一种波阻板构造参数确定方法及波阻板构造方法

1.本发明涉及波阻板构造技术领域，特别是涉及一种波阻板构造参数确定方法及波阻板构造方法。


背景技术：

2.近年来，随着城镇化建设的发展，交通、爆破以及施工等人工引起的振动会通过路基和土壤介质向四周传播，进一步传递到建筑物，进而引发室内产生振动和噪声，可能引起结构损伤，还可能影响沿线居民的正常生活。目前，最常见减弱振动传播的方法是在振源与被保护建筑物之间设置波障，包括空沟和填充沟，排桩和波阻板。波阻板常被埋置于动力机器、轨道及路基下方用以减弱振动的传播。但是传统的波阻板会受土层截止频率的制约，只有振源频率低于土层截止频率时，波阻板才能起到隔振效果，隔振频带较窄；且传统的波阻板需要通过开挖地基来进行埋置，这显然会影响车辆运行，施工过程还会引发二次环境振动污染问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种波阻板构造参数确定方法及波阻板构造方法，有效优化了波阻板的构造参数确定，可以科学化的指导波阻板构造工艺。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种波阻板构造参数确定方法，所述波阻板包括若干个周期性元胞，所述周期性元胞包括挤压层、包覆层和填充层；所述波阻板构造参数确定方法包括：
6.获取目标区域土体中振动波的频率范围，作为目标频率范围；
7.确定结构参数和材料参数互不相同的若干个波阻板构造参数组；所述结构参数包括布置形式、周期距离、包覆层外径、挤压层外径、填充层半径、所述波阻板埋深和波阻板厚度；所述材料参数包括填充层材料参数和包覆层材料参数；
8.根据各波阻板构造参数组，计算获取各波阻板构造参数组对应的阻隔频率范围；
9.确定阻隔频率范围与所述目标频率范围重合程度最大的波阻板构造参数组，并以所述波阻板构造参数组作为波阻板构造指导方案。
10.可选地，所述布置形式包括并排布置和交叉布置。
11.可选地，所述填充层材料参数包括填充层密度和填充层弹性模量；所述包覆层材料参数包括包覆层密度和包覆层弹性模量。
12.可选地，所述根据各波阻板构造参数组，计算获取各波阻板构造参数组对应的阻隔频率范围，具体包括：
13.根据各波阻板构造参数组，建立波阻板有限元模型；
14.对所述波阻板有限元模型进行网格划分，并设置边界性条件；
15.遍历第一布里渊区中的波矢向量求解所述波阻板有限元模型的特征频率方程，得到所述波阻板有限元模型的频散曲线；
16.根据各波阻板有限元模型的频散曲线，确定不同波阻板构造参数组对应的阻隔频率范围。
17.可选地，特征频率方程如下式所示：
18.ku(r)＝ω2mu(r)
19.其中，k为周期性元胞的刚度矩阵，ω为频率，m为周期性元胞的质量矩阵，u(r)为r位置的周期性元胞的位移场，r为位置矢量；u(r)根据下式计算：
20.u(r a)＝ei(k·a)u(r)
21.其中，a为周期距离，即相邻周期性元胞之间的质心距离，为虚数单位；k为第一布里渊区内的波矢向量。
22.对应于前述的波阻板构造参数确定方法，本发明还提供了一种波阻板构造参数确定系统，所述波阻板构造参数确定系统在被计算机运行时，执行如前文所述的波阻板构造参数确定方法。
23.另一方面，本发明还提供了一种波阻板构造方法，包括：
24.利用如前文所述的波阻板构造参数确定方法，确定一波阻板构造指导方案；所述波阻板构造指导方案包括结构参数和材料参数；所述结构参数包括布置形式、周期距离、包覆层外径、挤压层外径、填充层半径、所述波阻板埋深和波阻板厚度；所述材料参数包括填充层材料参数和包覆层材料参数；
25.根据所述波阻板构造指导方案，利用注浆扩孔法指导波阻板的构造工艺。
26.可选地，所述根据所述波阻板构造指导方案，指导波阻板的构造工艺，具体包括：
27.根据所述填充层材料参数，选取填充层材料；
28.根据所述包覆层材料参数，选取包覆层材料；
29.根据所述布置形式、所述周期距离、所述波阻板厚度、所述波阻板埋深和所述填充层外径，进行元胞孔的挖掘；
30.针对任一元胞孔，根据所述填充层半径，在所述元胞孔中布设中空注浆管；所述中空注浆管曲面上设有贯穿孔，贯穿孔高度与所述波阻板厚度保持一致；
31.按照初始注浆压力，向所述中空注浆管注入所述包覆层材料，使包覆层材料填满所述元胞孔与所述中空注浆管之间的空间，在所述中空注浆管外围形成包覆层；
32.根据所述初始注浆压力、所述挤压层外径和地层参数，确定扩孔注浆压力；
33.按照所述扩孔注浆压力，向所述中空注浆管注入所述包覆层材料，使所述包覆层向周围土体挤压，在所述包覆层和周围土体之间形成挤压层；
