CN112681163A - 一种减轻地铁运行诱发振动的斜桩隔振屏障及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减轻地铁运行诱发振动的斜桩隔振屏障及其制备方法，斜桩隔振屏障设置在振源与振动受体之间，包括至少一排隔振层，每排隔振层由多个间隔布置的隔振桩组成，每个隔振桩包括预应力混凝土空心管桩和填充在预应力混凝土空心管桩内的填充材料。本发明利用振动波在遇到隔振屏障后发生反射、折射及衍射形成的相位差，有效减小振动波传播能量，进而达到减隔振目的；该屏障结构采用预应力管桩作为套筒，可有效减小施工难度，提高施工效率，同时还可充分发挥预应力管桩自身在受到振动作用后的自恢复特点，提高隔振屏障的强度，增加隔振屏障的使用年限。

Description

一种减轻地铁运行诱发振动的斜桩隔振屏障及其制备方法

技术领域

本发明涉及地下交通工程领域，特别涉及一种设置在振源与振动受体之间的倾斜联结排桩隔振屏障及其橡胶砂制备方法。

背景技术

随着城市轨道交通系统的快速发展，其节能、省地、大运量、安全等特点日趋显著。这就导致了人们日常生活中对于城市轨道交通系统需求量的急剧增大，与此同时，其所具有的诸多优势也使得这种交通系统所属覆盖的服务区经济快速发展，尤其是地铁这种城市轨道交通方式的出现，使这一现象更为明显。然而，地铁在高速运行过程中，会通过其下方轨道、道床等一系列子结构引起地面振动，同时通过隧道周围介质将这种振动传播给相邻建筑。且随着技术的愈发成熟，人们对于地铁运行速度的要求也在日益提高，但是当速度增幅到一个临界值时会伴随着共振现象的产生，这将带来极大的安全隐患，并且这种振动也必将会影响到周围人们的日常生产生活。因此，研究如何解决或是消减这种振动问题是十分必要的。

目前，对于地铁运行诱发地基振动问题的解决方法有两大类：一类是采用连续屏障隔振技术，如在振源、振动受体周围设立隔振垫层、混凝土芯墙等，也可在波的传播路径上设置连续隔振屏障，即开挖隔振沟来实现减隔振；另一类是采用非连续屏障隔振技术，这种方式多用设置孔列、混凝土单排桩、多排桩等形式实现。但是诸多工程实践表明，传统的隔振屏障技术存在许多缺陷，如稳定性差、施工难度高，以及现有技术限制下隔振效果不明显等问题仍亟待解决。

因此，采用一种节能、经济、环保、施工难度小、技术要求低的隔振方式成为了一个优选方案。

发明内容

本发明是为了解决传统隔振技术上存在的不足，提供一种减轻地铁运行诱发振动的斜桩隔振屏障及其橡胶砂制备方法。本发明屏障结构利用振动波在遇到隔振屏障后发生反射、折射及衍射形成的相位差，有效减小振动波传播能量，进而达到减隔振目的。该屏障结构采用预应力管桩作为套筒，可有效减小施工难度，提高施工效率，同时还可充分发挥预应力管桩自身在受到振动作用后的自恢复特点，提高隔振屏障的强度，增加隔振屏障的使用年限。

本发明所采用的技术方案是：一种减轻地铁运行诱发振动的斜桩隔振屏障，设置在振源与振动受体之间，所述斜桩隔振屏障包括至少一排隔振层，每排所述隔振层由多个间隔布置的隔振桩组成，每个所述隔振桩包括预应力混凝土空心管桩和填充在所述预应力混凝土空心管桩内的填充材料。

进一步地，所述填充材料采用橡胶砂，所述橡胶砂由橡胶集料、粗骨料、细砂、水泥和水组成，其中，所述水泥、水、细砂、粗骨料的配合比为2：1：3：6，所述橡胶集料的质量含量占所述橡胶砂总质量的4.5％。

进一步地，所述橡胶集料由5目橡胶颗粒、8目橡胶颗粒、10目橡胶颗粒和20目橡胶颗粒组成，所述5目橡胶颗粒、8目橡胶颗粒、10目橡胶颗粒和20目橡胶颗粒的质量比为4∶7∶6∶2。

