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。

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。

拱形隔离桩对软土深基坑邻边建筑物的变形隔离效果实测分析

结合上海市密集城区某深基坑工程项目,针对采用拱形隔离桩对邻边老旧砖混建筑物进行保护的问题,采用实时监测手段对基坑围护桩、拱形隔离桩、砖混建筑物的变形规律进行全过程分析,对浅基础砖混结构的安全状态及拱形排桩的隔离效果进行评价。结果表明:①浅基础砖混建筑物的保护标准,应考虑建筑物的既有变形影响,并以附加沉降、整体倾斜、相对挠曲度等指标进行合理确定;②不同基坑部位及不同开挖工况下的隔离效果存在显著差异。其中,基坑中部的隔离效果高于南北两侧角部,最高可达63.23%;浅层开挖的隔离效果高于深层开挖,最后一层开挖较首层开挖的隔离效果高出10%~17%;③总体上软土地层拱形隔离桩的隔离效果可达40%~60%,邻近房屋累计最大变形仅3.65 mm,有效保护了建筑物的安全。研究成果对深基坑设计施工中合理考虑隔离桩的隔离效果具有参考价值。

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。

动力设备扰力下的排桩隔振效果研究

以某中低速柴油机试车过程中的扰力为振源,以某远场精密设备为振动控制对象,采用ABAQUS软件进行有限元分析,研究了有无排桩情况下的振动激励传递特性,并研究排桩系统关键参数对隔振效果的影响。研究结果表明:1)10Hz稳态激励下,设备周边原有的隔振沟发挥了连续隔振屏障的作用,对竖向振动的反射较明显;2)按2倍剪切波长设定排桩与设备隔振沟间距,排桩对基顶的竖向振动可起到隔振效果,但会增加水平向振动幅值;3)增减排桩系统宽度会影响设备基础竖向振动低振幅区的位置和梯度,隔振效果并非随排桩系统宽度的增加而增加;4)排桩靠近设备基础的隔振效果优于靠近振源的方案,当间距为2倍剪切波长时,减振效果显著;5)当桩长为剪切波波长的整数倍时,有较好的隔振效果,但当排桩插入坚固的岩层时,继续增加桩长难以提升隔振效果。所得结论可以供同类振源影响下的远场精密设备振动控制提供参考。

桩身长度对双排桩隔振影响分析

为研究桩身长度对双排混凝土桩隔振作用的影响,实验使用控制变量法,在不同桩身长度下,通过室内场地模拟,得出了以下结论:双排混凝土桩能够有效地隔离振动波,其隔振性能受桩身长度影响较大。在桩前区域,桩长对于其振动影响较小;在桩后区域,隔振效果会随着桩身长度的增加而增加,但在桩长增加相同长度下,其隔振增幅不会随着桩长的提升而大幅提高,在本实验条件下,隔振增幅会随着桩长增加而减少。

列车荷载作用下混凝土排桩主动隔振研究

为了研究混凝土排桩作为地基中主动隔振屏障时,桩屏障后地基深处隔振变化规律,运用有限元软件建立轨道-路基-地基三维模型;以振幅降低比作为隔振效果评价指标,将排桩的桩长、埋深及桩间距作为影响地基深处隔振效果的研究变量,分析结果表明:通过增加桩长、减小埋深以及减小桩间距等方式是降低路基边坡处振动的有效措施;随着桩长增加,地基深度方向隔振效果变好,桩长为15 m时,地基深度方向整体隔振效果已较优;埋深变化对地基深度方向隔振效果影响较明显,埋深越大,地基深处隔振效果越差,当埋深为5 m时,深度方向隔振效果已较差,减小埋深是提升深度方向隔振效果的有效措施;随桩间距越大,地基深度方向隔振效果越差,布置桩时,适当减小桩间距有利于降低列车诱发的深度方向的振动。

不同桩间距对于水平排桩的隔振效果分析

为研究不同桩间距对水平桩的隔振效果,采用控制变量法进行试验。得出以下结论:混凝土桩可以较好地隔离振动。随着振源距离的增加,Ar值逐渐减小,隔振效果明显,但当距离增加到一定值时,隔振效果变弱;不同柱间距的最佳隔振区在450mm~600mm之间。当桩距为120mm时,最佳隔振区Ar值约为0.300;当桩距为150mm时,最佳隔振区的Ar值约为0.405;在200mm处,最佳隔振区的Ar值约为0.488。随着桩间距的增大,最优隔振区域的Ar值增大,隔振效果减弱。

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。

饱和土中排桩对入射S波隔离的三维分析

基于Biot两相饱和多孔介质理论,就饱和土体中排桩对入射S波的隔离效应进行了三维分析。使用坐标转换和Graf加法定理,将某一桩体附近的总波场构造为入射波和所有桩体的散射波之和,通过施加桩土界面处的边界条件,利用不同阶三角函数的线性无关性,得到了问题的解析解。数值算例对排桩后面的饱和土体的竖向位移振幅衰减进行了分析,探讨了入射波频率和桩土弹性模量比等参数对饱和土中排桩隔离效果的影响。与弹性土中的相应结果比较表明:频率较低时,饱和土中排桩的隔离效果和弹性土中较为接近;频率较高时,两者之间的差别有所增大。

饱和土中刚性排桩对平面SV波的隔离分析

在Biot波动理论的基础上,用单排刚性排桩作为屏障,对全空间饱和土中入射平面SV波进行了隔离分析。采用波函数展开法,将散射波的势函数展开成Fourier-Bessel级数的形式,利用一组可以求解多散射问题的圆柱坐标系统和桩土界面处位移连续的条件,以及刚性桩的动力平衡条件,得到问题的理论解。对影响排桩隔离效果的桩间距和饱和土的渗透系数等参数进行了分析,结果表明,桩间距对饱和土中排桩的隔离效果有较明显影响;与弹性土体中排桩的隔离效果相比,饱和土中排桩的隔离效果有所不同,随着饱和土渗透系数的减小,排桩的隔离效果越好。

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。

饱和地基中单排桩远场被动隔振研究

针对均质饱和地基中单排桩远场被动隔振问题,基于饱和多孔介质的边界元法,建立了以薄层法(TLM)基本解作为动力Green函数的饱和土半解析边界元法,该方法可有效分析饱和半空间的动力问题,是解决土-结构动力相互作用问题的一种有效工具。在此基础上,根据排桩与周围土体的邻接条件,推导得到了单排桩对Rayleigh波散射的三维边界元方程;运用上述边界元方程,对单排桩的远场被动隔振问题进行了详细的参数分析。结果表明:单排桩能以一个整体对Rayleigh波进行隔振;增加单排桩的桩长、桩径和桩身剪切模量均能有效提高其隔振效果;减小桩间净距也能够有效提高屏障的隔振效果。

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。

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。

饱和土半解析边界元法及在双排桩被动隔振中的应用

针对均质饱和地基中双排桩远场被动隔振问题,首先,基于饱和多孔介质的边界元法,建立了以薄层法(TLM)基本解作为动力Green函数的饱和土半解析边界元法,该方法可有效地分析饱和半空间的土-结构动力相互作用问题。在此基础上,根据双排桩与周围土体的邻接条件,推导了双排桩对Rayleigh波散射的三维边界元方程;运用上述边界元方程,对双排桩的远场被动隔振问题进行了研究。结果表明:双排桩能够有效地降低屏障后的位移振幅,其隔振效果要优于单排桩;排间净距对隔振效果影响不大,而桩间净距则对双排桩隔振效果起控制作用。

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。

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。

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。

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。