隔震沟设计及在实际工程中的应用

薛松领，常军,张也

（苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011）

隔震沟设计及在实际工程中的应用

薛松领，常军,张也

（苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011）

隔震沟是阻止地面震动传播的重要措施，通过对实际工程的分析，设计出一条隔振沟降低振源对周边精密仪器的影响。通过对现场可能产生的荷载采集，将采集的荷载输入到有限元模型中作为模型中的动力荷载。其中，土单元的本构模型为摩尔库伦模型，根据当地的工程地质勘查报告获取模型参数。通过GTS有限元分析，设置了种3种情况，一：无隔震沟的地面的加速度时程曲线，二：不同深度的隔振沟的地面的加速度时程曲线，三：不同宽度的隔振沟的地面的加速度时程曲线，最终根据精密仪器对振动影响的最低要求确定隔震沟的设计尺寸，验证了隔震效果。结果表明：将隔震沟应用到实际工程中，该隔震沟能阻止地面震动传播。

隔震沟；GTS；隔震；摩尔库伦准则

冲击荷载在采矿、锻造、爆破、土木工程中有广泛的应用，会对附近建筑尤其是安置精密仪器的建筑造成不利影响。如何阻止地面震动传播成为隔震的首要问题。为此，工程界提出了各种措施来阻止地面震动传播。开挖隔震沟是简单有效的方法，但隔震隔开挖的深度目前还没有定论。对于隔震沟的隔震效果和机理，易长平做了数值模拟给出了：隔震沟的宽度对隔震沟的影响不大[1]。邓亚虹总结出隔震沟的位置、深度、宽度影响规律[2]。李志成对隔震沟的尺寸效应做了研究[3]。Kim H将隔震沟的效应与实时控制联系起来[4-5]。Wang等对隔震沟进行了实测效果分析[6]。

该文实在苏州亨通锻造有限公司的动荷载对苏州矩阵光电半导体精密仪器产生影响的具体背景下，通过有限元分析设计出隔震沟来隔离亨通锻造有限公司的动荷载对苏州矩阵光电半导体精密仪器的振动，使其带到精密仪器的工作要求。工艺稳定要求加速度在垂直方向小于0.1 cm/s2，水平方向小于0.02 cm/s2。

1 工程概况

1.1 工程平面布置图

苏州亨通锻造有限公司和苏州矩阵光电均在苏州市张家港凤凰镇内，平面布置图见图1。

1.2 工程地质图及土工参数

土单元采用的是摩尔库伦单元，参数见表1，工程地质图见图2。

表1 土的参数

图1 工程平面布置图

图2 工程地质图

1.3 动力荷载概况

冲击荷载的加载器见图3和图4。

图3 荷载驱动器

图4 荷载加载器

荷载1为冲击荷载见图5，荷载2为简谐荷载见图6，荷载3为挂车-120（主要考虑的是满载卡车对地面振动的影响）。根据现场实测信息，矩阵光电处只有在某些时刻才会受到振动影响。图6的简谐荷载是由离心机产生的一直存在。图5的冲击荷载（全部作用时间10 s）是间歇的，所以荷载取值为：10 s的冲击荷载与10 s的简谐荷载，按图1的位置同时施加在有限元模型上。

图5 冲击荷载

图6 简谐荷载

2 数值分析

2.1 无隔震沟的地面加速度传播分析

为了分析隔震沟的效果,首先模拟了没有隔震沟情况下加速度衰减规律,计算模型见图7，整体尺寸为50 m×50 m×50 m，网格尺寸为1 m×1 m×1 m。加速度衰减规律见图8。

图7 计算模型

图8 加速度峰值衰减规律

结果表明，随到振源距离的增加，由于土的阻尼效应，加速度波的能量被消耗的越多，地面加速度越小。

2.2 不同深度隔震沟的减震效果比较

为了比较不同深度隔震沟的隔震效果，考虑了隔震沟深1～7 m，宽度为1 m的工况下隔震效果。有限元模型见图9（这里只是隔震沟深度为7 m时情况）。图10是7种工况下矩阵光电处水平加速度峰值和垂直加速度峰值对比。

