多排空心管桩屏障三维隔振机理的理论分析与试验研究

选取远离振动干扰的空旷区域作为现场隔振试验场地，按照柱腔→空沟→空心管桩的顺序建立非连续屏障和连续屏障，在屏障后布置三向加速度传感器，人工制造不同吨位的冲击荷载和不同频率的重交通荷载，测试加速度场进而对比多排空心管桩与空沟和多排柱腔的隔振效果，验证和修正Woods等人提出的经验公式；将空心管桩简化为Euler-Bernoulli梁，运用复变函数的保角映射方法和波场的势函数展开法从理论上求解多排空心管桩屏障对体波（P波和S波）的二维隔离问题和对面波（R波）的三维隔离问题，分析管桩间距、长度、壁厚、刚度、整体宽度和土体阻尼等因素对隔振效果的影响；采用有限元软件ABAQUS从数值上模拟多排空心管桩屏障对冲击荷载和交通荷载的隔振机理；最后以现场试验结果为基准，修正理论求解和数值模拟过程中的各种假定，完善理论公式和计算程序，并将相关研究由弹性土体推广到饱和土体。

通过试验、理论与数值模拟相合的方式对连续屏障（空沟）和非连续屏障（多排柱腔、多排实心桩、多排空心管桩）的隔振效果进行了对比分析。选取远离振动干扰的空旷区域作为试验场地，建立了空沟、双排柱腔、双排混凝土屏障，在屏障后布置三向加速度传感器，采用FWD制造不同吨位的冲击荷载，测试了屏障后的加速度场，对比了三种屏障的隔振效果，结果表明：在深度和屏障整体宽度都相同的情况下，空沟>双排柱腔>双排混凝土桩；运用复变函数的保角映射方法和波场的势函数展开法建立了多排空心管桩对振动波隔离的理论解答，分析了入射频率、屏障的整体宽度、桩土模量比（即刚度比）、管桩壁厚等参数对隔振效果的具体影响，并与多排柱腔、多排实心桩的隔振效果进行了对比，结果表明多排薄壁管桩的隔振效果接近多排柱腔，是软土场地（空沟开挖的难度较大）进行隔振设计的首选；以现场试验结果为校核基准，运用有限元软件ABAQUS从数值上模拟了非连续屏障（多排柱腔、多排实心桩、多排空心管桩）对冲击荷载的三维隔振，着重分析了非连续屏障的深度和土体阻尼系数等对隔振效果的影响，并与空沟的隔振效果进行了对比；借助修正的Biot饱和土理论，建立了饱和土体中多排桩和多排空心管桩屏障对振动波隔离的理论解答，分析了入射频率、屏障的整体宽度、桩土模量比（即刚度比）、管桩壁厚等参数等对隔振效果的影响。