正六边形截面桩的减隔振性能试验研究

唐家旗 毕全超* 赵 悦

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.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)

0 引 言

近年来，随着我国经济的发展，高速铁路发展迅猛，其引起的地表振动和建筑振动也受到了广泛的关注.国内外学者为降低铁路振动对周围环境的影响做了大量的研究,Aviles等[1-2]采用三维边界元法研究了单排或多排桩的桩径、桩长、桩间距等对隔振效果的影响.刘中宪等[3]通过定量化频谱分析,揭示了P、SV波入射时排桩对不同频段弹性波的隔振差别,探讨了不同波速比、桩间距、桩排数对隔振效果的影响规律,研究结果表明低频波宜采用多排桩,但对高频波,采用三排以上的桩屏障对隔振效果的提升则不再显著.高广运等[4]研究表明：刚性材料比柔性材料具有更好的隔振效果，在隔振设计时应选择刚性屏障材料：填充沟的深度在一倍瑞利波波长内对隔振效果有较大影响，并且与宽度一起决定其隔振效果，但当屏障深度超过一倍瑞利波波长后，屏障深度对隔振效果的影响很小.刘晶磊等[5]通过数值模拟分析得到结论：桩深对减隔振效果影响最明显，截面尺寸次之，而排桩间距影响非常有小.孙立强等[6]通过大比例尺试验,采用加速度作为振动的评价指标,分别研究空沟、碎石填充沟和排桩的隔振效果.郭炳川等[7]通过abaqus建立排桩隔振系统三维有限元模型，分析了桩长、桩间距、桩身材料、双排桩距离和交叉布置排桩对隔振效果的影响.孙军等[8]通过现场实测测得多排桩与蜂巢桩两种隔振屏障的隔振效果.

上述学者对隔振排桩的研究大多是用数值模拟进行分析，而数值模拟与实际工程还是会存在一些误差.所以本文室内试验是在原有方桩、圆桩等混凝土隔振桩型的基础上提出一种新型正六边形截面混凝土桩，研究三排桩桩间距、排间距、振源距等因素对隔振效果的影响，提出一些有益的结论.

1 试验概况

本试验为室内试验，场地为4m×4m×1.6m,其中上部为0.4m深的粉质粘土，下部为1.2m深的沙土，分层夯实土体，土体密度为1600kg/m3～1700kg/m3，含水率为10%～11%.该试验采用WS-Z30型振动台控制系统，设备主要包括信号发生器、激振器、电荷放大器、功率放大器、加速度传感器(灵敏度为4PC/ms-2，频率响应为0.20～8000Hz，测量范围为50m/s2，质量为28.5g)，数据采集控制仪、加速度计放大器等.试验仪器及隔振桩如图1所示.

图1 试验仪器及隔振桩

本次试验选定的激振频率为30Hz、60Hz、120Hz，激振波为正弦波，采样频率设置为5000Hz，时间为5s.同时，在整个试验过程中，电荷放大器值始终保持一致[9].试验采用的正六边形截面混凝土桩边长为5cm，高为40cm，总共18个，每排设置6个桩.三排桩桩间距、排间距、振源距等数值见表1，试验场地仪器布置及排桩区域如图2所示.

图2 试验场地仪器布置及排桩区域

表1 正六边形截面三排桩取值表

2 隔振效果评价指标

为了减小试验误差，加速度最大值取两次试验测得数值的平均值.试验隔振效果采用振幅衰减系数ARF[10]来表示，ARF为设置隔振屏障后的地面垂直竖向加速度与无隔振屏障时的地面垂直竖向加速度之比.ARF越小，隔振效果越好，反之则隔振效果越差.ARF的表达式如下：

ARF=a/a0

式中a为设置隔振措施后的地面竖向最大加速度值；a0为无隔振措施时的地面竖向最大加速度值.

