一种土工格栅加筋碎石隔振装置及其制备方法

专利名称：：一种土工格栅加筋碎石隔振装置及其制备方法
技术领域：
：本发明属于工业振动控制领域，具体涉及一种利用土工格栅加筋碎石制成的隔振装置以及利用该装置进行隔振的方法。
背景技术：
：目前，国内外治理振动污染的对策主要分为振源对策、受振对策和距离对策。由于距离对策是以牺牲有限空间为代价，在实际工程中并不可取，目前经常采用的仍是主动隔振和被动隔振措施。传统隔振方法通过在工作台(或基础)与支承结构之间设置隔振器或隔振材料进行隔振，目前采用的主要隔振器有圆柱螺旋弹簧隔振器、碟型弹簧与迭板弹簧隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器、粘流体阻尼器和组合隔振器。虽然这种方法比较成熟，但由于隔振装置的耐久性一般较差，后期维护费用高，使用一段时间后必须更换，在恶劣的工作条件下应该谨慎使用，并且隔振装置较为昂贵，限制了大面积推广使用。屏障隔振是目前治理振动的主要对策，屏障隔振即可作为振源对策(主动隔振——减小振动输出)，也是一种受振对策(被动隔振——减小振动输入)。屏障隔振与传统方法相比具有造价低、不易损坏、耐久性好、施工简单和可作为结构一部分等优点。屏障隔振可分为连续屏障和非连续屏障连续屏障指屏障是连续的整体，如开口空沟和各类填充沟(如混凝土刚性墙等)；非连续屏障指屏障由间断的屏障单体组成，如排桩和排孔等。由于土体稳定性、地下水位和造价等因素的影响，决定隔振效果的连续屏障深度不可能设置很深，因此仅适用于中高频振动；虽然排桩等非连续屏障的施工可以不受此限制，但单排桩隔振效果差，若采用隔振效果好的多排桩，则工程造价较高。
发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种施工方便、造价低廉、对中低频振动有较好隔振效果的装置以及利用该装置进行隔振的主动隔振方法，以使振动降到可以接受的水平。为解决上述技术问题，本发明可通过以下技术方案予以实现一种土工格栅加筋碎石隔振装置，包括隔振层和隔离层，隔振层自下而上依次由下土工织物层、交替铺设的级配碎石层和土工格栅、上土工织物层构成，隔离层位于隔振层之上，其中与下土工织物层和上土工织物层相邻的可为级配碎石层，也可为土工格栅，即既可按照先铺级配碎石层、后铺土工格栅的顺序交替铺设，也可按照先铺土工格栅、后铺级配碎石层的顺序交替铺设；隔振层的长度1、宽度W和厚度t以及隔离层厚度h(即该隔振层顶面与振动设备基础底面间距)，需满足1^0.5Le,w彡0.5LK，t彡0.04Le,0<h彡0.06LE,其中Lk为经表面波测试方法所测得的首层土的瑞利波长；隔离层所用材质为建筑工程中用来制作垫层的材质，例如砂砾石、回填土等。进一步，隔振层的长度1和宽度w是首层土(即第一层土)瑞利波长Lk的0.51.O倍，厚度t为瑞利波长Lk的0.040.1倍，隔离层厚度h为瑞利波长Lk的0.010.06倍。进一步，每层级配碎石层厚度为1530cm，每层级配碎石层质量均满足地基系数K30彡190MPa/m,孔隙率η<18%。进一步，级配碎石含水量为4.0%6.0%。进一步，级配碎石层是由粒径为31.520mm、20IOmmUO5mm的不同粒径的碎石及石粉四种集料按照质量比199715(按照粒径从大到小的顺序)及体积比8:4:3:10(按照粒径从大到小的顺序)的配合比紧密碾压而成。进一步，所述隔离层的材质为砂砾石或回填土。