（岩土工程专业论文）现浇混凝土大直径管桩非连续屏障近场隔振性能的研究.pdf

摘要 摘要 非连续屏障隔振作为隔振技术的一种，正在受到越来越多的关注它不但能够 有效地降低屏障后的振幅，而且具有施工速度快，场地适应性强等特点。现浇混凝 土大直径管桩( 简称p c c 桩) 作为非连续屏障体，目前对它隔振性能的研究还是空 白，加了p c c 桩屏障的自由场地对振动波的响应情况还不明确，不同因素对其隔振 性能的影响以及p c c 桩和实心桩隔振之间的差异还不清楚。 基于上述存在的问题，本文主要利用有限元数值计算方法对p c c 桩的近场屏障 隔振特性进行了研究。论文完成的主要工作如下： ( 1 ) 对目前已有的砂箱非连续屏障隔振实验进行有限元模拟，通过对比分析得 到有限元计算结果和砂箱实验结果相一致，验证了在隔振计算中应用有限单元法是 可行的。 ( 2 ) 利用有限元软件建立场地的三维模型，研究了设置p c c 桩屏障和自由场地 表面振幅的变化情况，通过整个场地振幅衰减系数等值线图以及特征点来分析单排 p c c 桩屏障的隔振性能。 ( 3 ) 研究影响因素对p c c 桩屏障隔振性能的影响，用有限元分析屏障长度l 、 桩长h 、桩白j 距s 、桩的外半径r 、桩的弹性模量e 、桩屏障的排数n 以及屏障到振 源的距离d 对p c c 桩屏障隔振的影响，并为p c c 桩屏障的设计提供参考依据。 ( 4 ) 利用有限元对p c c 桩、同直径实心桩以及同有效截面实心桩屏障的隔振性 能进行计算，根据对计算结果的对比来分析不同屏障隔振性能之间的差异，从而来 全面评价p c c 桩屏障的隔振性能。 关键词：现浇混凝土大直径管桩、屏障隔振、非连续、近场、有限元、a n s y s a b s t r a c t a b s t r a c t t h en o n - c o n t i n u a lv i b r a d o ni s o i a t i o n , o n eo fv i b r a t i o ai s o l a t i o nt e c h n o l o g i e s h a sb e e nr e c e i v i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n o to n l y 湖i tr e d u c et h ea m p l i t u d e b e h i n dt h eb a r r i e re f f e c t i v e l y , b u ta l s oh a ss 0 1 1 1 eo t h e rc h a r a c t e r i s t i c s f o re x a m p l e , i t c a l lb ee o n s t x u e t e dq u i e l d y , a n dh a sg o o da d a p t a b i l i t y a tp r e s e n tc a s t - i n - s i t uc o n c r e t e p i p ep i l e ( p c cp i l c ) ，勰n o n - c o n t i n u a lb a r r i e r , h a sb e e ns e l d o ms t u d i e d i ti sn o tc l e a r h o wt h ef r e eg r o u n dw i t hp c cp i l eb a r r i e rr e a c t st ot h ev i b r a t i o nw a v e ，a n dh o w i n f l u e n c i n gf a c t o r sa f f e c tt h ev i b r a t i o ni s o l a t i o np e r f o r m a n c e b e s i d e s ，t h ed i f f e r e n c e b e t w l 七i ip c c p i l ea n dt h es o l i dp i l es t i l lr e m a i n si l l l k n o w l l a i m i n ga tt h ea b o v ep r o b l e m s , t h i sp a p e rm a i n l yr c s c c h e st h ep c cp i l c f sh e a l f i e l db a r r i e rv i b r a t i o ni s o l a t i o nc h a r a c t e r i s t i cu s i n gt h ef i n i t ed e m e n tn u m e r