橡膠氣囊在地基強夯加固中的隔振效果及隔振參數(shù)優(yōu)化

姚占勇，孫夢林，孔 軍，彭俊強，蔣紅光，李 慧

(1. 山東大學齊魯交通學院，山東濟南 250002； 2. 齊魯交通發(fā)展集團有限公司，山東濟南 250101)

0 引 言

強夯是一種施工方便的地基加固技術(shù)，因其處治地基經(jīng)濟高效，一經(jīng)推廣便受到了工程界的廣泛關(guān)注[1]。地基強夯引起的振動會對周圍建筑物及附屬設施等產(chǎn)生不良影響，因此地基強夯控制問題是制約地基強夯加固廣泛應用的關(guān)鍵因素。

強夯加固地基就是利用巨大的夯擊能，在地基中產(chǎn)生沖擊波和動應力，對地基土進行擠密，提高土的強度并降低壓縮性[2]。強夯與地基的相互作用實際上應視作應力波在地基中的傳播。在夯錘作用于地面的瞬時，沖擊波產(chǎn)生并向外傳播。強夯振動能量在介質(zhì)中擴散形成的波根據(jù)其性質(zhì)不同可分為體波和面波2種[2]。體波又分為橫波和縱波，縱波能在固體和液體中傳播，橫波僅能在固體中傳播。面波僅限于地基表面?zhèn)鞑ァΦ鼗爸車ㄖ锂a(chǎn)生松動影響的主要是橫波和面波[1]。因此，強夯隔振主要是阻隔有害波橫波和面波的傳播。

振動控制的方法主要有降低振源強度、隔斷傳播途徑和保護建筑物等，相應的工程技術(shù)一般為振源減振、設置隔振屏障和進行結(jié)構(gòu)隔振等。在屏障隔振方面，根據(jù)屏障的連續(xù)與否，可將其分為連續(xù)性屏障和非連續(xù)性屏障。常見的連續(xù)性屏障有空溝、填充溝、地下連續(xù)墻等形式；非連續(xù)性屏障則有孔列、粉煤灰樁、混凝土排樁等形式。工程實踐表明：空溝的隔振效果最好，空溝越深，隔振效果越好，但空溝的開挖深度受限制[3-7]。

隔振參數(shù)方面的研究主要通過數(shù)值模擬的方法來分析空溝或填充溝的隔振長度、隔振深度、隔振寬度、隔振距離對隔振效率的影響，如劉奉喜等[8]運用數(shù)值模擬建立了二維路基-地基土動力學模型，證明了隔振溝主動隔振的隔振效果較好，發(fā)現(xiàn)當隔振距離為3 m時隔振效果最好。鄧亞虹等[9]研究認為隔振深度是決定隔振溝隔振效果的首要因素，其次是隔振距離，影響最小的是隔振寬度。楊先健等[10-12]認為適宜的單體屏障間距、合理的屏障深度和長度都可以優(yōu)化隔振效果。許多學者[7，13-24]通過數(shù)值分析的方法，證明影響隔振效果的因素主要是隔振長度和隔振深度，隔振距離和隔振寬度的影響可以忽略。

目前對隔振措施及隔振參數(shù)的研究很多，研究的隔振措施主要是空溝及填充溝，隔振參數(shù)主要是隔振長度、隔振深度、隔振寬度、隔振距離，主要手段是數(shù)值模擬結(jié)合理論分析。本文針對現(xiàn)有隔振參數(shù)研究缺少室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗驗證的問題，并基于強夯振動產(chǎn)生的有害波均不能在氣體中傳播這一機理，設計了一種由PVC塑料軟板和橡膠氣囊構(gòu)成的新型隔振板，采用單因素分析方法分別分析隔振寬度、隔振距離、隔振長度、隔振深度對隔振效果的影響，并優(yōu)化隔振長度和隔振深度2個隔振參數(shù)。

1 橡膠氣囊隔振的室內(nèi)模型試驗

建立室內(nèi)地基強夯橡膠氣囊隔振試驗模型，通過室內(nèi)模型試驗，分析橡膠氣囊的隔振效果，以及隔振參數(shù)對隔振效果的影響，并優(yōu)化隔振參數(shù)。

