饱和地基中深源人工振动问题与隔振研究

Artificial vibration has detrimental affects on peoples' normal work and life. It's one of the vibration pollution objects that are prevented and controlled. Using theoretical analysis, numerical method and field testing, the subject will research the vibration on the surface in saturated ground due to various deep artificial vibrations. The relationships between the vibration and properties of ground soil, such as layer distribution, shear modulus, and saturation etc., and vibration source will be explored. Furthermore, the influence originated from the topography of site will be studied. The key factors that have significant impact on the vibration will be analyzed. Based on the results mentioned above, a series of countermeasures involved in vibration isolation will be presented, which are benefit to reducing the vibration. The results obtained from the subject will be helpful to evaluating correctly the hazards from deep artificial vibration, solving the problems in aspects of environment vibration that are induced by deep artificial vibration, and deepening the recognitions of vibration mechanism in saturated ground.

人工振动有一定危害性，它影响人们的正常生产与生活，是振动污染防治对象之一。本课题拟通过理论解析、数值分析与现场测试相结合的方式，研究饱和地基中各类深源人工振动(如冲击成孔、爆炸扩孔等)所引起的地表振动，探讨地表振动与地基土特性(分布、刚度、饱和度等)、震源之间的关系，探讨场地地形对地表振动量的影响，分析决定地表振动的关键性因素，从而提出一系列有助于减小振动的隔振对策。项目的研究成果将有利于正确评估深源振动的危害，解决深源人工振动所带来的环境振动问题，并加深饱和土场地中振动机理的认识。

本课题基于波动理论，主要通过理论解析、数值分析与现场测试相结合的方式，研究饱和地基中人工振动所引起的地表振动问题。采用Fourier变换、Hankel变换，将二维波动方程、轴对称坐标下的方程分别转化为一组常微分方程，求解后可得到位移与孔隙水压力通解，进而结合地基边界条件，在变换域上得到了位移解答，并进一步推导了其无量纲形式的解。在弹性介质中，提出了一种采用分向插值的技术的新型动力无限元，推导了这种无限元的形函数，建立了完全解析形式的刚度矩阵，以提高计算效率。针对饱和介质的动力问题，提出了一种新型的无限单元，在波传播方向与垂直于传播方向的横向分别采用了不同的插值函数。推导这种无限元的形函数，并得出其完全解析的单元动刚度矩阵。选址深圳某项目工地，对场地进行了较为详细的勘察工作，以4.5T重的冲击锤在地层中冲击饱和土层，采用32通道数字采集器对地面上不同位置的振动量时行了实时测试，分析了测试结果，得到了一些地表振动传播的基本规律。建立了基于Biot波动方程的三维显式有限元计算方法，分析饱和地基中低承台桩基在简谐荷载作用下，桩基对桩周地表土振动的影响，采用1/3倍频程分析技术评价地表的振动量级，分别探讨土骨架的剪切模量、激振频率、承台板埋深和平面尺寸的影响规律，结果表明：低承台桩基会加大承台周围土体的水平、竖直振动；从减小水平向振动来考虑，承台埋深比宜取0.4~0.5, 承台板厚宜取较大值；从减小竖直向振动来考虑，承台埋深及承台板厚的取值与土骨架剪切模量有关，建议承台无量纲板宽取0.5；桩基在较低频率荷载作用下对地表振动的放大作用要比较高频率荷载作用强。课题组组织参与国内学术会议4次；发表核期刊论文2篇，其中EI检索杂志1篇；项目执行过程中培养本科生科研技能7人次；项目依法依规使用科研经费合计44.2685万元，目前尚有余额25.7315万元。