i c a l c a l c u l u sm e t h o d i t sm a i nw o r ki s 船f o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x i s t i n gs a n d - b o xn o n - c o n t i n u a lv i b r a t i o ni s o l a t i o ne x p e r i m e n tw a s s i m u l a t e db yf e m t h er e s u l tw h i c hc a n l ef r o mf e m 恤c o n s i s t e n tw i t ht h e s a n d - b o xe x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v e di tw 雒r e a s o n a b l et oa p p l yf e mt ot h ec a l c u l a t i o n o f v i b r a t i o ni s o l a t i o n ( 2 ) t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d a lw i t hp c cp i l eb a r r i e t b yf e m t h em o d a lw a s u s e dt os t u d yt h ea m p l i t u d eb e h i n dt l a eb a r r i e ra n dt oa n a l y z e t h es i n g l er o wp c cp i l eb a r r i e rv i b r a t i o ni s o l a t i o np e r f o r m a n c et h r o u g ht h ee n t i r e l o c a t i o na m p l i t u d er e d u c ef a c t o rc o n t o u rc h a r t 勰w e l l 鹤t h ec h a r a c t e r i s t i cm a r k s ( 3 ) t h e p a p e rr e s e a r c h e d h o w i n f l u e n c i n g f a c t o r s ，i n c l u d i n g l e n g t h o f b a r r i e r , h e i g h to f p i l e ，s p a c eo f p i l e s ，o u t s i d er a d i u so f p i l e ，e l a s t i c i t ym o d u l u so f p i l e ，n u m b e r o fb a r r i e r si o wa n dt h ed i s t a n c ef r o mb a r r i e rt os o u r c e ，a f f e c tp c cp i l ev i b r a t i o n i s o l a t i o np e r f o r m a n e e t h r o u g ht h ea n a l y s i so fv a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r si tp r o v i d e d r e f e r e n c ef o rd e s i g n a t i o no f p c c p i l eb a r r i e r ( 4 ) t h ep c cr i l e , s 蛐ed i a m e t e rs o l i dp i l ea n ds a m ev a l i da r e as o l i dp i l e b a r r i e rw e 他c a l c u l a t e db yf e m t h er e s u l tw a su s e dt oa n a l y z et h ed i f f e r e n c ea m o n g t h et h r e et y p e so fp i l e t h u s , v i b r a t i o ni s o l a t i o np 勘n a n c eo fp c cp i l ew a s e v a l u a t e de n t i r e l y k e yw o r d s ：c a s t - i n - s i t uc o i l c r e t e ：t h i n - w a l lp i p ep i l e , v i b r a t i o ni s o l a t i o n , n o n - c o n t i n u a l ， n e 越f i e l d , f e m a n s y s i i 幽索弓 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图索引 非连续和连续屏障示意图 p c c 桩施工流程示意图【8 l 技术路线图 瑞利阻尼常数 9 a n s y s 模块调用示意图 1 7 2 6 砂箱实验布置图2 7 砂箱试验有限元模型2 7 监测点振幅衰减系数曲线图 p c c 桩屏障模型俯视图 模型网格划分图3 0 入射p 波的反射、折射示意图一3 3 z - - 0 ，y = 0 处纵向节点竖向位移幅值3 5 z = o ，y = 时处纵向节点振幅衰减系数 z - - 0 ，产6 s 振幅衰减系数等值线图一3 5 z = 0 ，x = 2 厶处横向节点竖向位移幅值3 6 z - - 0 , x = 2 厶处横向振幅衰减系数3 6 z = o ，f 1 5 厶处桩心士竖向位移幅值 z - - 0 , x = l 厶处横向振幅衰减系数 桩身前后的土与桩心土振幅衰减系数 x = 2 以, y - - 0 处隔振前位移时程曲线 x = 2 厶，y = o 处隔振后位移时程曲线一3 9 x = 2 厶，y - - 0 处隔振前后峰值时程图4 0 z = 0 ，y = 0 处不同屏障长度j ：况f 振幅幅值衰减系数4 3 t - - 6 sa l l 振幅衰减系数等值线图4 1 4 t - - 6 s a s p 振幅衰减系数等值线圈4 4 t - - 6 s a l 2 振幅衰减系数等值线图。 t - - 6 sa l 3 振幅衰减系数等值线圈4 4 z = 0 , x = 2 五处横向振幅衰减系数。 z = 0 , x = 3 以处横向振幅衰减系数一 4 5 z = 0 y ：o 处不同桩长工况下振幅幅值衰减系数4 6 产6 8 a i l 振幅衰减系数等值线圈 睁6 sa s p 振幅衰减系数等值线图 卢6 s 时a h 2 振幅衰减系数等值线图 辟6 s 时a h 3 振幅衰减系数菩值线图 4 6 4 6 z - 卸, x = 2 厶处横向振幅衰减系数4 7 捌p f 3 以处横向振幅衰减系数。 z = 0 ，y = 0 处不同弹模工况下振幅幅值衰减系数 v 4 7 4 5 幽索弓 幽4 1 6z - - 0 , x = 2 五。处横向振幅衰减系数鹌 图4 1 7 z = 0 , x = 3 厶处横向振幅衰减系数一4 8 图4 1 8z = 0 。y = 0 处不同屏障排数工况下振幅幅值衰减系数4 9 图4 1 9t - - - - 6 s a s p 振幅衰减系数等值线图5 0 图4 2 0 户6 s a n 振幅衰减系数等值线图5 0 图4 2 1t - - - 6 6 a n 2 振幅衰减系数等值线图5 0 图4 2 2r - 6 s a n 3 振幅衰减系数等值线圈5 d 图4 2 3 z - - - 0 严2 厶处横向振幅衰减系数5 l 图4 2 4z - - - 0 ，x = 3 厶处横向振幅衰减系数5 l 图4 2 5z = 0 ，y = o 处不同桩间距一【：况一f 振幅幅值衰减系数5 1 图4 2 6t - - - 6 s a s i 振幅衰减系数等值线图5 2 图4 2 7t = 6 s a s p 振幅衰减系数等值线图5 2 图4 2 8t - - 6 s a s 2 振幅衰减系数等值线图5 2 图4 2 9t - - 6 s a s 3 振幅衰减系数等值线图5 2 图4 3 0 z - - 0 0 t = 2 厶处横向振幅衰减系数5 3 图4 3 1 z - - 0 # = 3 厶处横向振幅衰减系数5 3 图4 3 2z = 0 ，y = 0 处不同桩外半径工况下振幅幅值衰减系数5 3 图4 3 3t = 6 s s p 振幅衰减系数等值线图5 4 图4 3 4t = f sa r l 振幅衰减系数等值线图5 4 图4 3 5t = 6 sa r 2 振幅衰减系数等值线图5 4 图4 3 6t = 6 sa r 3 振幅衰减系数等值线图5 4 图4 3 7z = 0 ，x = 2 厶处横向振幅衰减系数5 5 图4 ，3 8z = 0 ，x h 3 五处横向振幅衰减系数5 5 图4 3 9z = 0 ，y - - o 处屏障到振源不同距离工况下振幅幅值衰减系数5 6 图4 4 0 z = 0 ，x = 2 五。