1.1 試驗參數(shù)、設備及模型組成

1.1.1 試驗參數(shù)

根據(jù)第二相似定理[25]：首先假設某一種現(xiàn)象可以通過含有m個物理量的函數(shù)關(guān)系式表達和說明，如果這m個物理量可以同時被n種基本量綱表示出來，那么便能得到m-n個相似判據(jù)，用函數(shù)關(guān)系式可以將上述關(guān)系表示為

f(X1,X2,…,Xm)=0

(1)

根據(jù)相似定理，選取上述方程中的物理量。本文以粉土為研究對象，影響強夯振動效果的物理量為夯錘落距h、粉土的干重度γd、夯擊能E、錘質(zhì)量M、夯錘底面直徑D、夯錘作用時間T、夯擊次數(shù)N、夯錘下落速度v、夯錘下落加速度a。

函數(shù)形式表示為

f(E,M,D,T,N,γd,h,v,a)=0

(2)

式(2)中共有9個物理量，其中M，D，T為基本量綱，根據(jù)相似第三定理對其余6個物理量進行量綱分析，得到6個量綱一的量π1～π6，即

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

π6=N

(8)

根據(jù)相似原理，可以得到相似指標GE，CM，CD，CN，Cγd，CT，Ch，Cv，Ca滿足

(9)

CN=1

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

為了便于與工程實際相比較，根據(jù)工程中粉土地基常用的強夯施工工藝參數(shù)，確定夯錘質(zhì)量和夯錘底面直徑的相似系數(shù)，可以得到夯擊能的相似系數(shù)和土體干重度的相似系數(shù)。試驗中各參數(shù)的相似系數(shù)設計值如式(15)～(19)所示。

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：MM，MY分別為模型和原型的夯錘質(zhì)量；DM，DY分別為模型和原型的夯錘直徑；TM，TY分別為模型和原型的夯錘作用時間；γdM，γdY分別為模型和原型的粉土干重度；EM，EY分別為模型和原型的夯擊能。

由式(15)～(19)可知，模型夯錘的質(zhì)量縮小至原型的1/1 000，圓柱形夯錘的直徑縮小至1/10，夯擊能縮小至1/10 000，而土的干重度沒有變化，所以在試驗中選用現(xiàn)場的粉土。試驗采用質(zhì)量為20 kg的夯錘，落距為0.75 m，來模擬實際1 500 kN·m工況下的夯擊能。夯錘參數(shù)如表1所示。

表1 夯錘參數(shù)Tab.1 Rammer Parameters

1.1.2 試驗設備

試驗設備如表2所示。

表2 試驗設備Tab.2 Test Equipment

1.1.3 試驗模型的組成

圖1 隔振板示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Vibration Isolation Plate

室內(nèi)試驗模型如圖1所示，是由2塊PVC軟塑料板作為隔振單板，中間填充若干長條狀的橡膠氣囊構(gòu)成。PVC具有較高的抗拉彎、抗壓、抗沖擊能力和良好的耐磨性能，價格便宜，化學性質(zhì)較為穩(wěn)定。橡膠具有優(yōu)良的物理化學特性，如較好的彈性、絕緣性、防水性以及可塑性等。

1.2 室內(nèi)模型試驗的幾何設計及測點布置

為盡可能避免模型的尺寸效應，綜合考慮各種因素，本次試驗選用5 m×3 m×2.5 m的基坑進行強夯隔振的室內(nèi)模型試驗，幾何設計及測點布置如圖2，3所示。

圖2 試驗模型幾何布置(單位：cm)Fig.2 Geometric Arrangement of Test Model (Unit:cm)

圖3 總體布置Fig.3 General Arrangement

加速度傳感器A到夯錘中心的距離為100 cm；加速度傳感器B到夯錘中心的距離為100 cm；加速度傳感器A，B關(guān)于夯錘中心對稱分布。傳感器A測得通道1最大振動加速度；傳感器B測得通道2最大振動加速度。