上述隔振装置的制备方法，按以下步骤进行(1)确定隔振层的长度1、宽度w和厚度t以及隔离层厚度(即该隔振层顶面与振动设备基础底面间距)h，需满足长度1彡0.5Le,宽度w彡0.5Le,厚度t彡0.04Le,间距0<h^0.06LK，其中Lk为经表面波测试方法所测得的首层土(即第一层土)的瑞利波长；(2)使振动设备基础的几何中心与隔振装置的几何中心的水平投影重合，再根据振动设备基础位置及隔振层的长度1和宽度w，确定隔振装置的边界在地面的投影线；(3)对投影线内的土体进行开挖，开挖前需根据工程情况按照基坑规范采取必要的降水与支护措施；(4)开挖至振动设备基础底部标高下方(h+t)深处；(5)在坑底铺满下土工织物层；土工织物的材质可以是聚酰胺纤维(又称尼龙)、聚酯纤维(又称绦纶)、聚丙烯腈(又称腈纶)或聚丙烯纤维(又称丙纶)等高分子化合物(又称聚合物)等；(6)在下土工织物层上交替铺设级配碎石层和土工格栅，重复此操作直至隔振层厚度为t；此步骤中既可按照先铺级配碎石层、后铺土工格栅的顺序交替铺设，也可按照先铺土工格栅、后铺级配碎石层的顺序交替铺设。铺摊的级配碎石层的厚度为1530cm，每层级配碎石层质量需满足地基系数K3tl彡190MPa/m，孔隙率η<18%。(7)铺上土工织物层。(8)分层铺摊隔离层，其厚度为隔振层顶面与振动设备基础底面的间距h，直至振动设备基础底部。隔离层可为砂砾石、回填土等建筑工程中用来制作垫层的材质。上述制备方法中，步骤(4)优选为开挖至振动设备基础底部标高下方(h+t)深处后，清坑底积水，对坑底实行夯实平整。上述制备方法中，步骤(6)中铺设级配碎石层时，遵循“先铺两边后铺中间”的原贝U，以低于2km/h的速度，按照静压12遍一弱振12遍一强振23遍一弱振12遍一静压12遍的工序对碎石层进行碾压。每层级配碎石层质量需满足地基系数K30彡190MPa/m,孔隙率η<18%。上述制备方法中，步骤(8)中铺摊隔离层后，用中砂或回填土找平、压实。经过上述制备步骤，即可制得一个具有较大整体刚度和等效剪切模量的土工格栅加筋碎石隔振层装置，可以进行主动隔振。经上述步骤制备的隔振装置的应用步骤如下1、隔振装置制备完成后，进行振动设备基础施工；2、基坑分层回填。振动基础底面设计标高是由设计院根据动力设备的振动特性及地质情况计算确定的，进行隔振层设计时，需根据拿到的设计院设计的基础设计施工图，从中获取隔振层装置设计必需信息。在地下水位较高的透水土层(例如砂类土及粉土)中进行基坑开挖施工时，由于坑内外的水位差大，较易产生潜蚀、流砂、管涌、突涌等渗透破坏现象，导致基坑坑壁失稳，直接影响到建筑物的安全。所以，降水是基坑施工过程的重要步骤，特别对于地下水位较浅的地区。当地下水位低于基坑底板设计标高时，无需降水；当地下水位高于基坑底板设计标高时，则需要降水。因此是否需要进行降水步骤需根据工程及具体的地质状况而定。本发明所提及的隔振装置的制备可根据具体地质条件和使用的振动设备以及施工需要确定交替铺设的级配碎石层和土工格栅的层数，本发明中的隔振装置并不限于文中的制备方法和应用方法。本发明可以起到隔振作用的基本理论依据如下1.基岩上单一土层的振动存在截止频率，当表面作用荷载的频率低于截止频率时，土层中没有波的传播，即辐射阻尼接近于零；仅当激振频率大于截止频率时，土层中才会出现波的传播现象。截止频率的计算公式如(1)所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，fs。,s表示水平激振作用下的土层截止频率，fsc,p表示竖向激振作用下的土层截止频率，Vs和Vp分别表示剪切波速和压缩波速，Hb表示基岩(刚性层)上覆土层厚度。2.振源下方土层中所埋置的异质体(刚度要远大于土体)越厚、越宽、剪切模量越大，其隔振效果越好。3.多孔介质对波具有吸收作用。本发明具备以上技术特征，故可以起到隔振作用，详细分析如下。碎石在土工格栅的约束作用下，使得碎石间的咬合力和摩擦力增强，大大减少循环荷载作用下碎石的侧向挤出，碎石层整体具有较大的等效剪切模量，可视为人工基岩。