处横向振幅衰减系数5 6 图4 4 1 z - - - 0 , x = 3 以处横向振幅衰减系数5 6 圉4 4 2t - - 6 s a d l 振幅衰减系数等值线图5 7 圈4 4 3 t - - 6 s a s p 振幅衰减系数等值线圈5 7 图4 4 4 归6 s a d 2 振幅衰减系数等值线图5 7 图4 4 5t - - - 6 s a d 3 振幅衰减系数等值线图5 7 国5 1 t = - 6 sp c c 振幅衰减系数等值线图6 1 图5 2 卢6 ss d s 振幅衰减系数等值线图6 l 图5 3 t - - 6 ss a s 振幅衰减系数等值线图6 l 图5 4z = o , y = o 处不同桩型工况下a ”6 1 圉5 5 z = 0 0 t = 2 乃赴横向振幅衰减系数6 2 图5 6 z ；- 0 0 t = 3 厶处横向振幅衰减系数6 2 v i 表索辱 表3 1 模型的物理参数 表3 2 典型桩几何参数 表3 3 模型的物理参数 表3 4 边晃单元参数 表索引 2 9 3 3 表3 5 屏障隔振前后地面竖向位移振动幅值数据对照表3 4 表3 6 屏障隔振前后地面竖向位移振动幅值数据对照表3 6 表3 7 桩心土地面竖向位移振动幅值数据对j ! l 表3 7 表3 8 桩心土与桩身前后振幅衰减系数 表4 1 影响因素编号 表5 1p c c 桩与实心桩的参数 v i i 6 0 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同 事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意如不实，本人负全部责任。 敝储( 签孙一貔盖一仁一肼汨叩日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘舨) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ；- 二逸乙址嘶3 月刁日 第一章绪论 1 、绪论 1 1 引言 振动作为日常生活中常见的一种现象，已经和我们生活的各个方面息息相 关。城市的交通系统、工厂锻锤、施工强夯、爆破作业、海边的潮汐等都是非 常普遍的振源，以往我们只关注一些破坏性极大的，如地震等引起的振动，很 少去关注人类活动产生的以及破坏性较小的自然界振动。随着我国国民经济高 速发展，人们对生活质量的高求越来越高，已经渐渐认识到普通振动带来的危 害，国际上已经将其列为七大公害之- - 1 1 3 1 。频繁的振动不仅会影响人们的身心 健康，而且会给振源附近的建筑物、地下管线和一些高精度仪器设备造成破坏， 带来巨大的经济损失。 目前，我国城市中交通荷载是最常见的振源，根据十五计划国家对城 市轻轨的投资将达到8 0 0 0 亿人民币。我国的城市交通尤其是轻轨往往修建在商 业区和办公区附近，铁道部劳动卫生研究所曾对几个大城市的交通振动污染情 况进行调查研究，结果表明铁路两边3 0 米内的振动加速接近8 0 d b 4 1 ，而我国 的城市区域环境振动标准中规定城市的商业中心区不能高于7 5 d b 【5 j ，因此 大多数居住在城市中的人都不同程度的受到振动的危害。国外研究证明：振动 容易引起入体内脏器官的共振，所以即使是轻微的振动也会使人心烦意乱，危 害身心健康。列车的反复循环荷载作用，还会造成周围建筑的振动、墙体开裂 和不均匀沉降；比较强的外部振动还会给室内的物品带来危害。例如北京西直 门附近距铁路约1 0 0 米处一座五层楼内的居民发现，室内家具竞由于振动发生 了错位【6 】。强振动还会给医院的手术带来不便和破坏科研院所等一些单位的精 密仪器、敏感电子设备、精密数控机床等。 我国城市化进程日益加快，每个城市都被一个个巨大的建筑工地所包围， 建筑施工过程中，强夯和打桩产生的强烈振动波通过媒介的传播，会直接破坏 建筑物，使其损坏或坍塌。1 9 8 0 年，我国南京某广场的一座大楼施工时，打桩 机产生的强烈振动波，把工地附近一座电影院的墙壁震裂，致使这家电影院不 得不被拆掉重建【刀。还有工场中锻锤巨大的冲击力经常会使厂房的柱基发生不 女4 毒人学域l 学位论文 均匀沉降，破坏厂房结构的安全性。另外，海堤、河堤在水浪的冲击下，会引 起堤坝内部土层的开裂，疏松，在水的侵蚀下很容易发生坍塌甚至溃堤。 面对振动带来的灾害，国外学者从上世纪中期就开始了隔振的研究，目前 隔振的措施主要有两种，一种是缓冲隔振，通过在被保护建筑或设备的基础上 设置弹性支座和阻尼器来消除振动对结构的影响；别一种方法是屏障隔振，其 主要思想是通过隔断或干扰振动波的传播，在波的传播路径上设置屏障，并在 屏障后形成屏蔽区，对受害对象进行保护。缓冲隔振作为一种基础隔振方法， 造价昂贵，技术水平要求比较高，一般用于抵抗地震等大强度振害。屏障隔振 旌工简单，造价低廉，比较适合低强度振动的隔振。对于屏障隔振的研究，早 期主要研究连续隔振，如在土体中挖隔振沟或者是修建地下连续墙，这些方法 都取得了比较好的效果。