1.3 試驗實施方案

本次試驗采用質(zhì)量為20 kg的夯錘，落距為0.75 m，來模擬實際1 500 kN·m的夯擊能。為保證土體的壓實度，對路基進行分層填筑并壓實，一層填筑的厚度大概是20 cm，壓實完成后再進行下一層的填筑，共填筑10層，采用TRD-80電動沖擊夯分層夯實。為了消除前期夯擊的影響，每夯完一擊，就對夯擊區(qū)域內(nèi)的土挖開重填。

1.4 室內(nèi)模擬試驗方案

采用單因素分析的方法，依次開展不同隔振寬度、隔振距離、隔振長度、隔振深度的橡膠氣囊隔振試驗，通過檢測隔振板兩側(cè)質(zhì)點振動最大加速度分析橡膠氣囊隔振板的隔振效率，研究不同隔振參數(shù)對橡膠氣囊隔振效率的影響規(guī)律。

根據(jù)已有文獻數(shù)值模擬的結(jié)果，空溝的隔振寬度對隔振效率的影響可以忽略[7，13-24]。本文試驗中，隔振寬度A取較小的2，3，4，5 cm共4種方案。

根據(jù)已有的強夯隔振數(shù)值模擬研究成果，在1 500 kN·m夯擊能條件下，采用氣囊和空溝主動隔振的隔振長度取12～15 m，隔振深度取3.5～4.5 m，隔振距離取3 m時隔振效果較為理想[26-27]。本文試驗取隔振距離為15，30，45 cm，隔振長度為80，100，120，140 cm，隔振深度為20，30，40，50，60，70，80 cm。

試驗方案如表3～6所示。依次固定其他3個隔振參數(shù)，分別進行不同隔振寬度、隔振距離、隔振長度、隔振深度的強夯隔振試驗。

表3 隔振寬度試驗方案Tab.3 Vibration Isolation Width Test Scheme cm

表4 隔振距離試驗方案Tab.4 Vibration Isolation Distance Test Scheme cm

隔振寬度試驗方案中，取固定隔振長度為120 cm，隔振深度為40 cm，隔振距離為30 cm，來分析隔振寬度對橡膠氣囊隔振效率的影響，從而給出較優(yōu)隔振寬度A。

表5 隔振長度試驗方案Tab.5 Vibration Isolation Length Test Scheme cm

表6 隔振深度試驗方案Tab.6 Vibration Isolation Depth Test Scheme cm

隔振距離試驗方案中，取固定隔振長度為120 cm，隔振深度為40 cm，隔振寬度為A，來分析隔振距離對橡膠氣囊隔振效率的影響，從而給出較優(yōu)隔振距離B。

隔振長度試驗方案中，取固定隔振深度為40 cm，隔振寬度為A，隔振距離為B，來分析隔振長度對橡膠氣囊隔振效率的影響，從而給出較優(yōu)隔振長度C。

隔振深度試驗方案中，取固定隔振寬度為A，隔振距離為B，隔振長度為C，來分析隔振深度對橡膠氣囊隔振效率的影響，從而給出較優(yōu)隔振長度D。

2 室內(nèi)模型試驗結(jié)果分析

根據(jù)信號采集系統(tǒng)測得的隔振板兩側(cè)測點的最大振動加速度來分析隔振效率的變化。

2.1 隔振寬度對隔振效率的影響

表7為隔振寬度對隔振效率的影響規(guī)律。將表7的試驗結(jié)果繪成柱狀圖，如圖4所示。

表7 隔振寬度對隔振效率的影響Tab.7 Influence of Vibration Isolation Width on Vibration Isolation Efficiency

圖4 隔振寬度影響Fig.4 Influence of Vibration Isolation Width

由表7、圖4可以看出，隨著隔振寬度變化，隔振效率的波動程度較小，隔振效率均在60%左右，在排除試驗誤差的情況下認為隔振寬度對于隔振效率基本無影響。事實上，橫波和面波不能在氣體中傳播。因此，在隔振參數(shù)選取時，通過增加隔振寬度來提高隔振效率的工程意義不大。此后室內(nèi)模型試驗選用2 cm作為隔振寬度。

