【摘要】：排樁隔振在土木和交通工程等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,而應(yīng)用周期結(jié)構(gòu)理論研究排樁的動力特性進(jìn)而合理設(shè)計排樁屏障,是近年來新的研究課題。已有研究表明,合理設(shè)計的單相土中的周期排樁屏障存在衰減域,周期排樁對頻率處于衰減域內(nèi)的彈性波具有明顯的隔離作用。然而,實際工程中有很多情況,地基土體處于地下水位面以下,土體更接近于飽和土,因此,研究飽和土中周期排樁屏障的減振特性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。本文基于周期理論,采用數(shù)值模擬以及與其他研究者試驗結(jié)果相對比的方法,研究了飽和土中周期排樁的衰減域及減振特性。本論文主要研究內(nèi)容安排如下:第一章為緒論。首先介紹了本論文研究的背景和意義,而后分別針對排樁減振、周期結(jié)構(gòu)相關(guān)知識、基于周期理論的排樁減振等內(nèi)容做了介紹,特別是介紹了上述各方面的研究進(jìn)展,最后簡要介紹了本論文的主要研究工作和創(chuàng)新點。第二章為基本理論。首先介紹了飽和土中Biot波動方程的幾種形式,而后介紹了周期結(jié)構(gòu)的基本理論特別是邊界處理方法,最后介紹了COMSOLPDE有限元法的基本原理,為開展本論文的具體研究工作做了準(zhǔn)備。第三章為單相土中周期性排樁的減振特性研究。為探索COMSOLPDE法用于研究樁-飽和土周期排樁動力特性的可行性,作為飽和土的特例,首先利用該方法研究了單相土中周期排樁的減振特性。將樁-單相土周期結(jié)構(gòu)的本征方程和頻域、時域控制方程寫入PDE模塊,開發(fā)了求解理想周期排樁衰減域和有限周期排樁動力響應(yīng)的新模塊。除成功求解了理想周期排樁的衰減域、對影響衰減域的主要因素進(jìn)行分析外,還通過建立含有限排數(shù)的樁-單相土周期排樁的二維和三維數(shù)值分析模型,完成了頻域和時域響應(yīng)的數(shù)值分析,為將COMSOLPDE法用于研究飽和土中周期排樁的減振特性奠定了基礎(chǔ)。第四章為飽和土中周期性實心排樁減振特性研究。首先將樁-飽和土周期結(jié)構(gòu)的本征方程和頻域控制方程寫入PDE模塊,開發(fā)了求解飽和土中理想周期排樁衰減域和有限周期排樁動力響應(yīng)的新模塊,求解了飽和土中理想周期性實心排樁的衰減域,并對影響衰減域的主要因素進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,通過建立含有限排數(shù)實心樁的二維和三維數(shù)值分析模型,對實心樁的減振效果進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了排樁位置、樁的排數(shù)和樁長等對減振效果的影響規(guī)律。第五章為飽和土中周期性空心排樁減振特性研究。首先開發(fā)了新�？觳⒉捎肅OMSOLPDE法求解了飽和土中理想周期性空心排樁及填充樁的衰減域,而后借助布拉格散射型和局域共振型衰減域形成機(jī)制,研究了填充率變化對衰減域的影響并揭示了衰減域的形成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建立飽和土中含有限排數(shù)周期性空心排樁的二維和三維數(shù)值分析模型,完成了數(shù)值分析,揭示了排樁排數(shù)及樁長等主要參數(shù)對減振效果的影響。第六章為飽和成層土中周期性排樁減振特性研究。首先依據(jù)復(fù)合材料均勻化理論,建立了求解樁-飽和成層土理想周期結(jié)構(gòu)衰減域的簡化分析模型,進(jìn)而通過開發(fā)新模快并采用COMSOLPDE法求解了衰減域。在此基礎(chǔ)上,通過建立三維有限周期排樁-飽和成層土結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型,對飽和成層土中周期排樁的減振效果進(jìn)行了研究,討論了土層厚度、密度、剪切波速等對減振效果的影響,不僅驗證了所提簡化分析模型的合理性,也為成層土中周期排樁工程設(shè)計提供了參考。