随着隔振的理论以及应用的发展，越来越多的学者开 始了非连续隔振的研究，其主要方法是在波的传播路径上打下一捧孔或者一排 桩，通过孔或桩对振动波的反射和散射来达到降低场地的波能，从而达到隔振 的目的。 现浇混凝土大直径管桩( p c c ) 是一种新的桩型睁1 2 1 ，它是由河海大学刘汉 龙教授自主设计的一种大直径( 1 0 1 5 m ) ，薄壁( 0 1 o 1 5 m ) 管桩。p c c 桩可以作为一种非连续隔振的屏障体，研究其在振动荷载作用下非连续屏障的 隔振性能，指导其在隔振应用中的设计与施工，这一研究具有重大的学术意义 和工程应用价值，另外p c c 桩施工简单方便，与同桩径实心桩相比造价便宜， 这也符合我国建设节约型社会的目标，具有良好的发展和应用前景。 作为一种新桩型，目前对p c c 桩在屏障隔振中应用的研究刚刚起步，其作 用机理还缺乏深入的研究，因此对其研究还具有理论意义。 1 2 屏障隔振的研究现状 1 2 1 隔振的分类 隔振技术是从上世纪四十年代，在美国和欧洲一些国家的工程中开始使用， 开始主要通过设置空沟、排桩和连续剪力墙来隔振。使用之初，由于缺乏必要 的实验和理论研究，人们发现这些方法的隔振效果往往比较小甚至完全没有效 果，b a r k a n 认为隔振的失败主要是由于设计人员并没有完全明白振动波在屏障 附近传播的规律f 1 3 】，于是一些学者就开始从振动波的传播机理开始研究屏障隔 2 第一章绪论 振，并且将屏障到振源距离的不同分为近场主动隔振和远场被动隔振，另一方 面从隔振屏障的类型分为连续隔振和非连续隔振。 1 、主动隔振和被动隔振 振动波主要由地震、爆炸、机械旖工、机器振动以及轨道交通产生，通过 土体向外传播。弹性半空间理论认为弹性波在介质中传播主要分为体波和面波 两种类型，其中体波主要包括压缩波( p 波) 和剪切波( s 波) ，面波主要是瑞 利波( r 波) 。m i l l e r 、v u r s e r y 在1 9 5 4 年和1 9 5 5 年做了圆形振源垂直振动实验， 在实验中确定出在总能量的分配中，r 波占6 7 ，s 波占2 6 ，p 波占7 ，r 波不仅占波总能量的2 3 ，而且它的衰减慢、传播距离远，它是地面和地面附近 主要应该考虑的振动类型，而体波所占能量较小且衰减的很快【1 4 1 。 w o o d s l 9 6 8 年在研究空沟隔振时提出，隔振问题应该被分为两种：一种是 近场主动隔振( 屏障主要设置在振源的附近) ；另一种是远场被动隔振( 屏障设 置在屏蔽区附近远离振源) 【阍。主动隔振主要是针对体波，因为离振源比较远 的地方，体波的能量已经很小，所以只在振源附近屏障时考虑；被动隔振则主 要针对面波。主动隔振和被动隔振的区分线，w o o d s 并没有明确给出，在他的 文章中把空沟到振源的距离小于o 9 1 h ( h 瑞利波波长) 看成是近场主动隔振， 大于2 2 2 h 看成是远场被动隔振。 l y s m e r 最早提出了以2 5 x a 为近场和远场隔振的分界线【1 6 1 ，随后h a u p t 在 1 9 7 8 年将2 k r 作为分界线i r 丌，而在1 9 8 1 年他又认为分界线应该是l x x ：p r a n g e i j 8 l 也在1 9 7 8 年提出当p o 3 5 时，以5 h 作为分界线；h o l z l o h n e r 分析了竖向荷 载作用下弹性半空间表面振动，提出控制参数a 的方程【1 9 1 ；r ，靠 q = 兰= 厶 ( 1 1 ) ， 式中：r 为分界线到振源中心的距离；h 为瑞利波波长。 考虑到实际工程中土的非线性、非弹性的复杂特点，高广运提出了新的界 线的标准 2 0 】： 一般均匀土场地 ( p o 3 5 )，= 2 5 厶 ( 1 2 ) 较硬均匀质岩石场地( 肛o 3 0 ) ，= 5 o 厶 ( 1 3 ) 2 0 0 2 年高广运 - - 】又根据h o l z l o h n e r 的方程提出a r = 3 5 和以= 锄两个界线 列海人学顾上学位论文 值： 一般均匀土场地 ( p o ，3 5 )r = 2 ，5 厶 ( 1 4 ) 较硬均匀质岩石场地( o 3 0 ) ，= 1 o 厶 ( 1 5 ) 式中：i 为场地的泊松比。 从目前的研究来看，对于如何化分近场和远场的分界线，各国学者还没有 统一的结论，一般情况下以，= 2 5 厶为界限。 2 、连续隔振和非连续隔振 屏障隔振的主要思想就是在振动波的传播路径上设置屏障，通过屏障对波 的反射、散射来达到隔振的目的，因此屏障的选取对隔振的效果具有很大的影 响。高广运在1 9 9 7 年根据屏障类型的差异性提出了地面连续和非连续屏障隔振 的概念】：连续隔振是指屏障是连续的整体，如开口空沟，用泥浆、锯屑和砂 子等填充或混凝土刚性墙等；非连续屏障指屏障由问断的屏障单体组成，如圆 柱形排孔和排桩等。