由于土层剪切波速和压缩波速通常较大(大于90m/s)，当碎石层顶面与振动设备基础基底间砂砾石垫层厚度较小(0.010.06)入1；(入1；表示场地瑞利波波长)时，截止频率往往远高于振动设备引起的低频振动频率，从而阻止了土层中振动的传播。从波的散射理论角度来看，振动设备基础在竖向、摇摆、横向力作用下产生的体波、表面波在土层中传播过程中遇到基础下方碎石层后发生散射，在凹凸不平的碎石层表面及石间空隙内产生向各个方向传播的波长更短的次生波，由于波长变短，加速了波的衰减，从而起到了有效减少振动设备基础振动输出的作用。本发明具有以下有益效果(1)一种利用土工格栅加筋碎石进行隔振的方法对振动设备及振动设备基础造成的中低频振动有良好的隔振效果，可以有效减小中低频振动输出，削弱振动对周围精密仪器、古建筑、人类生活等的不良影响。(2)一种利用土工格栅加筋碎石进行隔振的方法中所铺设的土工格栅加筋碎石隔振层的石间空隙是良好的排水通道，对软弱地层可兼起到减小(不均勻)沉降、提高承载力的地基改良作用。(3)一种利用土工格栅加筋碎石进行隔振的方法所需原料价格便宜，且无需养护，施工方便，可以减少造价和工期。(4)一种利用土工格栅加筋碎石进行隔振的方法中所铺设的土工格栅加筋碎石隔振层不存在隔振器由于疲劳而产生的寿命问题，它不会受地下水侵蚀，性能稳定、持久耐用，可以长期发挥隔振作用，无需维护。图1为本发明实施例中土工格栅加筋碎石隔振装置的平面结构示意图。图2为本发明实施例中土工格栅加筋碎石隔振装置的A-A剖面结构示意图。图3为本发明实施例土工格栅加筋碎石隔振装置隔振计算示意图。图4为空沟隔振计算示意图。图5为本发明实施例土工格栅加筋碎石隔振装置与空沟的地表竖向振动隔振效果对比图。具体实施例方式下面结合图1至图5以及实施例对本发明作进一步详细说明。实施例本发明实施例土工格栅加筋碎石隔振装置，包括隔振层和隔离层4，隔振层自下而上依次由下土工织物层31、级配碎石层11、土工格栅21、级配碎石层12、土工格栅22、级配碎石层13、土工格栅23、级配碎石层14、土工格栅24、级配碎石层15、上土工织物层32构成，隔离层4位于上土工织物层32之上；隔振层的长度1为10m、宽度w为10m、厚度t为lm，隔离层厚度h为0.5m；每层级配碎石层厚度均为20cm，均由粒径为31.520mm、20IOmmUO5mm的不同粒径的碎石及石粉四种集料按照质量比199715(按照粒径从大到小的顺序)及体积比84310(按照粒径从大到小的顺序)的配合比紧密碾压而成，级配碎石的含水量为4.0%6.0%，级配碎石层11、级配碎石层12、级配碎石层13、级配碎石层14、级配碎石层15的地基系数K3tl依次为196MPa/m、195MPa/m、194.3MPa/m、195.6MPa/m、194.OMPa/m，孔隙率η依次为13.6%,14.4%,14.7%,13.9%,15%；所述隔离层的材质为砂砾石。本实施例中的土工格栅加筋碎石隔振装置的具体制备步骤如下(1)经过表面波测试得知第一层土瑞利波长为10m，经过计算确定所述隔振装置的隔振层的长度1为10m、宽度w为10m、厚度t为lm、隔离层厚度(即隔振层顶面与振动设备基础底面间距)h为0.5m；(2)在保证振动设备基础5的几何中心与隔振装置的几何中心的水平投影重合的前提下，根据第(1)步中确定的隔振层的长度和宽度，在施工现场测设出隔振装置的边界在地面的投影线；(3)对第(2)步确定的投影线内的土体进行开挖，开挖前根据需要可进行基坑降水，并根据地质情况对基坑采用合适的支护措施，在本实施例中，由于地下水位低于基坑底板设计标高，故无需降水；(4)开挖至至地下2.8米深处，即振动设备基础5底部标高(设计标高为3m)下方(h+t)=1.5m深处后，清坑底积水，对坑底进行夯实平整；(5)在坑底铺满下土工织物31，材质可以是聚酰胺纤维(又称尼龙)、聚酯纤维(又称绦纶)、聚丙烯腈(又称腈纶)或聚丙烯纤维(又称丙纶)等高分子化合物(又称聚合物)等；(6)在土工织物31上按照顺序铺设级配碎石层11、土工格栅21、级配碎石层12、土工格栅22、级配碎石层13、土工格栅23、级配碎石层14、土工格栅24、级配碎石层15.