、所述振源與所述保護(hù)對(duì)象之間的距離、波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動(dòng)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(zhǎng);3)通過(guò)計(jì)算,確定所述隔振排樁中的第一排樁在確定的最佳樁長(zhǎng)下,是否滿足規(guī)定的隔振要求,若滿足規(guī)定的隔振要求,則對(duì)所述隔振排樁中的第一排樁進(jìn)行空間布局;若不滿足規(guī)定的隔振要求,則在所述第一排樁的減振基礎(chǔ)上,再利用同樣的計(jì)算方法重新確定所述隔振排樁中的第二排樁的最佳樁長(zhǎng)。如此往復(fù),直至所述隔振排樁中的各排樁組合后滿足規(guī)定的隔振要求。本設(shè)計(jì)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(dá)式為:

(1)

步驟2)中所述單排樁被動(dòng)隔振邊界元方法的表達(dá)式為:

(2)

求解該式(2)可獲得單排樁表面各點(diǎn)的位移。其中,全部邊界節(jié)點(diǎn)按照順序從1～N進(jìn)行編號(hào);面力、流量Tk和骨架位移、孔壓Uk的積分系數(shù)分別為Gnk和Hnk,Gnk和Hnk的關(guān)系為:

(3)

節(jié)點(diǎn)s對(duì)應(yīng)的面力、流量Ts和土骨架位移、孔壓Us的積分常數(shù)分別記作Gss,Hss;位移、孔壓、面力和流量的上標(biāo)“s”為散射波;Hi為飽和土地基表面任意一點(diǎn)的散射波位移和面力影響系數(shù)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(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的位移、面力、孔壓和流量,上標(biāo)“i”為入射波。

衡量所述隔振排樁是否滿足規(guī)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(shù)ARF,其定義為:

(4)

將利用所述單排樁被動(dòng)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(jì)算單排樁遠(yuǎn)場(chǎng)隔振效果時(shí),所述單排樁的幾何尺寸采用無(wú)量綱化參量表示,即利用波長(zhǎng)λR對(duì)各參數(shù)進(jìn)行歸一化:無(wú)量綱樁長(zhǎng)h*=H/λR、無(wú)量綱樁徑r*=R/λR以及無(wú)量綱樁間凈距l(xiāng)*=L/λR,其中,λR為飽和土地基的波長(zhǎng);H為假設(shè)樁長(zhǎng);R為假設(shè)樁徑;L為假設(shè)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(zhì)對(duì)隔振效果的影響,引入平均振幅衰減系數(shù)AR,AR值愈小說(shuō)明減隔振效果愈好[20],其定義見(jiàn)式(6):

(6)

其中,A′為設(shè)置屏障后屏蔽區(qū)域面積。

本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:利用波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動(dòng)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(shù)以及各排的長(zhǎng)度,從而減少工程量、提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖,通過(guò)實(shí)施案例對(duì)本設(shè)計(jì)的特征及其他相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(qiáng)夯施工、地面爆破工程或者是地面鐵路干線上列車(chē)通過(guò)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(chē)通過(guò)形成,保護(hù)目標(biāo)3容易受地面振源1和地下振源2產(chǎn)生的振動(dòng)干擾,故本實(shí)施案例提出一種基于最優(yōu)隔振排樁布局及排樁規(guī)格的設(shè)計(jì)方法,在地面振源1、地下振源2與保護(hù)目標(biāo)3之間的土體中,設(shè)計(jì)布局隔振排樁4以形成隔振保護(hù),該設(shè)計(jì)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(cè)量確定地面振源1和地下振源2分別距保護(hù)目標(biāo)3的距離,進(jìn)而確定隔振排樁4的布局位置。

2)根據(jù)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(hù)目標(biāo)3的距離,并根據(jù)波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動(dòng)隔振邊界元方法,確定隔振排樁4的第一排樁的最佳樁長(zhǎng)。