3 无隔振措施下地面最大加速度测定

为了测定地面最大竖向加速度，选取30Hz，60Hz，120Hz等频率用激振器对地面进行激振，不采取减隔振措施，得到振源距在100cm、120cm、140cm时的地面最大竖向加速度，试验结果见表2，无减隔振措施布置如图3.

表2 无隔振措施地面最大加速度

图3 无减隔振措施布置

4 实验结果分析

4.1 正六边形三排桩桩间距对隔振效果的影响

为了研究桩间距对隔振效果的影响，将排间距设定为10cm，隔振振源设定为100cm.在桩间距为5cm、10cm、15cm的三个工况下，采用激振器进行激振，频率选用30Hz、60Hz、120Hz，试验结果见表3.

表3 三排桩不同桩间距隔振效果

从表中可以看出：在排间距为10cm，振源距为100cm的条件下.桩间距在5cm、10cm、15cm时地面加速度分别衰减了56.9%～61.5%、48.3%～51.5%、36.2%～39.7%.可知随着三排桩桩间距的减小，隔振效果有所提高，且增加幅度较为明显，而且当桩间距一定的时候，随着激振频率的增大，相应位置的振动加速度逐渐减小.

为了更形象的表示不同桩间距的最大加速度，绘制了桩间距-地面最大加速度曲线如图4.

图4 相同排间距与振源距下不同桩间距的隔振效果

4.2 正六边形三排桩排间距对隔振效果的影响

为了研究排间距对隔振效果的影响，将桩间距设定为10cm，隔振振源设定为100cm.在排间距为5cm、10cm、15cm的三个工况下，采用激振器进行激振，激振频率选用30Hz、60Hz、120Hz，试验结果见表4.

表4 三排桩不同排间距隔振效果

从表中可以看出：在桩间距为10cm，振源距为100cm的条件下.排间距在5cm、10cm、15cm时地面加速度分别衰减了45.5%～52.4%、48.3%～51.5%、39.4%～43.1%.可知随着三排桩排间距减小，隔振效果逐渐增加，但是增加幅度并不显著，而且当排间距一定的时候，随着激振频率的增大，相应位置的振动加速度逐渐减小.

为了更形象的表示不同排间距的最大加速度，绘制了排间距-地面最大加速度曲线如图5.

图5 相同桩间距与振源距下不同排间距的隔振效果

4.3 振源距对隔振效果的影响

为了研究振源距对隔振效果的影响，将三排桩桩间距和排间距均设定为10cm.在振源距为100cm、120cm、140cm的三个工况下，采用激振器进行激振，频率选用30Hz、60Hz、120Hz，试验结果见表5.

表5 不同振源距隔振效果

从表中可以看出：在桩间距和排间距都为10cm的条件下，振源距在100cm、120cm、140cm时地面加速度分别衰减了48.3%～51.5%、49.2%～60.5%、53.8%～57.1%.可知随着振源距的增大，隔振效果略有增加，振动加速度逐渐减小.

为了更形象的表示不同振源距的最大加速度，绘制了振源距-地面最大加速度曲线如图6.

图6 相同桩间距与排间距下不同振源距的隔振效果

5 结 论

为了研究正六边形三排桩不同桩间距、排间距、振源距等因素对隔振效果的影响，本文采用三排桩室内试验，得出以下结论.

(1)当正六边形三排桩排间距为10cm、振源距为100cm的时候，随着桩间距变为15cm、10cm、5cm，隔振效果有所增加，增加幅度较为明显，加速度衰减了36.2%～61.5%.

(2)当正六边形三排桩桩间距为10cm、振源距为100cm的时候，随着排间距变为15cm、10cm、5cm，隔振效果有增加，但增加幅度不明显,加速度衰减了39.4%～52.4%.

(3)当正六边形三排桩桩间距和排间距都为10cm的时候，随着振源距变为100cm、120cm、140cm，隔振效果略有增加，加速度衰减了48.3%～60.5%.