饱和土中周期性排桩的减振特性研究
发布时间：2020-07-26 13:18
【摘要】：排桩隔振在土木和交通工程等领域有着广泛应用,而应用周期结构理论研究排桩的动力特性进而合理设计排桩屏障,是近年来新的研究课题。已有研究表明,合理设计的单相土中的周期排桩屏障存在衰减域,周期排桩对频率处于衰减域内的弹性波具有明显的隔离作用。然而,实际工程中有很多情况,地基土体处于地下水位面以下,土体更接近于饱和土,因此,研究饱和土中周期排桩屏障的减振特性具有重要的理论意义和工程应用价值。本文基于周期理论,采用数值模拟以及与其他研究者试验结果相对比的方法,研究了饱和土中周期排桩的衰减域及减振特性。本论文主要研究内容安排如下:第一章为绪论。首先介绍了本论文研究的背景和意义,而后分别针对排桩减振、周期结构相关知识、基于周期理论的排桩减振等内容做了介绍,特别是介绍了上述各方面的研究进展,最后简要介绍了本论文的主要研究工作和创新点。第二章为基本理论。首先介绍了饱和土中Biot波动方程的几种形式,而后介绍了周期结构的基本理论特别是边界处理方法,最后介绍了COMSOLPDE有限元法的基本原理,为开展本论文的具体研究工作做了准备。第三章为单相土中周期性排桩的减振特性研究。为探索COMSOLPDE法用于研究桩-饱和土周期排桩动力特性的可行性,作为饱和土的特例,首先利用该方法研究了单相土中周期排桩的减振特性。将桩-单相土周期结构的本征方程和频域、时域控制方程写入PDE模块,开发了求解理想周期排桩衰减域和有限周期排桩动力响应的新模块。除成功求解了理想周期排桩的衰减域、对影响衰减域的主要因素进行分析外,还通过建立含有限排数的桩-单相土周期排桩的二维和三维数值分析模型,完成了频域和时域响应的数值分析,为将COMSOLPDE法用于研究饱和土中周期排桩的减振特性奠定了基础。第四章为饱和土中周期性实心排桩减振特性研究。首先将桩-饱和土周期结构的本征方程和频域控制方程写入PDE模块,开发了求解饱和土中理想周期排桩衰减域和有限周期排桩动力响应的新模块,求解了饱和土中理想周期性实心排桩的衰减域,并对影响衰减域的主要因素进行了分析,在此基础上,通过建立含有限排数实心桩的二维和三维数值分析模型,对实心桩的减振效果进行了数值模拟,揭示了排桩位置、桩的排数和桩长等对减振效果的影响规律。第五章为饱和土中周期性空心排桩减振特性研究。首先开发了新模快并采用COMSOLPDE法求解了饱和土中理想周期性空心排桩及填充桩的衰减域,而后借助布拉格散射型和局域共振型衰减域形成机制,研究了填充率变化对衰减域的影响并揭示了衰减域的形成机理。在此基础上,进一步建立饱和土中含有限排数周期性空心排桩的二维和三维数值分析模型,完成了数值分析,揭示了排桩排数及桩长等主要参数对减振效果的影响。第六章为饱和成层土中周期性排桩减振特性研究。首先依据复合材料均匀化理论,建立了求解桩-饱和成层土理想周期结构衰减域的简化分析模型,进而通过开发新模快并采用COMSOLPDE法求解了衰减域。在此基础上,通过建立三维有限周期排桩-饱和成层土结构数值分析模型,对饱和成层土中周期排桩的减振效果进行了研究,讨论了土层厚度、密度、剪切波速等对减振效果的影响,不仅验证了所提简化分析模型的合理性,也为成层土中周期排桩工程设计提供了参考。第七章为结论与展望。首先全面总结了本文的研究工作,给出相关结论。在此基础上,指出了本文有待改进之处,也对后续研究工作提出了展望。研究发现:(1)单相土中的周期排桩和饱和土中的周期排桩均可通过合理设计使其形成衰减域,周期排桩填充率是影响衰减域的主要因素,填充率越大,衰减域的起始频率、截止频率越高,衰减域宽度也变宽;同填充率下,三角形排列的周期排桩的衰减域起始频率、截止频率和衰减域宽度均大于正方形排列下的相应值。(2)饱和土中,周期性实心排桩的衰减域由Bragg散射机理所控制;随着柔性材料填充率的增加,周期性填充排桩的衰减域由Bragg散射型过渡到局域共振型;合理设计的周期性填充排桩可以用于低频环境振动的隔离。(3)无论是在单相土中还是在饱和土中,理想周期排桩衰减域范围内的弹性波,在含有有限排数排桩的相应二维和三维数值模型中都得到了有效衰减,而且三维模型的频率响应曲线收敛于二维平面应变模型下的解,二维模型可以用于对三维情况下衰减域的预测。