3)通過(guò)計(jì)算,確定隔振排樁4經(jīng)過(guò)上述步驟確定的最佳樁長(zhǎng)下是否滿足規(guī)定的隔振要求,若第一排樁的最佳樁長(zhǎng)已滿足規(guī)定的隔振要求,則對(duì)設(shè)計(jì)的第一排隔振排樁4進(jìn)行空間布局;若還不滿足規(guī)定的隔振要求,則在已設(shè)計(jì)好的第一排樁的減振基礎(chǔ)上,再通過(guò)上述步驟利用同樣的計(jì)算方法確定下一排樁的最佳樁長(zhǎng);如此往復(fù),直至隔振排樁4的各排樁組合后,滿足規(guī)定的隔振要求,然后對(duì)設(shè)計(jì)好的隔振排樁4進(jìn)行空間布局。

4)將設(shè)計(jì)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(nèi)填筑防水材料5,以避免地面水貫入樁孔內(nèi)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(cè)還各開(kāi)挖一條排水溝6,可將該處的地面水引流至別處,以進(jìn)一步減小地面水的影響。

3 實(shí)施效果

本實(shí)施案例以第一排單排樁為例進(jìn)行分析計(jì)算,為了方便計(jì)算分析過(guò)程,計(jì)算單排樁隔振效果時(shí),單排樁幾何尺寸采用了無(wú)量綱化參數(shù)表示[21],無(wú)量綱樁長(zhǎng)h*=H/λR,無(wú)量綱樁徑r*=R/λR,無(wú)量綱樁間凈距l(xiāng)*=L/λR,λR為飽和土地基的波長(zhǎng),參數(shù)歸一化為x*=X/λR,y*=Y/λR,當(dāng)無(wú)量綱樁長(zhǎng)h*=0.6時(shí),ARF的等值線示意圖如圖4所示;當(dāng)無(wú)量綱樁長(zhǎng)h*=1.0時(shí),ARF的等值線示意圖如圖5所示;當(dāng)無(wú)量綱樁長(zhǎng)h*=1.4時(shí),ARF的等值線示意圖如圖6所示;圖7為不同長(zhǎng)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(zhǎng)與平均振幅衰減系數(shù)關(guān)系表,表2為單排樁樁徑與平均振幅衰減系數(shù)關(guān)系表,表3為單排樁樁間凈距與平均振幅衰減系數(shù)關(guān)系表。

對(duì)比圖4—圖6可以看出,隨著樁長(zhǎng)的不斷增大,樁后有效屏障區(qū)域面積也不斷增大,說(shuō)明隨著樁長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)與平均振幅衰減系數(shù)關(guān)系表

表2 單排樁樁徑與平均振幅衰減系數(shù)關(guān)系表

表3 單排樁樁間凈距與平均振幅衰減系數(shù)關(guān)系表

綜上所述,較長(zhǎng)的樁長(zhǎng)、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(zhǎng)較長(zhǎng)、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(shè)計(jì)出第二排樁的樁長(zhǎng)、樁徑與樁間凈距,同樣的方法可以設(shè)計(jì)出下一排樁的樁長(zhǎng)、樁徑與樁間凈距,這樣可以設(shè)計(jì)出排樁的長(zhǎng)度依次減短、樁徑依次減小、樁間凈距依次增大,既能達(dá)到規(guī)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(huì)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

針對(duì)日益嚴(yán)重的振動(dòng)污染問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)出一種最優(yōu)隔振排樁布局及排樁規(guī)格的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)波散射的三維邊界元方程以及單排樁被動(dòng)隔振邊界元方法,確定隔振排樁的各參量,設(shè)計(jì)出排樁的長(zhǎng)度依次減短、樁徑依次減小、樁間凈距依次增大,既可達(dá)到規(guī)定的隔振效果,又可減少樁體所需的建筑材料和建設(shè)工程量,大大節(jié)約了工程建設(shè)成本。