，，每层级配碎石层厚度均为20cm。铺摊的级配碎石层由粒径为31.520mm、2010mm、105mm的不同粒径的碎石及石粉4种集料按照质量比199715(按照粒径从大到小的顺序)及体积比84310(按照粒径从大到小的顺序)的配合比紧密碾压而成；各层级配碎石含水量控制在4.0%6.0%；铺设级配碎石层时，遵循“先铺两边后铺中间”的原贝U，以低于lkm/h的速度，按照静压2遍一弱振2遍一强振3遍一弱振2遍一静压2遍的工序对各层碎石进行碾压；经碾压后，级配碎石层11、级配碎石层12、级配碎石层13、级配碎石层14、级配碎石层15的地基系数K3tl依次为196MPa/m、195MPa/m、194.3MPa/m、195.6MPa/m、194.OMPa/m，孔隙率η依次为13.6%、14.4%、14.7%、13.9%、15%；(7)铺上土工织物层32，材质可以是聚酰胺纤维(又称尼龙)、聚酯纤维(又称绦纶)、聚丙烯腈(又称腈纶)或聚丙烯纤维(又称丙纶)等高分子化合物(又称聚合物)等；(8)分层铺摊隔离层4，铺摊厚度h为0.5m(即隔振层顶面与振动设备基础底面的间距)，直至振动设备基础5底部。隔离层4可为砂砾石、回填土等建筑工程中用来制作垫层的材质。经上述步骤制备的隔振层装置的应用步骤如下(1)进行振动设备基础施工；(2)基坑分层回填。本实施例制备的隔振装置与传统的空沟屏障隔振方法的隔振效果比较为了显示本发明土工格栅加筋碎石隔振装置相对于常见传统屏障隔振效果的优势，本发明中选择传统隔振屏障中隔振效果较好的空沟作为与本实施例中土工格栅加筋碎石隔振装置的比较对象，从隔振效果角度进行比较。(1)隔振效果评价方法地面振动的隔振效果可以通过振动屏蔽区内地表各点位移振幅衰减系数Ak(参见WoodsRD.Screeningofsurfacewavesinsoils[J].Journalofthesoilmechanicsandfoundationsdivision,ASCE,1968,94(4):951_979.)和屏蔽区内各点平均位移振幅衰减系数AR；(参见TsaiPH,FengbZYandJenTL.Three-dimensionalanalysisofthescreeningeffectivenessofhollowpilebarriersforfoundation-inducedverticalvibration[J],ComputersandGeotechnics，2008，35(3):489_499.)的大小进行评价，如公式(2)和公式(3)所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中分子和分母分别表示设置隔振屏障前后场地同一测点竖向的RMS位移有效幅值。若某点的振幅衰减系数为Ak，则表示波阻板抑制了该点(I-Ak)X100%的振动。(2)计算方法采用以薄层法层状半空间格林函数作为基本解的半解析频域边界元法，来计算在16Hz低频竖向扰力作用下，上硬下软层状地基中分别设置本发明实施例的土工格栅加筋碎石隔振层装置(见图3)和传统的空沟(见图4)时，地表位移振幅衰减系数随距离变化情况，以比较新老两种屏障隔振手段的优劣。薄层法属于一种半解析的方法，即对波动微分方程在竖向进行有限元离散，将土层划分为有限个薄层，而在其余坐标方向解析求解。首先，对柱标系下的Navier-Cauchy方程沿θ向进行m阶Fourier展开，考虑其中第任意m项，将得到的方程组第1、2行分别相加减，形成新的方程组，并对此新方程组的第13行分别沿轴向坐标r进行m-l、m+l和m阶Hankel变换，并进行相应的变量代换，得到波数域内的波动方程组。