基于人工弹簧模型的周期排桩计算方法与特性

摘要

周期性排桩作为一种新型减振体系，可实现对振动的抑制甚至隔离，在隔振减振领域具有重要意义。土体中周期性排桩存在衰减域，对处于衰减域内的振动具有明显的隔离作用。本文基于周期理论和能量原理引入人工弹簧模型模拟周期单元边界和桩土密接边界，将边界约束转化为弹簧的弹性势能，以克服传统能量法难以构造满足边界条件位移形函数的问题。扫描波数计算衰减域时，只有周期边界的弹性势能对应的刚度矩阵包含波数项，质量矩阵和其余刚度矩阵不含波数项，不需要重复计算，大幅度减少了计算量。对形函数项数和人工弹簧刚度进行收敛性分析，并与有限元法、平面波展开法对比，证明本文方法不仅具有较高的准确性，还具有更高的计算效率。对比六边形和正方形不同排桩形式发现，当填充率相同时，六边形排桩比正方形排桩的衰减域宽度大；对比管桩和实心桩不同桩型发现，当填充率相同时，管桩的衰减域宽度比实心桩更大。此外，分析填充土体对衰减域的影响发现，衰减域宽度随填充土体密度增大而增大，随填充土体弹性模量增大先增大后减小且在弹性模量约16 MPa时衰减域宽度最大。

关键词

岩土工程 / 减振 / 周期排桩 / 衰减域 / 能量法 / 人工弹簧