2.2 隔振距離對隔振效率的影響

表8為隔振距離對隔振效率的影響規(guī)律。將表8的試驗結(jié)果繪成柱狀圖，如圖5所示。由表8、圖5可知，在振源與兩傳感器測點距離相同條件下，通過變化隔振板的位置來改變隔振距離，隨著隔振距離的變化，隔振效率沒有發(fā)生太大的波動，隔振效率均在60%左右，在排除試驗誤差的情況下，可以認為隔振距離對隔振效率沒有影響。事實上，有害波不能在空氣中傳播，無論隔振距離如何，只要設置橡膠氣囊形成一道空氣屏障，就能起到隔振作用，而與隔振距離無關(guān)。因此，工程中可以根據(jù)施工場地的實際條件來合理設置隔振距離。本次室內(nèi)模型試驗選擇隔振距離為15 cm。

表8 隔振距離對隔振效率的影響Tab.8 Influence of Vibration Isolation Distance on Vibration Isolation Efficiency

圖5 隔振距離影響Fig.5 Influence of Vibration Isolation Distance

2.3 隔振長度對隔振效率的影響

隔振長度對隔振效率的影響規(guī)律如表9和圖6所示。由表9、圖6可知，隨著隔振長度的增加，隔振效率也在增加。當隔振長度從80 cm變化至100 cm時，隔振效率有了大幅度的提升；當隔振長度從100 cm變化至120 cm時，隔振效率增加幅度變緩慢，但仍呈現(xiàn)增加的趨勢；當隔振長度從120 cm變化至140 cm時，隔振效率變化較小，趨于平緩?？梢姶嬖谂R界長度，長度大于該值后隔振效果并不能隨長度的增加而顯著提高。由圖6可知，120 cm為隔振長度的臨界值。本次試驗隔振長度選用120 cm作為最佳隔振長度。

表9 隔振長度對隔振效率的影響規(guī)律Tab.9 Influence of Vibration Isolation Length on Vibration Isolation Efficiency

圖6 隔振長度影響Fig.6 Influence of Vibration Isolation Length

2.4 隔振深度對隔振效率的影響

隔振深度對隔振效率的影響規(guī)律如表10和圖7所示。

表10 隔振深度對隔振效率的影響Tab.10 Influence of Vibration Isolation Depth on Vibration Isolation Efficiency

圖7 隔振深度影響Fig.7 Influence of Vibration Isolation Depth

由表10、圖7可知，隨著隔振深度的增加，隔振效率也在增加。當隔振深度從20 cm變化至40 cm時，隔振效率增加的幅度較大；當隔振深度從40 cm變化至60 cm時，隔振效率增加的幅度變緩慢；當隔振深度從60 cm變化至80 cm時，隔振效率增加的幅度趨于平緩。可見存在臨界深度，深度大于該值后隔振效果并不能隨深度的增加而顯著提高。由圖7可知，60 cm為隔振深度的臨界值。本次試驗隔振深度選用60 cm作為最佳隔振深度。

2.5 隔振長度、隔振深度對隔振效率影響的比較

由室內(nèi)試驗結(jié)果可知，隨著隔振長度和隔振深度的增加，橡膠氣囊的隔振效率都有一定的提高，但是超過隔振長度和隔振深度的臨界值后，橡膠氣囊的隔振效率不再有明顯的提高，此時再通過增加隔振長度和隔振深度的方式來提高隔振效率的工程意義不大。根據(jù)室內(nèi)試驗的相似系數(shù)及圖6，7兩條優(yōu)化曲線可以得出，在實際工況1 500 kN·m夯擊能下的最佳隔振組合應是隔振長度為12 m，隔振深度為6 m，隔振寬度和隔振距離則根據(jù)現(xiàn)場實際情況來選取。

將室內(nèi)試驗中不同隔振長度下和不同隔振深度下隔振效率的結(jié)果繪于圖8。由圖8可知，隔振深度對隔振效率的影響程度要高于隔振長度對隔振效率的影響程度。橡膠氣囊隔振板的隔振效果與隔振板的深度有最直接的關(guān)系。深度較淺的橡膠氣囊隔振板只是將地基表層的面波和淺層的橫波隔離，但橫波是地基在縱波作用下壓縮剪切變形激發(fā)的振動，縱波隨著深度的增加而衰減，橫波也隨之衰減，因此只有隔振深度足夠大，才能取得良好的隔振效果且滿足安全要求。

