周期性排桩与防波堤在土木工程减振中的应用研究

  6.5 数值算例及验证
  6.6  小结

  本文在排桩和周期结构的研究基础之上，提出了周期性排桩和周期性波屏障的概念。周期结构中存在衰减域，频率落在衰减域范围内的振动传播时会被抑制，为结构减振（震）提供了一种新的技术途径。另外，在非衰减域的某些频率下，振动的传播具备方向特性，形成振动盲区。利用振动盲区，可以进一步拓宽周期结构的应用范围。排桩是土木工程中最常见的结构形式之一，也是减振措施中主要方式之一。排桩在实际工程中常常以多排、等间距形式布置，因此，排桩具备设计成周期结构的工程条件。将周期结构的设计理念引入到排桩设计中，将两者有机结合具有重要的理论和工程应用价值。本文以周期结构中定理为理论基础，研宄了周期实心排桩结构、周期空心排桩结构、周期填充排桩结构、周期分形排桩结构和周期性波屏障对各种体波的散射，深入分析了各类排桩结构对体波的隔离效果，并和其他作者的试验结果进行了对比，为周期排桩结构的实际应用提供了严格的理论支持和更加完善的机理解释。现将本文的主要研究内容和结论归结如下：利用改进的平面波展开法和有限元法，计算了基于布拉格散射机理的周期实心和空心排桩的面内衰减域和面外衰减域，并对衰减域的主要影响因素进行了系统分析，最后从数值上进一步说明了衰减域的减振特性。主要结论为：①通过合理设计的实心桩和空心桩都存在衰减域，频率在衰减域范围内的振动存在较强衰减，而频率在衰减域之外的振动没有衰减，符合周期结构中振动的传播特性。②布置在软质土中并具有较大周期常数的周期性排桩，易于获得较低起止频率的衰减域。同时，具有较大填充率的周期性排桩或者是特殊构造的周期性排桩，比如六边形和长方形构造，有利于获得较宽的衰减域。③在实际工程中，一般当桩的排数大于三时，衰减域的特性就能明显地体现出来，振动衰减量基本能达到并且振动的衰减幅度随着排数的增加而增大。④在使用空心桩的情况下，当桩的内半径小于倍的外半径时，内半径对衰减域的影响较小。⑤工程中普通尺寸的排桩较容易隔离环境振动中的中频成分，对于低频成分，普通尺寸的周期实心和空心排桩难以获得良好效果。利用平面波展开法、改进的平面波展开法和有限元法，计算了周期填充排桩的面内衰减域和面外衰减域，并对布拉格散射型和局域共振型两种周期填充排桩进行了机理分析，同时对衰减域的主要影响因素进行了系统分析，最后从数值上说明了利用组合原理获得更宽局域共振型衰减域的可行性。主要结论为：①在硬质场地中，由柔性填充物组成的周期填充排桩能产生很低起止频率的衰减域，这是实心桩和空心桩难以实现的。②保持含柔性填充物的周期性排桩的厚度不变，增加桩的外半径，容易得到更低起止频率的衰减域和更宽的衰减域，有利于低频减振的实现。③分析了局域共振型和布拉格散射型周期填充排桩的衰减域机理，为填充排桩的应用提供了一定理论解释。④利用粘弹性边界条件和相应的波动输入方法，可以精确地模拟波动的输入。利用有限元法，计算了周期分形排桩的面内衰减域和方向传播特性，研究了不同代数和不同构造的周期分形排桩的衰减域特性，并且从数值上说明了周期分形排被对振动的衰减效果和方向传播特性。主要结论为①较高代数的周期分形排桩，有利于产生方向衰减域和完全衰减域。②提高周期分形排桩的填充率，有利于获得更多的方向衰减域和完全衰减域，并且衰减域的宽度也得到增加。③在非衰减域的某些频率下，周期分形排桩存在方向传播特性，利用群速度图可以有效分析周期分形排桩的方向传播特性。④利用振动盲区可以实现对特定方向上弹性波的衰减，进而拓宽周期性排桩的应用范围。利用有限元法，计算了三维周期性波屏障的衰减域，分析了影响衰减域起始频率、截止频率和宽度的主要因素，并从数值上说明了这种三维周期性波屏障对列车振动和地震动都具有衰减功能，而且特别地，周期性波屏障对空间任意角度入射的弹性波（比如列车振动和地震动）都具备相同的衰减能力。主要结论为：①使用高密度的芯体、较软的橡胶包裹材料以及增加填充率，有利于获得低起始频率的衰减域。②使用高密度的芯体、增加填充率以及增加芯体的尺寸，有利于获得更宽的衰减域。③周期性波屏障具备三维减振（震）能力，对落在衰减域范围内的波动，其水平和竖向分量都有很大衰减。本文的研究成果具备一定的理论和工程意义，但是由于时间有限，很多方面的研宄不够全面，有些工作并未涉及，有进一步发展和完善的需要。下面，结合本文的不足，提出一些可以进一步研宄的问题：由于试验条件的限制，本文未对提出的周期性排桩和周期性波屏障进行现场试验研究。仅对衰减域的存在性和有限周期结构的衰减特性与其他作者的试验和理论结果进行了对比。在条件允许情况下，可以对周期性排桩和周期性波屏障进行实验室模拟或者系统地进行现场实测，以便对理论研究进一步验证。由于弹性波在周期介质中传播的复杂性，本文主要针对体波进行了研宄，在求解衰减域时，假设桩是无限长的，与工程实际存在一定差距。在接下来的工作中，作者将研宄有限长的周期性排柱的面波特性。本文将土体假设为线弹性、无阻尼介质。由于夭然土体多数处于饱和、非饱和以及成层状态，因此进一步将讨论更为复杂的土体本构模型，使典型单元的模型更接近实际工程情况。本文还处于将周期性排桩和周期性波屏障引入到土木工程中的探索阶段，许多参数的选取以及施工条件的考虑都未加详尽。下一步可以考虑更加具体的工程条件，设计出合理完善的周期性排桩和周期性波屏障。