地基中混凝土排桩主动隔振研究

为了探究地基中设置混凝土排桩后,排桩的各参数变化对近场主动隔振的影响规律,在有限元软件中建立与试验场地一致的三维有限元模型,通过计算与分析验证了有限元计算结果的有效性;参考TB 10621—2014《高速铁路设计规范》建立了足尺寸的有限元模型,分析在列车荷载作用下排桩的各参数变化对隔振效果的具体影响规律。研究结果表明:桩长参数对隔振效果影响较为明显,随着参数增大,隔振效果越理想,当桩长参数为10.5以后,继续增加比值,隔振效果提升不显著;随着桩间距参数越大,隔振效果越不理想,较小的桩间距可获得理想的隔振效果;埋深参数对隔振效果影响显著,参数越大,隔振效果越不理想,当参数为3.5时,隔振效果已很不理想,较浅埋深能获得较理想的隔振效果。

轨道交通下层状地基中混凝土排桩隔振效果研究

为了研究在轨道交通荷载作用下混凝土排桩的隔振效果,特建立“车轮-轨道-地基”耦合模型,通过轨道竖向不平顺功率谱建立不平顺轨道并模拟列车在其表面行驶过程,根据控制变量法研究在混凝土排桩几何参数变化的情况下对混凝土排桩隔振效果的影响,通过本文的研究结果表明:混凝土排桩具有一定的隔振效果,随着各个参数的变化其隔振效果也会发生改变;桩长的增加,地基表面和地基深处隔振效果增强;随着埋置深度和桩间距的增加,混凝土排桩的隔振效果均下降,布置混凝土排桩埋深越浅隔振效果越好,布置混凝土排桩越紧密隔振效果越好。在土层的分界面上会出现振动加强的效果,在实际施工中应注意土体分层面带来的影响。

新型空心管屏障隔振效果对比数值研究

为研究新型空心管屏障在工程隔振中的应用价值及对其影响因素进行分析,基于Plaxis3D有限元分析软件,依照已有的模型和现场试验参数建立有限元模型,并采用经过验证的有限元模型进行仿真计算。基于有限元数值分析方法,开展新型空心管隔振效果与已有模型和现场试验中屏障的对比研究;分析单根空心管高度和空心管数量对新型空心管隔振效果的影响。研究发现:新型空心管屏障平均减振系数比填充沟、排桩和波阻板小得多,彼此之间平均减振系数偏差最大可达373%,而与空沟的平均减振系数偏差较小。这一结果表明:新型空心管的隔振效果明显要优于填充沟、排桩和波阻板,而与空沟的隔振效果相接近。此外,还发现在不同的工程条件下,新型空心管隔振屏障的平均减振系数大都在0.3以下,具有很好的隔振效果;且随着空心管数量的增加,空心管的隔振效果也随之提升;在空心管总高度不变的条件下,调节单根空心管的高度对屏障的隔振效果影响很小。

移动荷载作用下层状横观各向同性饱和土中排桩的隔振效应

利用有限元-边界元耦合法评估了移动荷载下层状横观各向同性饱和土体中排桩的隔振效果。利用有限元法将排桩离散成单桩以及桩单元,基于Bernoulli-Euler梁理论得到桩的有限元矩阵方程;在桩-土边界,土体单元与桩单元进行了等节点离散,并以层状饱和地基的解析层元基本解作为核函数,利用边界积分法得到桩-土界面处地基的柔度矩阵;基于两阶段理论,将侧摩阻力响应与移动荷载直接引起的振动进行耦合,结合边界元法得到饱和地基的边界元方程;考虑Bernoulli-Euler梁和土体之间不发生相对滑移和脱开的位移协调条件,耦合有限元和边界元方程,得到排桩的动力响应方程;计算有无排桩隔振下某一观测点的位移,即可结合隔振理论分析排桩的隔振效率。在验证所提方法准确性的基础上,分析了桩长、桩身刚度、移动荷载速度以及横观各向同性参数对排桩隔振效应的影响。结果表明:最优桩长约等于2倍瑞利波长,超过该值隔振效果提高不大;桩与地基的刚度差越大,隔振效果越好;荷载速度超过剪切波速,桩基隔振表现反而更好。