进一步地，所述预应力混凝土空心管桩的侧壁内设置有预应力筋。

进一步地，当所述斜桩隔振屏障设置有两排以上隔振层时，相邻两排隔振层的隔振桩之间采用轴心正位排列方式。

进一步地，当所述斜桩隔振屏障设置有两排以上隔振层时，相邻两排隔振层的隔振桩之间采用轴心错位排列方式。

进一步地，当所述斜桩隔振屏障设置有两排以上隔振层时，每层隔震层的隔振桩长度由振源指向振动受体逐渐减小。

进一步地，所述隔振桩的轴线与所述振源和所述振动受体连线正交。

本发明所采用的另一技术方案是：一种上述斜桩隔振屏障中的橡胶砂制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将粒度为5目、8目、10目、20目的橡胶颗粒，按照设定比例掺配成橡胶集料；

步骤2，将橡胶混凝土复合改性剂配置成溶液，加入步骤1混合好的橡胶集料中搅拌，待橡胶集料全部浸润后浸泡若干小时，烘干备用；

步骤3，将粗骨料与步骤2备好的橡胶集料混合干拌，利用石子的揉挤作用，将橡胶颗粒搅打散；

步骤4，按照设定比例加入细骨料和水泥搅拌，混合完成后加入设定比例的水配置成橡胶砂。

本发明的有益效果是：

1、通过采用新型的橡胶砂填充材料，进行预应力混凝土空心管桩的填充，橡胶颗粒作为介于混凝土粗骨料和细骨料细度模数中间的一种填充材料，既很好的优化了橡胶砂的级配，又因橡胶颗粒本身弹性模量小，比重小的特点，有效降低了隔振排桩整体的弹性模量，从而延长了桩体的水平自振周期，提高了隔振系统的振动阻尼。

2、在配置橡胶混凝土的过程中采用了橡胶混凝土复合改性剂，改善了混凝土与橡胶由于自身材料属性不同而导致的黏结界面薄弱的问题，增强了材料的抗压强度和整体性，提高了橡胶砂的和易性。

3、采用预应力混凝土管桩作为桩体的外部套筒，很好的应用了预应力管桩本身的自恢复特性。使其无论在对所传来的波进行反射或是透射后都能有一定的自恢复效果，从而延长了桩体本身的使用寿命。

4、桩的排布方式上可采用多种形式，无论是单排、双排或是多排；均匀直线或是交错布置，都可以很好的联结多个排桩使其成为一种隔振体系，通过对入射波的折射、反射、透射消耗振动能量，起到隔振效果。桩长度的递减也增强了本发明的经济性。

附图说明

图1：本发明斜桩隔振屏障的布置示意图；

图2a：本发明斜桩隔振屏障的隔振桩立体结构示意图；

图2b：本发明斜桩隔振屏障的隔振桩立体纵剖面示意图；

图2c：本发明斜桩隔振屏障的隔振桩立体横剖面示意图；

图3a：本发明采用单排直线布置非连续隔振屏障剖面图；

图3b：本发明采用单排直线布置非连续隔振屏障平面图；

图4a：本发明采用双排均匀直线布置非连续隔振屏障剖面图；

图4b：本发明采用双排均匀直线布置非连续隔振屏障平面图；

图5a：本发明采用双排交错直线布置非连续隔振屏障剖面图；

图5b：本发明采用双排交错直线布置非连续隔振屏障平面图；

图6a：本发明采用多排梅花桩布置非连续隔振屏障剖面图；

图6b：本发明采用多排梅花桩布置非连续隔振屏障平面图；

附图标注：

1——受振动影响的地表建筑； 2——受振建筑基础部分；

3——斜桩隔振屏障； 4——土层；

5——城市地下交通列车 6——填充材料；

7——预应力混凝土空心管桩； 8——预应力筋；

d——预应力混凝土空心管桩直径。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1至图6b所示，一种减轻地铁运行诱发振动的斜桩隔振屏障3，为非连续隔振屏障形式。所述斜桩隔振屏障3设置在振源与振动受体之间的土层4内，本实施例中，所述振源为城市地下交通列车5，所述振动受体为受振动影响的地表建筑1及受振建筑基础部分2。