考虑简谐振动(e_ut)的形式，利用竖向坐标插值函数和加权余量法，对波数域内的波动方程进行离散，最终可得频域-波数域内力与位移矩阵表达<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式(3)可通过振型叠加法求解，得频域波数域内力和位移的关系式。对给定的力P先进行切向坐标的Fourier分解，然后进行轴向坐标r的Hankel变换，代入式(3)可得频域波数域内的位移表达式，再对此表达式进行Hankel逆变换和Fourier综合，即可求得频域笛卡儿坐标系内的位移表达式。(3)计算示意图及参数①土工格栅加筋碎石隔振层计算模型及参数振动设备6以16Hz的激振频率对上硬下软层状地基7(包括硬土层16、软土层17)表面进行竖向激振，振动设备基础5宽度和长度均为3m。按照本说明书中所述制备方法，在振动设备基础5下方Ill深度处设置隔振层9长度为I1、宽度为W1、厚度为、的土工格栅加筋碎石隔振装置，并计算隔振层9的振动屏蔽区s距离内各点振幅衰减系数Ak随距离的变化情况。隔振层长度与宽度I1=W1=λK=10m,隔振层厚度tl=0.1λK=lm，隔离层厚度(即隔振层顶面与振动设备基础底面间距)Ii1=0.05λΕ=0.5m,隔振层剪切波速=329m/s,隔振层密度Pi=2.32X103kg/m3，隔振层动弹性模量M1=721MPa,隔振层泊松比V1=0.25。本发明实施例土工格栅加筋碎石隔振装置隔振计算示意图参见图3。②空沟计算模型及参数振动设备6以16Hz的激振频率对上硬下软层状地基7(包括硬土层16、软土层17)表面进行竖向激振，振动设备基础5宽度和长度均为3m。距离基础边缘r距离处设置深度为h2，宽度为w2，长度为I2的空沟18，计算空沟的振动屏蔽区s距离内各点振幅衰减系数Ae随距离的变化情况。此处，I2=20m，W2=O.1λΕ=lm,r=1.5λΕ=15m,d2=λΕ=10m。空沟隔振计算示意图见图4。③土层计算参数采用上硬下软层状地基7(包括硬土层16、软土层17)进行计算，土层计算参数如表2所示。表2上硬下软层状半空间地基的物理力学计算参数<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(4)计算结果比较根据表2的参数计算设置土工格栅加筋碎石隔振装置和空沟后各自振动屏蔽区范围内不同距离处的隔振效果~(参见图5)。从图5可以看出，土层中设置土工格栅加筋碎石隔振装置后的地表振幅衰减系数曲线19位于空沟对应曲线20的下方，其振动屏蔽区内的平均位移振幅衰减系数不为0.48(抑制了52%的振动)，远好于空沟的平均位移振幅衰减系数0.87(只抑制了13%的振动)。该结果表明土工格栅加筋碎石隔振装置比空沟能屏蔽更多的地面振动，可以取得更好的隔振效果。上述对实施例的描述是为了便于该
技术领域：
的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。权利要求一种土工格栅加筋碎石隔振装置，其特征在于该装置包括隔振层和隔离层，其中隔振层自下而上依次由下土工织物层、交替铺设的级配碎石层和土工格栅、上土工织物层构成，隔离层位于隔振层之上；其中与下土工织物层和上土工织物层相邻的为级配碎石层或土工格栅，即按照先铺级配碎石层、后铺土工格栅的顺序交替铺设，或按照先铺土工格栅、后铺级配碎石层的顺序交替铺设；隔振层的长度l、宽度w和厚度t以及隔离层厚度h，需满足l≥0.5LR，w≥0.5LR，t≥0.04LR，0＜h≤0.06LR，其中LR为经表面波测试方法所测得的首层土的瑞利波长；隔离层所用材质为建筑工程中用来制作垫层的材质。