散射型组合周期排桩带隙特性的影响因素研究

为明确散射型组合周期排桩带隙的影响因素及作用机制,在通过相似模型试验进行验证分析的基础上,对散射型组合周期排桩带隙产生机理进行分析,并采用有限元方法研究了不同影响因素下的带隙特征。结果表明:带隙范围内的竖向和横向加速度最大衰减程度分别达到95.9%和87.61%,带隙分布特征与数值模拟结果基本一致;散射型组合周期排桩带隙主要受填充率、周期常数、材料密度、基体弹性模量和晶格类型等因素影响;随着填充率减小和周期常数增大,散射型组合周期排桩更易于获得低频带隙,但带宽变窄;通过减小基体密度或增大散射体密度可获得较大带宽的高频带隙;随着基体弹性模量的增大,带隙的边界频率同步向高频迁移;对于圆形散射体,六角晶格构型的带隙性能整体优于正方晶格。研究结果可为散射型周期排桩优化设计及应用提供参考。

基于最优隔振排桩布局及规格的设计方法研究

基于环境振动给社会带来的恶劣影响,提出一种排桩隔振措施来降低振动污染,通过波散射的三维边界元方程以及单排桩被动隔振边界元方法,确定隔振排桩的排数以及各排的桩长、桩径与桩间净距,以获得最优隔振排桩布局与排桩规格,并达到规定的隔振效果,提高社会经济效益。

空沟、碎石填充沟和排桩隔振效果试验研究

高速铁路、地铁、轻轨等轨道交通迅速发展深入城市内部人群密集地区,对环境产生的振动影响不容忽视。空沟、碎石填充沟和排桩是三种常用的轨道交通隔振措施。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。各组试验除隔振措施外其他条件均完全相同,使不同隔振措施的隔振效果具有较强的可比性,通过比较三种隔振措施与无隔振措施下影响区的加速度衰减率,评价其隔振效果,同时通过三种隔振措施下距离振源不同位置处的加速度比较其隔振效果。研究成果可为轨道交通隔振措施及方案的选取提供依据。

多排桩屏障远场被动隔振分析

视桩为弹性半空间中的异质体,以瑞利波散射的积分方程为基础,首次对多排桩屏障的远场被动隔振效果进行了三维分析。详细讨论了影响隔振效果的几个主要参数,指出非连续排桩屏障隔振起到的是整体屏蔽作用。研究表明,影响多排桩屏障体系隔振效果的厚度主要取决于桩的排数,与桩的截面尺寸关系不大;密布小截面多排桩隔振效果与空沟和填充沟相当;桩的排距对隔振效果影响小;每一排桩的桩间净距是影响隔振效果的重要参量,为了获得满意的隔振效果,应控制相邻桩的桩间距足够小。最后,通过工程实例验证了多排桩的隔振效果。

不同荷载速度下弹性土体中排桩的隔振效果分析

利用Muki和Sternberg的虚拟桩法,分析了不同荷载速度下弹性土体地基中排桩对移动荷载引起振动的被动隔振效果。首先由积分变换推导弹性土体表面受移动荷载的自由波场解、内部受圆形均布简谐荷载作用下的基本解,再根据基本解与桩土变形协调条件,建立了频域内土—桩的第二类Fredholm积分方程。最后通过求解积分方程与相应的积分逆变换得到时间域内评价隔振效果的振幅比。通过与已知文献结果比较,验证本文方法的正确性。数值结果表明:荷载速度对排桩的隔振效果有一定影响:当移动荷载小于土体的剪切波速时,随荷载速度增加排桩的隔振效果会降低,然而当荷载速度大于土体的剪切波速后,部分区域的隔振效果较好。

非连续群桩屏障对平面P、SV波的隔离效应:二维宽频带间接边界积分方程法模拟

采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),对二维非连续群桩屏障对平面P、SV波的隔振效果进行宽频带计算分析。该方法基于单层位势理论,通过在非连续屏障交界面附近引入虚拟波源,分别用以构造散射体内、外散射场,继而由边界条件建立方程并求解得到虚拟波源密度,外部的总波场可由散射场和自由场叠加而得到。精度检验表明,该方法能够精确高效地求解任意排桩的宽频隔振问题。进而以圆柱实心桩为例,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:(1)隔振效果存在最优无量纲频段,宜优化设计桩径和桩间距以达到最佳效果;(2)场地土愈软,隔振效果愈佳。相比P波,SV波对于桩间距更为敏感;(3)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。