图1 1 是这两种踽振方法的示意图。 乙 i 涉 。 乡 ( a ) 捧桩非连续屏障( ”空沟连续屏障 图1 1 非连续和连续屏障示意图( 引自k a n i s 【硼) 各国的学者对于这两种隔振都做了大量的研究，w b o d s ( 1 9 6 7 、1 9 6 8 ) 、 s e 8 0 l ( 1 9 7 8 ) 、e m m ( 1 9 8 5 ) 等对空沟连续屏障进行了大量的研究【1 习嗍【2 6 】【2 刀， 结果表明，沟的深度对隔振效果有很大的影响，一般认为沟深h 0 6 h ，否则 会导致动力信号在空沟后面特定区域被放大 a h 眦d ( 1 9 9 1 ) 、高广运( 2 0 0 5 ) 对填充沟隔振进行了分析【2 8 2 9 】，他们认为 4 第一章绪论 屏障的深度和宽度对隔振来说都很重要，另外，对填充材料来说刚性材料比柔 性材料具有更好的隔振效果。对于连续屏障来说，要取得比较好的效果，屏障 体的深度要求很大，这势必会增加了工程的造价，另外连续屏障体太深，因为 地下水和旃工等问题，在工程上也很难实现。 针对连续隔振的不足，w o o d s ( 1 9 7 4 ) 对排孔，l i a o ( 1 9 7 9 ) 对单捧桩以及双择 桩分别进行了研究，并对非连续隔振的设计提出了一些有益的建谢弧3 1 1 。 1 2 2 理论研究 弹性波在土体中的传播是一个十分复杂的过程，因此在研究过程中就要把 问题进行简化，一般把土体看成是单一或者是成层的均匀半无限介质，而把屏 障看成是均匀介质中的异质体。当弹性波中的体波( p 波和s 波) 遇到不同介 质分界面时，发生反射和散射。s 波将被分成竖向( s v ) 和水平向( s h ) 两个分 量的波，因此界面上就会有p 波、s v 波和s h 波。p 波和s v 波入射界面后，又能 够产生反射的p 波和s v 波以及折射的p 波和s v 波，每个波可生成四个合量波； s h 波由于没有垂直于界面的分量，所以它只产生反射和折射的s h 波，不产生p 波。振动波在介质中遇到异质体时，发生的散射，反射现象，会消散掉一部分 波的能量，使得透射到屏障后面的波能减小，振幅降低。 波在土体介质中传播的复杂性，使得隔振的理论研究远落后于它的实践， 随着很多隔振工程的失败，越来越多的学者投入到隔振的理论研究中。 1 9 5 5 年m i n d l i n 使用平面近似理论推导波在均匀单层介质中传播方型，2 j ， 随后在1 9 7 5c h a o 和l e e 对m i n d l i n 的公式进行了扩展，假设不同介质接触面 上的位移和应力是连续的，推导了多层介质中波的传播规律。 国内学者徐平、高广运、杨先健、何少敏以及王贻荪等对非连续隔振进行 过理论推导分析【粥射，其中高广运等在1 9 9 7 年排桩隔振进行了理论分析，分析 单个圆桩和排桩对s h 波的散射效应，应用分离变量法求得散射波场和总波场。 并将波的吻合效应引入屏障隔振，认为入射波的波长在屏障上的投影刚好等于 屏障的固有弯曲波长时，会激发屏障固有振动，这种屏障不仅起不到隔振的效 果，反而会增大地面的振动。 1 9 7 7 年g u b e r n a t i s 等推导了在一个弹性介质中有单个任意形状夹杂物的 弹性波散射场的积分方程口9 l ，在此基础上钟伟芳运用多个步函数推导出有限多 5 扣j 簿人学嫒上学位论文 个散射体的位移积分方程 4 0 4 n 。 2 0 0 5 年高广运等又从l a m b 问题的基本解入手，推导出了瑞利波散射问题 的积分方程，可以用来分析任意多个不规则异质体引起的瑞利波散射问题1 4 2 。 徐平分析了单排空心管桩屏障对平面s v 波的散射理论，运用波函数展开 法，将土体中的散射位移场及空心管桩中的折射场展开成波函数的级数，假设 桩土边界的位移是连续的，求出位移场散射和折射的系数，并给出了散射系数 的理论解 4 3 1 。 隔振并不总是成功的，高广运等、邱畅对屏蔽区振幅增大现象进行理论分 析4 5 1 ，认为这是由于振动引起屏障与土体系统共振产生的，并在屏障处产生 了次生振源造成了振幅的增大。通过对p 波作用下的屏障波动应力方程推出屏 障振动动力平衡方程通解，求出系统的共振频率。屏障系统的共振频率主要取 决于屏障厚度以及屏障和介质中的波速和波的入射角。因此在隔振设计时要避 免振动频率大于系统最低共振频率的情况出现。 1 2 - 3 数值分析 随着计算机技术的快速发展，数值方法已经成为求解各种复杂问题一个很 好的工具，它可以有效地基于理论分析求得精确解，对各种理论分析进行求解 和验证。