所述斜桩隔振屏障3包括至少一排隔振层，每排所述隔振层由多个间隔布置的隔振桩组成，每个所述隔振桩包括预应力混凝土空心管桩7和填充在所述预应力混凝土空心管桩7内的填充材料6。所述预应力混凝土空心管桩7采用C60混凝土制作，所述填充材料6采用新型橡胶砂，加以橡胶混凝土复合改性剂。利用桩体本身受到震动时，橡胶颗粒的形变与橡胶颗粒-砂颗粒相互之间的摩擦对于能量的消耗，来达到对所传来振动能量消耗的效果。

所述橡胶砂作为填充材料6填充于预应力混凝土空心管桩7中，如附图2a至2c所示。所述橡胶砂由橡胶集料、粗骨料、细砂、水泥和水组成，其中，所述水泥、水、细砂、粗骨料的配合比为2：1：3：6，所述橡胶集料的质量含量占所述橡胶砂总质量的4.5％，此橡胶集料质量配比为在基本不降低混凝土本身材料强度前提下发挥其隔振效果的最佳配比。其中，所述橡胶集料采用粒度为5目、8目、10目、20目，或者挑选3到4种粒径在1毫米～3毫米和3毫米～5毫米的橡胶颗粒，按一定比例配成细度模数为2.5左右介于混凝土粗骨料和细骨料细度模数之间的橡胶集料，使橡胶颗粒成为混凝土粗细骨料间的一种中间介质，增强材料的和易性。本实施例中，所述橡胶集料由5目橡胶颗粒、8目橡胶颗粒、10目橡胶颗粒和20目橡胶颗粒组成，所述5目橡胶颗粒、8目橡胶颗粒、10目橡胶颗粒和20目橡胶颗粒的质量比为4∶7∶6∶2。此外，所述橡胶砂中的粗骨料采用粒径在20毫米～40毫米的粗砂，细骨料采用粒径在0.35毫米～0.5毫米的细砂，水泥采用普通硅酸盐水泥。

所述橡胶砂的制备方法如下：

首先，将粒度为5目、8目、10目、20目的橡胶颗粒(或者挑选3或4种粒径在1毫米～3毫米和3毫米～5毫米的橡胶颗粒)，按照上述比例掺配成细度模数2.5左右的橡胶集料。目的是为了使这种橡胶集料的细度模数位于粗骨料(一般在3.1～3.7)和细骨料(1.6～2.2)的细度模数之间，使其作为骨料间的一种填充材料增强材料的整体性。

其次，将橡胶混凝土复合改性剂配置成溶液，加入混合好的橡胶集料中搅拌，待橡胶集料全部浸润后浸泡18小时，烘干备用。

然后，选用粒径为20毫米～40毫米的粗骨料，将粗骨料与备好的橡胶集料混合干拌，利用石子的揉挤作用，将橡胶颗粒搅打散。

最后，按照设定比例加入粒径在0.35毫米～0.5毫米的细骨料和硅酸盐水泥搅拌，混合完成后加入设定比例的水配置成橡胶砂。其中，基准混凝土配合比，水泥、水、细骨料、粗骨料的配合比为2：1：3：6，橡胶集料的质量配比为4.5％。

经测试，橡胶掺料小于15％时，对混凝土强度的影响不大，且这种集料有效的降低了混凝土的比重，改性剂的使用使得橡胶颗粒与骨料结合度更加优异，减小了由于橡胶本身属于有机材料，而混凝土属于无机材料造成的颗粒黏结界面薄弱的问题。

本发明采用预应力混凝土空心管桩7作为内部橡胶砂的管套。采用先张法预制预应力混凝土空心管桩7，每根所述预应力混凝土空心管桩7布置八根预应力筋8(如附图2c所示)，桩体直径为800毫米，桩身长度取2.3～2.7倍瑞雷波波长。将预制好的预应力混凝土空心管桩7送入现场后先按设计要求定位放线，通过履带式旋喷钻机钻取桩孔，钻孔时应调整好钻杆与地面之间的角度，使打出的钻孔轴线尽量与振源和振动受体连线正交，桩孔成型后，再将预制好的预应力混凝土空心管桩7送入桩孔内。送桩时应使导向架倾斜角度与钻孔角度保持一致，便于预应力混凝土空心管桩7顺利送入钻孔内。桩体进孔后，灌入制备好的橡胶砂，灌注时应采用分层灌注形式，保证橡胶砂的密实程度。灌桩完成后回填使场地平整。