三维层状地基排桩远场被动隔振分析

屏障隔振是治理振动污染一种极为有效的手段,被广泛应用到工程实际中,但目前关于屏障隔振的研究主要基于弹性均质半空间条件,而对更符合实际的层状地基屏障隔振问题则鲜有报道,尤其是层状地基中复杂的三维非连续屏障隔振问题。将三维直角坐标下的二次形函数薄层法基本解答代入弹性动力边界积分方程,得到薄层法半解析边界元法,分析不同桩长和不同桩土剪切模量比对排桩隔振效果的影响。结果表明:(1)上软下硬层状地基中的排桩被动隔振,排桩的有效深度为2.5左右,远大于排桩在均质地基中的有效深度1.0;(2)对于上硬下软层状地基,排桩的有效深度为2.0左右,小于上软下硬地基中排桩的有效深度;(3)当桩与表层土剪切模量比5≤G*≤30时,随G*的增加,排桩隔振效果增加明显。

联结式排桩隔振系统及其数值模拟

在低频入射波作用下,传统的自由式排桩结构的隔振效果并不理想。基于此,提出了一种新型的排桩隔振结构,即联结式排桩,并建立了数值模型对其隔振效果进行数值模拟。为了建立联结式排桩的隔振计算模型,利用序列Fourier变换及边界元方法,建立了波数域内桩–土耦合的边界元模型。基于上述边界元模型,利用桩顶和梁端的联结条件,波数域内的周期性条件及上部联结梁的传递矩阵,建立了波数域内联结式排桩的计算模型。对排桩波数域内的解进行序列Fourier逆变换,即得空间域内排桩的解。基于所建立的模型,本文研究了在圆形载荷作用下,单排及双排联结式排桩的隔振效果。数值结果表明,联结式排桩的隔振效果要明显优于自由式排桩,因此,联结式排桩是一种更为有效的隔振设施。

铁路排桩隔振效果实测分析

利用排桩隔振屏障隔离列车运行产生的振动是治理铁路环境振动的有效手段。本文结合排桩隔振的工程实例,实测了距离铁路不同距离处排桩的隔振效果,分析了隔振效率和隔振特性,同时对排桩排数对减振效果的影响进行了实测和分析。研究成果可为通过排桩隔振屏障治理铁路环境振动的相关工程提供技术参考。

多排任意排列的弹性桩屏障对平面P波或SV波多重散射

提出可计算任意排列、任意圆截面多排弹性桩屏障对平面P波或SV波的多重散射理论方法,可弥补单重散射假定只在散射体截面尺寸相对入射波长可忽略情况下成立的不足,并考虑桩与桩间互相干涉现象。散射过程定义任意一弹性桩对入射P波或SV波的散射为第一重,第二重散射可将第一重散射波作为次生波源,继而对所有散射体皆遵循此过程;每一重散射均在桩土边界满足应力及位移连续条件,从而获得前一重与后一重散射的波函数迭代关系;总散射波场可由所有散射体各重散射叠加获得。数值计算考查相同截面多排桩屏障的散射重数、桩距、排距、桩土模量比等参数对屏障隔离效果影响。该方法可作为实际工程隔振设计理论参考依据。

多排桩非连续屏障对平面弹性波的隔离

假定桩体的长度远大于直径,将多排弹性桩组成的非连续屏障对平面弹性波(P波和S波)的隔离简化成弹性波多重散射的二维平面问题,运用复变函数的保角映射方法和波场势函数展开法,根据桩体与周围土体介质完全联结(即应力和位移连续)的边界条件,得到散射和折射波场势函数展开式的待定复系数的理论解;通过分析位移比值(屏障后土体内某点由入射波和散射波产生的总位移与入射波单独产生的位移之比)的变化规律,对比单排、双排和3排桩屏障的隔离效果。研究结果表明:(1)当屏障的整体宽度和每排的桩数相同时,多排桩屏障对P波、SH波和SV波的隔离效果都随着桩排数的增多而提高;(2)当屏障整体宽度和桩总数相同时,紧密布置的单排桩对P波、SH波和SV波的隔离效果都比交错布置的双排桩更有效;(3)多排桩屏障对SH波和SV波的隔离效果比P波要好。