它具有一般实验方法无法比拟的优点，通过软件可以准确地设定模型 的各种参数和边界条件，而实验往往很难得到材质均匀的试样和理想的边界条 件，这些都会影响到实验结果的精确性；另一方面，有一些现场大型试验由于 费用太高和场地条件限制，有时不能够得到场地全面的实验数据，只能取一些 特征点来分析，而数值分析就可以根据我们的需要选取模型任意节点的解，这 样就可以有更多的数据来进行全面的分析。 数值方法通过把整体结构划分为各个单元，形成整体劲度矩阵，先求出节 点的位移，再由位移求出节点的应力和应变，这一方法现在已得到越来越多的 应用。 1 9 8 5 年e m a d 等用边界单元法对截面为半圆形和矩形的浅空沟隔振进行了 对比分析研究，他认为浅沟的存在不仅没有隔振的效果，还会造成振动局部放 大现象，另外空沟的截面形式对隔振影响不大【2 7 1 。 1 9 8 6 年d a s g u p t a 等应用了三维边界元法研究空沟主动隔振问题【蛔。 6 第一章绪论 1 9 9 1 年a h m a d 也应用边界元法研究了二维空沟和填充沟的隔振性能，分析 了土的泊松比、沟的尺寸以及波在填充物与土中的波速比等参数对隔振的影响， 文章中只对远场被动隔振进行了分析，没有讨论近场主动隔振的情况1 2 8 】。 1 9 9 6 年a h m a d 等又应用了边界元法对w o o d s 在1 9 6 8 年的空沟部分实验进 行三维分析，得出的数值解与实验值基本吻合，并通过对隔振影响因素分析， 得出空沟隔振的设计公式闻。另外他考虑了模拟成层土的隔振情况，认为如果 上层土的刚度比下层土大，则可以忽略土层对隔振的影响，相反下层土的刚度 比上层大，则要考虑土层的作用。 钱菊生和冯卫用边界元法分析粉煤灰填充沟连续屏障的隔振效果【4 8 4 9 。 黄菊花利用有限元软件a n s y s 对二维空沟和填充沟进行了分析 5 0 l ，结果表 明，合理的屏障隔振可以使地面振动位移减小，同时也会使地基中某些区域的 隔振增加，因此要想取得好的隔振效果需要在屏障设置上进行准确的设计。 李志毅等用解析的方法在分析多排桩远场被动隔振时认为，屏障的隔振效 果主要取决于桩的排数，而与桩的截面以及排间距大小关系不大。但是桩的净 间距对隔振有较大影响，所以要取桩净间距足够小【5 1 1 。 李特威在他的硕士论文中应用a n s y s 验证了模型槽的试验结果，在单排桩 与双排桩对振动波散射效应的基础上，考虑将桩延伸出地面，探讨了延伸桩对 波的导出效应，并得出了相关参数的取值【翱。 1 2 a 实验研究和工程实例 工程实验方法是一种直接的研究方法，它通过室内模型试验和现场试验得 出不同屏障的隔振结果，从而来分析屏障的隔振性能。另外实验结果也可以用 来验证已有的理论解，同时根据实验模型和结果可以进一步促进隔振的理论分 析和数值模拟的发展。 文献【j 5 】通过现场实验，在振源附近设置圆形空沟，并沿着圆沟径向设置8 组振幅采集点。通过有空沟屏障和没有空沟屏障的振幅比来定义隔振效果。 振幅衰减系数( 4 ，) = 设屏障后振幅设屏障前振幅。 文中通过对空沟尺寸和激振频率的变化来得到不同工况情况下的振幅衰减系 数。一。，也是本文评价p c c 桩屏障隔振性能的重要指标。 文献【删应用了一种全像激光摄影技术来研究排孔以及填充孔的隔振性能。 河海人学顾l ：学位论丘 这种技术通过一种干涉计原理，能够快速地获得物体表面的位移等值线图以及 位移量，这样就可以方便地求出振幅衰减系数，不过这种设备只适合应用室内 实验且只能够得到表面的振动情况，因此在使用上具有一定的局限性。 文献d 1 1 中设计了一个浅槽模型，并在槽中放入水，屏障由不同材料制成的 模型桩。在屏障两边分别设置激振器和信号接收器来测定不同材料与水的波阻 抗比和隔振性能的关系。文中认为介质与屏障的波阻抗差异越大隔振效果就越 好。 李特威在湖南大学做了砂池模型槽实验，在砂池中测定了稳态激振下单排 桩、双排桩的响应情况。双排桩的隔振性能比单排桩好，另外双排桩屏障前的 振幅放大系数也比单排桩的耐5 2 1 。由于砂池的尺寸限制，实验并没有取得比较 好的隔振效果。 文献【2 3 填体介绍了洛阳某研究所一大型精密试验室的隔振设计。该工程利 用了支撑建筑物的多捧桩基为隔振屏障，为了增加隔振的效果，外围桩设置为 直径为1 1 4 米的空心桩，内侧布置直径为0 4 米的实心桩。结果表明多排桩 屏障隔振能够起到一个整体屏蔽作用，桩的排数越多，屏障的厚度就越大，隔 振的效果也就越好，而桩的捧间距对隔振的影响不大。 谢伟平等在中南剧场隔振措施分析中提出了三种隔振方案，通过有限元软 件a n s y s 进行分析，认为连续墙加减振材料屏障，能够取得较好的隔振效梨5 3 1 。 1 3p c c 桩技术简介 现浇混凝土大直径管桩( c a s t i n s i t uc o n c r e t et h i nw a l lp i p ep i l e ， 简称p c c 桩，专利号：z l 0 1 2 7 3 1 8 2 x 、z l 0 2 11 2 5 3 8 4 ) 是河海大学岩土工程研究 所刘汉龙教授等人开发的大直径振动沉模现浇管桩。