(4)随着桩排数的增加,衰减域范围内的幅值衰减逐渐增大,设置三排桩就能起到很好的隔振效果;设置周期排桩高度与平面体波振源深度相同,即可有效隔离衰减域范围内的体波。(5)基于复合材料均匀化理论提出的饱和成层土中周期排桩的衰减域简化计算模型,能够合理预测衰减域,该衰减域与饱和成层土中通过三维有限周期排桩的数值模拟得到的振动衰减区域基本一致;对于桩-饱和成层土周期结构,首层饱和土的厚度和软硬程度对周期排桩结构的衰减域影响较大,当土层较软而厚度增加时,衰减域向低频移动;首层饱和土剪切波速对周期排桩结构的减振效果有较大影响,当剪切波速增加时,衰减域向高频部分移动,而且减振效果越好。(6)借助本文开发的模快,利用COMSOLPDE法不仅可以用于单相土和饱和土中理想周期排桩的衰减域计算,还可以用于有限周期数下排桩屏障减振效果的数值模拟。本文研究工作,为单相土、饱和土和饱和成层土中周期排桩的减振屏障设计提供了一种新方法,具有一定的理论意义和工程应用价值。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU473.1
【图文】：
周期结构指由两种或两种以上材料构成的典型单元（或称单胞）在空间上呈逡逑周期性重复排列所形成的结构。它可以是小到几微米的晶体结构，也可以是大到逡逑几米，几十米的土木工程结构，图１－１给出了几种形式的周期结构。逡逑周期结构具有一个显著特征，某些特定频率的弹性波在周期结构中不能传播。逡逑在无限周期结构（或称理想周期结构）中，这些被禁止传播的弹性波频率范围称逡逑为“带隙”（Ｂａｎｄ邋Ｇａｐ）。在有限周期结构中，带隙范围内的波在传播过程中同样逡逑会被抑制或削弱，相应的周期结构的带隙被称为“衰减域”（Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ邋Ｚｏｎｅ）邋［１］。逡逑以下，本文关于周期排|У难绣持校辉偾执逗退ゼ跤颍吵莆ゼ跤颉ｅ义希ǎ幔╁危ǎ猓╁义希ǎ悖╁危ǎ洌╁义贤迹保奔钢中问降闹芷诮峁瑰义希ǎ幔┤庾泳澹ǎ猓┤樵钟蚬舱裥蜕泳澹ǎ悖┤鹤ǎ洌┣帕哄义希疲椋纾澹保卞澹螅澹觯澹颍幔戾澹妫铮颍恚箦澹铮驽澹穑澹颍椋铮洌椋沐澹螅簦酰颍酰悖簦酰颍澹箦澹ǎ幔╁澹簦瑁颍澹邋澹洌椋恚澹睿螅椋铮睿幔戾澹穑瑁铮簦铮睿椋沐澹悖颍螅簦幔欤澹ǎ猓╁澹簦瑁颍澹邋义希洌椋恚澹睿螅椋铮睿幔戾澹簦瑁颍澹邋澹悖铮恚穑铮睿澹睿簦箦澹欤铮悖幔欤欤澹颍澹螅铮睿幔睿翦澹穑瑁铮睿铮睿椋沐澹悖颍螅簦幔欤
本文编号：2770809
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU473.1
【图文】：
周期结构指由两种或两种以上材料构成的典型单元（或称单胞）在空间上呈逡逑周期性重复排列所形成的结构。它可以是小到几微米的晶体结构，也可以是大到逡逑几米，几十米的土木工程结构，图１－１给出了几种形式的周期结构。逡逑周期结构具有一个显著特征，某些特定频率的弹性波在周期结构中不能传播。逡逑在无限周期结构（或称理想周期结构）中，这些被禁止传播的弹性波频率范围称逡逑为“带隙”（Ｂａｎｄ邋Ｇａｐ）。在有限周期结构中，带隙范围内的波在传播过程中同样逡逑会被抑制或削弱，相应的周期结构的带隙被称为“衰减域”（Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ邋Ｚｏｎｅ）邋［１］。逡逑以下，本文关于周期排|У难绣持校辉偾执逗退ゼ跤颍吵莆ゼ跤颉ｅ义希ǎ幔╁危ǎ猓╁义希ǎ悖╁危ǎ洌╁义贤迹保奔钢中问降闹芷诮峁瑰义希ǎ幔┤庾泳澹ǎ猓┤樵钟蚬舱裥蜕泳澹ǎ悖┤鹤ǎ洌┣帕哄义希疲椋纾澹保卞澹螅澹觯澹颍幔戾澹妫铮颍恚箦澹铮驽澹穑澹颍椋铮洌椋沐澹螅簦酰颍酰悖簦酰颍澹箦澹ǎ幔╁澹簦瑁颍澹邋澹洌椋恚澹睿螅椋铮睿幔戾澹穑瑁铮簦铮睿椋沐澹悖颍螅簦幔欤澹ǎ猓╁澹簦瑁颍澹邋义希洌椋恚澹睿螅椋铮睿幔戾澹簦瑁颍澹邋澹悖铮恚穑铮睿澹睿簦箦澹欤铮悖幔欤欤澹颍澹螅铮睿幔睿翦澹穑瑁铮睿铮睿椋沐澹悖颍螅簦幔欤
本文编号：2770809
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