[发明专利]联结式排桩隔振结构

说明书

技术领域

本发明提出了一种用来隔振的新型桩基础结构，即联结式排桩，并利用Floquet变换及边界元方法建立了该新型桩基础隔振结构的周期性边界元模型。

背景技术

进入二十一世纪，中国的高速铁路、高速公路、地铁和轻轨等现代交通设施迅速普及，相应地，上述交通设施所引起的振动问题也引起工程界的广泛关注；与此同时，由于机器振动、爆破和打桩等施工活动所引起的振动问题也日益严重，对人们的日常生活带来了很多不便。因此，提高各类隔振设施的隔振效果对人们的生产和生活具有重要意义。

排桩是一种新型的隔振结构，由于其布置不受地下水位和土体稳定性的影响，因此，目前排桩隔振结构越来越受到土木工程师的重视。排桩隔振的主要原理是通过控制弹性波的传播途径来实现被动隔振，即利用排桩屏障的反射和散射功能来阻碍各类弹性波在土体内的传播，以实现隔振的目的。值得指出的是现有的关于排桩隔振的研究，均采用普通形式的排桩，即桩顶无任何约束的自由式排桩。已有的研究表明，在低频弹性波入射的情况下，自由式排桩的隔振效果并不好。因此，提高排桩的隔振效果仍然是一个值得深入研究的课题。此外，在已有的研究中，由于受计算机容量的限制，均把排桩简化为有限的几根桩，显然，这与工程实际中包含数十甚至上百根桩的排桩隔振系统不符合。由于隔振数值模拟中采用的桩数量对其隔振效果有明显的影响，因此，用少数几根桩来模拟排桩隔振系统有其局限性。由于对排桩隔振的数值模拟是一个三维动力问题，所以，当采用有限元或边界元等数值方法来模拟排桩隔振时，计算时间及对计算机内存的需求会随桩数的增加而呈指数式增长。因此，发展适合桩数很多的排桩的数值计算模型对排桩的隔振设计具有重要意义。

发明内容

为了提高排桩的隔振效果，本发明提出了一种新型的桩基础隔振结构，即联结式排桩隔振结构（单排、双排及三排），该结构能够有效地提高相同条件下排桩的隔振效果。

本发明所提出的联结式排桩隔振结构，排桩沿桩的走向具有周期性，即排桩中的各桩沿桩走向保持固定距离，该固定距离称为排桩的周期，各排桩沿排桩走向相互间保持一定距离的相对错动，排桩中的桩可以是各种类型的桩，如：预制或钻孔灌注桩，同一排桩中的各桩为具有相同几何及材料参数的任意截面混凝土桩，属于不同排的桩则可有不同的几何及材料参数。图1，图2和图3分别给出了单排，双排及三排联结式排桩隔振结构的俯视图。排桩中的各桩桩顶通过周期性联结梁固定联结，所有通过沿走向平移周期整数倍能相互重合的联结梁称为一组联结梁，例如：在单排桩中有一组联结梁（图1），双排桩中有四组联结梁（图2），而三排桩中则有七组联结梁（图3），属于相同组的联结梁有相同的几何及材料参数，属于不同组的联结梁则可有不同的相应参数。

本发明还涵盖联结式排桩隔振结构的计算模型，利用该计算模型和相关软件可对桩基础的几何及材料参数，混凝土联结梁的几何及材料参数进行优化设计。

本发明所提出联结式排桩隔振结构，其计算模型涉及如下步骤：

步骤1：运用Floquet变换及边界元方法，分别建立波数域内桩、土边界积分方程表达式。

步骤2：利用边界元方法分别对波数域内桩、土边界积分方程进行离散，并对桩、土所有代表性元胞的边界单元进行积分，得到波数域内桩、土边界元列式。

步骤3：利用波数域内桩、土边界元列式及桩土位移和面力的连续性条件，得到耦合的桩土周期性边界元模型。

步骤4：运用传递矩阵方法，对上部联结梁进行处理，并利用桩顶和梁端耦合条件及周期性条件，建立联结式排桩隔振结构的计算模型。

本发明在相同条件下可有效降低幅值比(幅值比是指采用排桩隔振结构后半空间表面某点垂直位移的振幅与没有隔振结构存在时自由波场所对应的垂直位移振幅的比值)，提高排桩的隔振效果。

附图说明

图1为单排联结式排桩隔振结构俯视图。L为单排联结式排桩隔振结构的周期，即排内相邻桩的桩间距。

图2为双排联结式排桩隔振结构俯视图。L为双排联结式排桩隔振结构的周期，即各排内相邻桩的桩间距，各排的相邻桩桩间距相同；d_R表示双排联结式排桩隔振结构中的排间距；d_s表示双排联结式排桩隔振结构中两排桩间的相对错动距离；①，②，③，④表示四组联结梁中的代表性梁。