图9 深度为7 m有限元模型

图10 加速度峰值对比

由图10可知，隔震沟越深，其隔震效果越好，对水平加速度的影响较大，对垂直加速度的影响相对较小。减震沟越深，波需要传播路径越长，其损失的能量也越大。对垂直加速度而言，由于土的滤波与放大作用，加速度波在隔振沟附近发生类似于慧更斯衍射的现象，故图9和图10中出现平台与转折点。

2.3 不同宽度减震沟减震效果比较和有无隔振沟效果的分析

为了分析不同宽度减震沟的减震效果，设计了两种工况进行比较。工况1：减震沟深3 m，宽1 m。工况2：减震沟深3 m，宽2 m。有限元模型见图11和图12。图13是两种工况下矩阵光电处加速度对比。最后为了验证开挖隔振沟与无减震沟效果，图14为矩阵光电在有无隔振沟下的加速度时程曲线对比图。

由图13可以看出，两种工况下矩阵光电处的加速度非常接近，说明增加减震沟的宽度对于隔震没有太大意义。由图14可知开挖隔振沟可有效地降低加速度响应，从而隔离振动。

图11 工况1有限元模型

图12 工况2有限元模型

图13 两种工况下加速度对比

图14 有无隔振沟加速度对比

3 结论

隔震沟的开挖使振动波传播的路径变长，能量的损失变大，从而达到隔震效果。隔振效果会受到场地的类别、开挖的深度和地下水文等因数的影响。该文主要有以下3点结论：（1）隔震沟对水平振动影响比垂直振动影响大；（2）隔震沟的隔震效果随隔震沟深度的增加而增加,而隔震沟的宽度变化对减震意义不大；（3）满足矩阵光电要求时，隔震沟开挖深度为7 m。

[1]易长平，陈明，卢文波，等.减震沟减震的数值模拟[J].武汉大学学报（工学版），2005，38（1）：49-52.

[2]邓亚虹，夏唐代，陈敬虞.车辆荷载作用下隔震沟隔震效率影响因素分析[J].岩土力学，2007，28（5）：883-887.

[3]李志成，钱七虎.隔震沟减震效率有限元研究[J].工程力学，1997（A03）：6-10.

[4]KIM H,KIM Y,Kim M,et al.Performance evaluation of a full-scale advanced phase isolation ditch process by using real-time control strategies [J].Korean Journal of Chemical Engineering,2014,31（4）：611-618.

[5]KIM H,KIM Y,CHA J,et al.Model-based evaluation of control strategies for phosphorus removal in a full-scale advanced phase isolation ditch process[J].Water Sci Technol,2009,60（4）：879-888.

[6]WANG W F,SHI X C.Analysis on vibration isolation effect of vibration isolation ditch in feeble-minded strong rammer project[J].Copper Engineering,2007.

Isolation ditch design and its application in practical engineering

XUE Songling,CHANG Jun,ZHANG Ye
（School of Civil Engineering,SUTS,Suzhou 215011,China）

The isolation trench is an important measure to prevent the spread of the ground vibration.Based on the practical engineering,an isolation trench was designed to decrease the influence of the vibration source on the peripheral precision instruments.By means of the load acquisition which may be produced in the field,the collected load was input into the finite element model as the dynamic load in the model.The constitutive model of the soil element is the molar Kulun model,and the model parameters are obtained according to the local engineering geological survey report.Through the GTS finite element analysis,the paper presents three working conditions:one is that of the ground acceleration curve with no isolation ditch conditions,the other is that of curves of isolation trench in different depth,and the last is that of curves of isolation trench in different width,and the design size of the isolation trench is determined ultimately according to the minimum requirement of the peripheral precision instruments for the vibration influence,and the isolation is verified.The result shows that when the isolation trench is applied to the actual engineering,it can prevent the spread of the ground vibration.

isolation ditch;GTS;vibration isolated;molar Kulun model

TV542

A

1672-0679（2016）04-0022-04

（责任编辑：经朝明）

2016-06-22

江苏省自然科学基金项目（BK20141180）；江苏省结构工程重点实验室开放课题（Z1405）；江苏省建设系统科技项目（2015ZD77）；苏州科技大学研究生创新项目（SKCX15_045）

薛松领（1991-），男，江苏扬州人，硕士研究生。

常军（1973-），男，教授，博士，主要从事健康监测与振动控制的研究，Email:changjun21@mail.usts.edu.cn。