非连续屏障对Rayleigh波宽频散射三维快速边界元模拟

基于单层位势理论,将快速多极子-间接边界元方法(FMM-IBEM)拓展到弹性半空间群桩对弹性波的宽频散射求解,进而研究了Rayleigh波入射下多排桩屏障体系的隔振效果。数值试验表明该方法能够大幅度降低常规IBEM计算所需的存储量和计算量。针对典型算例,讨论了单排桩净距、排桩桩长、场地波速、排桩排数及多排桩之间净距对Rayleigh波的屏障效应。结果分析表明:排桩排数是影响多排桩隔振效果的主要因素,而多排桩之间的排距对隔振效果影响较小;桩间净距和桩长是影响单排桩隔振效果的重要参数,桩距在0.1倍~0.3倍Rayleigh波波长,桩长大于1倍波长时即可取得较好的隔振效果;对于不同的场地,场地土越软,排桩隔振效果越好。对低频波隔振宜采用多排桩进行隔振。

饱和土体中排桩对移动荷载的被动隔振效果分析

利用Muki和Sternberg的虚拟桩法,研究了饱和土体地基中排桩对移动荷载引起振动的被动隔振效果。隔振桩作为一维杆,饱和土体满足Biot理论。利用已有的移动荷载作用下的饱和土体的自由波场解及饱和土体内部受竖向圆形分布荷载作用下的基本解,建立了频域内土-桩的第2类Fredholm积分方程。通过Fourier逆变换得到时间域内评价隔振效果的振幅比。与已知文献结果相比较,验证了方法的正确性。数值结果表明,荷载速度对排桩的隔振效果有一定影响,即在相同隔振系统情况下,单排桩对低速荷载引起振动的隔振效果比高速移动荷载效果好。同时,较高速时的最佳桩长比低速时要短。

饱和土体中空心管桩屏障对P_1波的隔离

假定空心管桩的长度远大于直径,将单排空心管桩组成的非连续屏障对平面P1波(压缩快波)的隔离简化成弹性波多重散射的二维平面问题,采用波函数展开法和Graf加法定理,根据桩-土界面处完全联结(应力和位移连续)和管桩内壁完全自由(应力为零)的边界条件,得到势函数展开式中待定复系数的理论解,通过分析位移比值(屏障后某点由入射和散射弹性波产生的总位移与入射弹性波单独产生的位移之比)的变化规律,分析了不同频率和管桩壁厚对隔离效果的影响,研究结果表明:①饱和土体中单排空心管桩屏障对高频入射平面P1波的隔离效果好于低频入射平面P1波;②随着管桩壁厚的减小,隔离效果明显提高,当管桩壁厚较薄时,在屏障后一定区域内,隔离效果分别超过了70%(高频入射P1波)和50%(低频入射P1波),隔离效果比较理想。

单排弹性空心管桩屏障对平面P波的隔离

由于桩体的长度远大于直径,因此将单排弹性空心管桩构成的非连续屏障对平面P波的隔离问题简化成二维平面问题,采用波函数展开法和Graf加法定理,根据桩-土界面处完全联结和管桩内壁完全自由的边界条件,得到了问题的理论解.引入无量纲位移和透射系数等概念,通过数值计算,分析了弹性空心管桩的壁厚、桩土模量比、管桩间距和管桩数量对屏障对平面P波隔离效果的影响,结果表明:隔离效果随着管桩壁厚和桩间距的减小而提高;隔离效果随着桩土模量比的增大而提高,但当桩土模量比大于500后,隔离效果提高不明显,此时可等价为刚性管桩屏障;随着管桩数量的增多,最佳隔离区域在增大,最佳隔离位置在前移,最佳隔离效果也有所提高.这为非连续屏障的隔振设计提供了理论依据.

层状饱和土体中排桩对简谐荷载隔振效果分析

根据Biot理论,利用已有的传递、透射矩阵法得到层状饱和土体内部受竖向圆形分布荷载作用下的基本解,再由Muki虚拟桩法,建立了频域内层状土-桩的第二类Fredholm积分方程。通过离散方法求解积分方程,得到了评价隔振效果的振幅比。与已知文献结果比较,验证了方法的正确性。数值结果表明:对于同种类型的振源,采用相同的隔振系统,在上软下硬的多层土体中的隔振效果比在上硬下软的土层中要好。采用较长的桩或刚度较大的桩,或桩之间的距离加密都可得到好的隔振效果。