p c c 桩吸收了预应力管桩和 振动沉管桩的技术优点，施工工艺简单，可操作性强，便于质量控制、监督。同 时该桩桩身强度高，直径大，有效施工深度可达3 0 米以上，非常适合对屏障深度 要求较大的隔振工况。 振动沉模现浇混凝土大直径管桩技术，采取振动沉模，自动排土、现场灌注 混凝土而成管桩，具体步骤是依靠沉腔上部锤头的振动力，将内外双层套管所形 成的环形腔体，在活瓣桩靴的保护下，打入预定的设计深度，在腔体内现场浇注 混凝土，之后振动拔管，在环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。 第一章绪论 p c c 桩的具体成桩工艺如图1 2 ，包括桩机就位、振动沉模、灌注混凝土、 振动拔管，移机等几个主要过程。在浇筑混凝土的过程中，一边振动一边拔管， 环形腔体模板在振动提拔时，对模板内及注入槽孔内的混凝土有连续振捣作用， 使桩体充分振动密实，增加了浇筑混凝土的密实度，提高桩身的质量。 ， lj ， ，弋，l _ 、 j f 7 7 甬 鼬嫩能8 ， ， 、 越 鬣动静街 浇 e 烈凝e 鬣硇援漪 威蚀 图1 2l c c 桩施工流程示意图嘲 嘲 对于这种新桩型，河海大学刘汉龙课题组对p c c 桩进行了大量的现场试验、 室内模型试验、解析理论计算、数值分析等方面的相关研究。 文献8 川给出t p c c 桩复合地基的设计和监测方法，并提出t p c c 桩的承载 力有外侧摩擦力和桩端阻力两部分组成，而由桩心土土塞效应形成的内摩阻力设 计时则不计入极限承载力的计算。 费康考虑了桩心土的土塞效应，认为桩心土与桩壁的内摩擦力对桩的承载力 也有贡献【蜘。 张晓建等通过模型槽试验，分别对p c c 桩的负摩阻力进行分析，认为桩的内 摩擦力是存在的，而桩心内部不产生负摩阻力1 5 5 1 。 刘汉龙、杨寿松、戴明在现场对p c c 桩的施工方法、承载力特性以及加固后 地基特性进行研究，并进行了小应变测试、静载荷试验和现场开挖等检测分析， 为p c c 桩的设计、施工和检测建立了一套有效的方法【孤5 7 1 。 温世清分析了褥垫层和p c c 桩共同作用的桩土应力比，得到了简化的p c c 桩 复合地基的沉降计算公式【5 3 1 。 马志涛对p c c 桩的水平受力特性进行试验研究和分析，实验结果表明p c c 桩 具有较好水平变形能力，桩的变形仍集中在桩的上部，具有一般桩的工作特性绷 张波应用大型商用有限元软件a d i n a 模拟、分析了p c c 桩复合地基桩土力学 9 列彝大学硕士学位论文 性状，研究了现浇混凝土大直径管桩复合地基桩土应力比及荷载传递特性，并且 将p c c 桩与灌注桩力学性状进行对比研究，认为相同有效截面积、桩长的不同桩 型，p c c 桩的承载力强于普通灌注桩嗍。 朱小春分析p c c 桩复合地基动力特性，根据力学原理对p c c 复合地基进行简 化，建立二维简化分析模型，通过有限单元法研究了桩的不同影响因素对p c c 复 合地基抗震性能的影响”。 从以上的文献可以看出，目前对p c c 桩的研究主要集中在单桩和群桩复合地 基的竖向和水平向承载力性能的研究，得出p c c 大直径管桩增加了桩土的接触 面，具有良好的承载能力；不过对于p c c 桩在振动条件下的响应特性则鲜有涉及。 本文将p c c 桩作为一种非连续屏障体，研究其在振动场地条件下对振动波的屏障 特性，分析p c c 桩的整体隔振性能。 1 4 存在的问题 屏障隔振起源于国外，目前已经引起了国内的重视，早期的研究重点主要 放在连续屏障隔振，随着城市化进程的发展，场地的限制等原因，近年来大家 更多的关注非连续排桩隔振的研究，已有的研究表明，非连续排桩隔振能够降 低屏障后屏蔽区的振幅，具有良好的应用前景，但是在具体的应用过程中还没 有一套完整的设计规范，需要迸一步的试验和研究，目前屏障隔振的研究主要 存在以下一些问题： ( 1 ) 空沟、填充沟等连续隔振研究比较多，而对桩、孔等非连续隔振研究 较少，而目前的非连续屏障基本都是实心桩。空心桩的研究较少，而有桩心土 的管桩隔振性能研究基本没有，所以对有桩心土的p c c 桩隔振特性需要进一步 研究。 ( 2 ) 数值分析非连续隔振问题时，大多采用二维计算模型，三维的研究较 少，这样就忽略了波在介质中传播时，波在三维空间相互干涉对隔振结果的影 响；室内试验都不同程度的受到尺寸效应的影响，无法完全消除边界条件对试 验结果的影响，因此就不能真实反应屏障后场地的隔振效果。 ( 3 ) 目前隔振的研究主要是从场地中选取几个特征点加以分析，从而得出 整个场地的振幅衰减分布，这种分析过于简单，大多数情况下特征点著不能代 表整个场地的隔振情况，因此就不能保证屏障隔振性能的准确性。 0 第一章绪论 ( 4 ) 对