第七章為結(jié)論與展望。首先全面總結(jié)了本文的研究工作,給出相關(guān)結(jié)論。在此基礎(chǔ)上,指出了本文有待改進(jìn)之處,也對后續(xù)研究工作提出了展望。研究發(fā)現(xiàn):(1)單相土中的周期排樁和飽和土中的周期排樁均可通過合理設(shè)計使其形成衰減域,周期排樁填充率是影響衰減域的主要因素,填充率越大,衰減域的起始頻率、截止頻率越高,衰減域?qū)挾纫沧儗?同填充率下,三角形排列的周期排樁的衰減域起始頻率、截止頻率和衰減域?qū)挾染笥谡叫闻帕邢碌南鄳?yīng)值。(2)飽和土中,周期性實心排樁的衰減域由Bragg散射機(jī)理所控制;隨著柔性材料填充率的增加,周期性填充排樁的衰減域由Bragg散射型過渡到局域共振型;合理設(shè)計的周期性填充排樁可以用于低頻環(huán)境振動的隔離。(3)無論是在單相土中還是在飽和土中,理想周期排樁衰減域范圍內(nèi)的彈性波,在含有有限排數(shù)排樁的相應(yīng)二維和三維數(shù)值模型中都得到了有效衰減,而且三維模型的頻率響應(yīng)曲線收斂于二維平面應(yīng)變模型下的解,二維模型可以用于對三維情況下衰減域的預(yù)測。(4)隨著樁排數(shù)的增加,衰減域范圍內(nèi)的幅值衰減逐漸增大,設(shè)置三排樁就能起到很好的隔振效果;設(shè)置周期排樁高度與平面體波振源深度相同,即可有效隔離衰減域范圍內(nèi)的體波。(5)基于復(fù)合材料均勻化理論提出的飽和成層土中周期排樁的衰減域簡化計算模型,能夠合理預(yù)測衰減域,該衰減域與飽和成層土中通過三維有限周期排樁的數(shù)值模擬得到的振動衰減區(qū)域基本一致;對于樁-飽和成層土周期結(jié)構(gòu),首層飽和土的厚度和軟硬程度對周期排樁結(jié)構(gòu)的衰減域影響較大,當(dāng)土層較軟而厚度增加時,衰減域向低頻移動;首層飽和土剪切波速對周期排樁結(jié)構(gòu)的減振效果有較大影響,當(dāng)剪切波速增加時,衰減域向高頻部分移動,而且減振效果越好。(6)借助本文開發(fā)的模快,利用COMSOLPDE法不僅可以用于單相土和飽和土中理想周期排樁的衰減域計算,還可以用于有限周期數(shù)下排樁屏障減振效果的數(shù)值模擬。本文研究工作,為單相土、飽和土和飽和成層土中周期排樁的減振屏障設(shè)計提供了一種新方法,具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU473.1
【圖文】：

周期結(jié)構(gòu)指由兩種或兩種以上材料構(gòu)成的典型單元（或稱單胞）在空間上呈逡逑周期性重復(fù)排列所形成的結(jié)構(gòu)。它可以是小到幾微米的晶體結(jié)構(gòu)，也可以是大到逡逑幾米，幾十米的土木工程結(jié)構(gòu)，圖１－１給出了幾種形式的周期結(jié)構(gòu)。逡逑周期結(jié)構(gòu)具有一個顯著特征，某些特定頻率的彈性波在周期結(jié)構(gòu)中不能傳播。逡逑在無限周期結(jié)構(gòu)（或稱理想周期結(jié)構(gòu)）中，這些被禁止傳播的彈性波頻率范圍稱逡逑為“帶隙”（Ｂａｎｄ邋Ｇａｐ）。在有限周期結(jié)構(gòu)中，帶隙范圍內(nèi)的波在傳播過程中同樣逡逑會被抑制或削弱，相應(yīng)的周期結(jié)構(gòu)的帶隙被稱為“衰減域”（Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ邋Ｚｏｎｅ）邋［１］。逡逑以下，本文關(guān)于周期排|У難繡持�，草x僨執(zhí)逗退ゼ跤潁吵莆ゼ跤頡ｅ義希ǎ幔╁危ǎ猓╁義希ǎ悖╁危ǎ洌╁義賢跡保奔鋼中問降鬧芷誚峁瑰義希ǎ幔┤庾泳澹ǎ猓┤樵鐘蜆艙裥蛻泳�，（ｃ）鳃Qǎ洌┣帕哄義希疲椋紓澹保卞澹螅澹觶澹潁幔戾澹媯錚潁恚簀澹錚駑澹穡澹潁椋錚洌椋沐澹螅簦酰潁酰悖簦酰潁澹簀澹ǎ幔╁澹簦瑁潁澹邋澹洌椋恚澹睿螅椋錚睿幔戾澹穡瑁錚簦錚睿椋沐澹悖潁螅簦幔歟澹ǎ猓╁澹簦瑁潁澹邋義希洌椋恚澹睿螅椋錚睿幔戾澹簦瑁潁澹邋澹悖錚恚穡錚睿澹睿簦簀澹歟錚悖幔歟歟澹潁澹螅錚睿幔睿翦澹穡瑁錚睿錚睿椋沐澹悖潁螅簦幔歟

本文編號：2770809