本发明可采用多种排桩排布形式，可单排直线布置、双排均匀直线布置、双排交错直线布置、多排交错直线布置，其中，均匀直线布置即为相邻两排隔振层的隔振桩之间采用轴心正位排列方式，交错直线布置即为相邻两排隔振层的隔振桩之间采用轴心错位排列方式。目的是为了使振动波折射或是透射后振动能量减弱。当采用双排交错或多排交错布置时，也可按梅花桩形式排布。这样的一种交替形式在满足了斜桩隔振屏障3整体性的同时，又减少了桩的使用数量，节省成本。当采用双排或多排隔振桩屏障时，同排相邻隔振桩或异排相邻隔振桩应控制桩体轴距约为4d(其中，d为预应力混凝土空心管桩直径)，不能使轴距过大从而减弱了斜桩隔振屏障3本身的隔振效果，也不应使轴距小于2.5d从而加大引发群桩效应的概率。此外，本发明排桩每一列将采用非等长桩体，这是由于振源与振动受体相对位置导致波的传播路径上越接近振动受体时越接近地表，因此，当采用多排桩体时，越靠近地表振动受体时，可以逐渐减小桩体长度，只要保证斜桩隔振屏障3可以位于能使地表建筑受到地下交通列车振动影响的波传播路径范围之内即可，从而降低斜桩隔振屏障3的制作成本，使材料利用率最大化，增加经济效益。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种减轻地铁运行诱发振动的斜桩隔振屏障(3)，设置在振源与振动受体之间，其特征在于，所述斜桩隔振屏障(3)包括至少一排隔振层，每排所述隔振层由多个间隔布置的隔振桩组成，每个所述隔振桩包括预应力混凝土空心管桩(7)和填充在所述预应力混凝土空心管桩(7)内的填充材料(6)。

2.根据权利要求1所述的斜桩隔振屏障(3)，其特征在于，所述填充材料(6)采用橡胶砂，所述橡胶砂由橡胶集料、粗骨料、细砂、水泥和水组成，其中，所述水泥、水、细砂、粗骨料的配合比为2：1：3：6，所述橡胶集料的质量含量占所述橡胶砂总质量的4.5％。

3.根据权利要求2所述的斜桩隔振屏障(3)，其特征在于，所述橡胶集料由5目橡胶颗粒、8目橡胶颗粒、10目橡胶颗粒和20目橡胶颗粒组成，所述5目橡胶颗粒、8目橡胶颗粒、10目橡胶颗粒和20目橡胶颗粒的质量比为4∶7∶6∶2。

4.根据权利要求1所述的斜桩隔振屏障(3)，其特征在于，所述预应力混凝土空心管桩(7)的侧壁内设置有预应力筋(8)。

5.根据权利要求1所述的斜桩隔振屏障(3)，其特征在于，当所述斜桩隔振屏障(3)设置有两排以上隔振层时，相邻两排隔振层的隔振桩之间采用轴心正位排列方式。

6.根据权利要求1所述的斜桩隔振屏障(3)，其特征在于，当所述斜桩隔振屏障(3)设置有两排以上隔振层时，相邻两排隔振层的隔振桩之间采用轴心错位排列方式。

7.根据权利要求1所述的斜桩隔振屏障(3)，其特征在于，当所述斜桩隔振屏障(3)设置有两排以上隔振层时，每层隔震层的隔振桩长度由振源指向振动受体逐渐减小。

8.根据权利要求1所述的斜桩隔振屏障(3)，其特征在于，所述隔振桩的轴线与所述振源和所述振动受体连线正交。

9.一种上述权利要求2或3所述的斜桩隔振屏障(3)中的橡胶砂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将粒度为5目、8目、10目、20目的橡胶颗粒，按照设定比例掺配成橡胶集料；

步骤2，将橡胶混凝土复合改性剂配置成溶液，加入步骤1混合好的橡胶集料中搅拌，待橡胶集料全部浸润后浸泡若干小时，烘干备用；

步骤3，将粗骨料与步骤2备好的橡胶集料混合干拌，利用石子的揉挤作用，将橡胶颗粒搅打散；

步骤4，按照设定比例加入细骨料和水泥搅拌，混合完成后加入设定比例的水配置成橡胶砂。

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