2.根据权利要求1所述的隔振装置，其特征在于隔振层的长度1和宽度w是首层土瑞利波长Lk的0.51.0倍，厚度t为瑞利波长Lk的0.040.1倍，隔离层厚度h为瑞利波长1^的0.010.06倍。3.根据权利要求1或2所述的隔振装置，其特征在于每层级配碎石层厚度为1530cm，每层级配碎石层质量均满足地基系数K3(1彡190MPa/m，孔隙率n<18%。4.根据权利要求1至3中任一所述的所述的隔振装置，其特征在于级配碎石层是由粒径为31.520mm、2010mm、105mm的不同粒径的碎石及石粉四种集料对应粒径从大到小的顺序按照质量比199715及体积比84310的配合比紧密碾压而成。5.根据权利要求1至4中任一所述的隔振装置，其特征在于级配碎石含水量为4.0%6.0%。6.根据权利要求1所述的隔振装置，其特征在于所述隔离层的材质为砂砾石或回填土。7.权利要求1至6中任一所述的隔振装置的制备方法，具体步骤如下(1)确定隔振层的长度1、宽度w和厚度t以及隔离层厚度h，需满足1彡0.5Le,w^0.5Le,t彡0.04Le,0<h彡0.06LK，其中LE为经表面波测试方法所测得的首层土(即第一层土)的瑞利波长；(2)使振动设备基础的几何中心与隔振层装置的几何中心的水平投影重合，再根据振动设备基础位置及隔振层的长度1和宽度w，确定隔振装置的边界在地面的投影线；(3)对投影线内的土体进行开挖，开挖前需根据工程情况按照基坑规范采取必要的降水与支护措施；(4)开挖至振动设备基础底部标高下方(h+t)深处；(5)在坑底铺满下土工织物层；(6)在下土工织物层上交替铺设级配碎石层和土工格栅，重复此操作直至隔振层厚度为t；此步骤中既可按照先铺级配碎石层、后铺土工格栅的顺序交替铺设，也可按照先铺土工格栅、后铺级配碎石层的顺序交替铺设。铺摊的级配碎石层的厚度为1530cm，每层级配碎石层质量需满足地基系数K30彡190MPa/m，孔隙率n<18%；(7)铺上土工织物层；(8)分层铺摊隔离层，铺摊厚度为隔振层顶面与振动设备基础底面的间距h，直至振动设备基础底部。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于步骤⑷为开挖至振动设备基础底部标高下方(h+t)深处后，清坑底积水，对坑底实行夯实平整。9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于步骤(6)中铺设级配碎石层时，遵循“先铺两边后铺中间”的原则，以低于2km/h的速度，按照静压12遍一弱振12遍—强振23遍一弱振12遍一静压12遍的工序对碎石层进行碾压；碾压后每层级配碎石层质量需满足地基系数K3(1彡190MPa/m，孔隙率n<18%。10.根据权利要求7至9中任一所述的制备方法，其特征在于步骤(8)中铺摊隔离层后，用中砂或回填土找平、压实。全文摘要本发明属于工业振动控制领域，涉及一种土工格栅加筋碎石隔振装置及其制备方法。该装置包括隔振层和隔离层，隔振层自下而上由下土工织物层、交替铺设的级配碎石层和土工格栅、上土工织物层构成，隔离层位于隔振层之上。本发明基于波的散射原理，提出了用于减少振动设备振动输出的主动隔振装置，对振动设备及其基础造成的中低频振动有良好的隔振效果，可以有效减小振动输出，削弱振动对周围精密仪器、古建筑等的不良影响。隔振层中的石间空隙是良好的排水通道，对软弱地层可兼起到减小(不均匀)沉降、提高承载力的地基改良作用。与其他传统隔振屏障相比，本发明不受地下水侵蚀，性能稳定、持久耐用，可以长期发挥隔振作用。文档编号E02D31/08GK101831922SQ20101015597公开日2010年9月15日申请日期2010年4月23日优先权日2010年4月23日发明者李宁,高广运申请人:同济大学