圖8 隔振長度、隔振深度對隔振效率的影響對比Fig.8 Comparison of Influence of Vibration Isolation Length and Isolation Depth on Vibration Isolation Efficiency

3 地基強夯橡膠氣囊隔振現(xiàn)場試驗

3.1 隔振試驗方案

為驗證室內(nèi)模型試驗中橡膠氣囊良好的隔振性能，按照室內(nèi)模型試驗給出的工況1 500 kN·m夯擊能下的最佳隔振組合：隔振長度為12 m，隔振深度為6 m，布置橡膠氣囊進行現(xiàn)場試驗。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，取隔振寬度為0.3 m，隔振距離為3 m。

此外，為驗證橡膠氣囊的氣壓及其在隔振板中排布的疏密程度對隔振效果的影響，在現(xiàn)場試驗中選取了橡膠氣囊不同的氣壓及疏密程度，具體氣囊布置如圖9所示。

圖9 隔振板氣囊布置Fig.9 Airbag Arrangement of Vibration Isolation Plate

圖9(a)為橡膠氣囊密集布置，每隔4 cm布置1個氣囊；圖9(b)為橡膠氣囊稀疏布置，每隔10 cm布置1個氣囊。氣囊氣壓充足時采用0.12 MPa，氣壓適中時采用0.08 MPa。

具體試驗方案如下：

方案1設置橡膠氣囊隔振板，驗證其隔振效果。同時，按照橡膠氣囊在隔振板中布置的疏密程度、橡膠氣囊氣壓是否充足分為4種工況。工況1：橡膠氣囊密集布置，氣壓適中。工況2：橡膠氣囊稀疏布置，氣壓適中。工況3：橡膠氣囊密集布置，氣壓充足。工況4：橡膠氣囊稀疏布置，氣壓充足。

方案2的隔振參數(shù)與方案1相同，隔振溝回填碎石。

方案3的隔振參數(shù)與方案1相同，采用隔振空溝，由于空溝溝深較大，進行現(xiàn)場試驗時應對空溝溝壁進行固定，防止強夯過程中空溝溝壁坍塌。

3.2 試驗結(jié)果匯總

表11為現(xiàn)場試驗結(jié)果匯總，圖10 為方案1不同工況的隔振效率。由表11、圖10可知，氣囊隔振的隔振效果較好，其隔振效率達到空溝隔振效率的95%左右，且隔振效率明顯高于回填碎石的隔振效率。同時，氣囊的疏密程度和氣囊內(nèi)氣壓大小對橡膠氣囊的隔振效率基本沒有影響，強夯有害波不能在氣體中傳播，只要隔振板有充氣橡膠氣囊形成空氣屏障就能起到隔振效果，與充氣是否充足和氣囊疏密無關(guān)。由于現(xiàn)場試驗條件較室內(nèi)模型試驗復雜，干擾因素也較多，現(xiàn)場橡膠氣囊隔振試驗的隔振效率與室內(nèi)試驗相比有一定的差距。

表11 現(xiàn)場試驗結(jié)果Tab.11 Field Test Results

圖10 方案1不同工況的隔振效率Fig.10 Vibration Isolation Efficiency of Scheme 1 Under Different Conditions

4 結(jié)語

(1)隔振寬度和隔振距離對于橡膠氣囊的隔振效率基本沒有影響，通過加大隔振寬度和隔振距離來提高隔振效率的工程意義不大。

(2)隨著隔振長度、隔振深度的增加，隔振效率也在增加，但二者均存在臨界值，長度或深度大于臨界值后隔振效果提高不明顯。隔振深度對隔振效率的影響程度要高于隔振長度。

(3)在工況1 500 kN·m夯擊能下的最佳隔振組合應是隔振長度為12 m，隔振深度為6 m，隔振寬度和隔振距離根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理選取。

(4)經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，橡膠氣囊的隔振效果較好，其隔振效率達到空溝隔振效率的95%左右，且隔振效率明顯高于回填碎石的隔振效率。氣囊的疏密程度和氣囊內(nèi)氣壓大小對橡膠氣囊的隔振效率基本沒有影響。