34.按照填充材料注浆压力，向所述中空注浆管中注入所述填充层材料，得到一周期性元胞。
35.可选地，所述根据所述布置形式、所述周期距离、所述波阻板厚度、所述波阻板埋深和所述填充层外径，进行元胞孔的挖掘，具体包括：
36.根据所述波阻板埋深，确定元胞孔的挖掘深度；
37.根据所述填充层外径，确定元胞孔的挖掘半径；
38.根据所述布置形式，确定波阻板中各元胞孔的排列形式；
39.根据所述周期距离，确定波阻板中相邻元胞孔之间的周期性距离；
40.根据元胞孔的挖掘深度、元胞孔的挖掘半径、波阻板中各元胞孔的排列形式和波
阻板中相邻元胞孔之间的周期性距离，进行元胞孔的挖掘。
41.可选地，根据下式确定扩孔注浆压力：
[0042][0043][0044][0045]
其中，p为扩孔注浆压力，p0为初始注浆压力，au为包覆层外径，r
p
为挤压层外径，c0和分别为土体的有效粘聚力和有效内摩擦角，所述有效粘聚力和有效内摩擦角采用cu试验，并同时采用测孔隙水压力方法来求有效内摩擦角和黏聚力；c
t
和分别为采用统一强度理论得出的统一粘聚力和统一内摩擦角；ua为孔隙气压，由孔隙气压力传感器现场测得；uw为孔隙水压，由孔隙水压力计现场测得；us和cs分别为基质吸力和土体吸附强度；为与基质吸力相关的内摩擦角，可通过非饱和土剪切试验方法来获得；b为统一强度参数，取值范围为0-1。
[0046]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0047]
本发明提供的一种波阻板构造参数确定方法及波阻板构造方法，所述波阻板构造参数确定方法包括：获取目标区域土体中振动波的频率范围，作为目标频率范围；确定结构参数和材料参数互不相同的若干个波阻板构造参数组；所述结构参数包括布置形式、周期距离、包覆层外径、挤压层外径、填充层半径和波阻板厚度；所述材料参数包括填充层材料参数和包覆层材料参数；根据各波阻板构造参数组，模拟各波阻板构造参数组对应的阻隔频率范围；确定阻隔频率范围与所述目标频率范围重合程度最大的波阻板构造参数组，并以所述波阻板构造参数组作为波阻板构造指导方案。本发明提供的波阻板构造参数确定方法，通过对不同结构参数、材料参数的波阻板参数组进行模拟，得到各参数组的阻隔频率范围，将其与目标区域土体中传播的振动波的频率范围进行求交，以在各波阻板参数组中，确定最优的波阻板参数组，以根据该参数组指导后续波阻板构造工艺，科学有效的指导波阻板构造工艺，保障了构造出的波阻板能够充分隔绝土体中振动波的传播。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
[0049]
图1为本发明实施例1提供的一种波阻板构造参数确定方法中波阻板的结构示意图；
[0050]
图2为本发明实施例1提供的波阻板构造参数确定方法中单个周期性元胞的俯视图；
[0051]
图3为本发明实施例1提供的波阻板构造参数确定方法的流程图；
[0052]
图4为本发明实施例1提供的波阻板构造参数确定方法中并排布置的示意图；
[0053]
图5为本发明实施例1提供的波阻板构造参数确定方法中交叉布置的示意图；
[0054]
图6为本发明实施例1提供的波阻板构造参数确定方法中各周期性元胞形状及其第一布里渊区示意图；
[0055]
图7为本发明实施例2提供的波阻板构造参数确定系统的结构示意图；
[0056]
图8为本发明实施例3提供的波阻板构造方法中波阻板的侧视图；
[0057]
图9为本发明实施例3提供的波阻板构造方法中注浆管的示意图；
[0058]
图10为本发明实施例3提供的波阻板构造方法中注浆后结果示意图；
[0059]
图11为本发明实施例3提供的波阻板构造方法中的扩孔注浆压力、包覆层外径和挤压层外径的关系图。
具体实施方式
[0060]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0061]
本发明的目的是提供一种波阻板构造参数确定方法及波阻板构造方法，有效优化了波阻板的构造参数确定，可以科学化的指导波阻板构造工艺。
[0062]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0063]
实施例1：
[0064]
本实施例提供了一种波阻板构造参数确定方法，如图1所示的波阻板结构示意图，波阻板包括按照一定规则排列的若干个周期性元胞；如图2所示的单个周期性元胞俯视图，周期性元胞包括自外而内的挤压层、包覆层和填充层；如图3所示的流程图，该波阻板构造参数确定方法包括：
[0065]
a1、获取目标区域土体中振动波的频率范围，作为目标频率范围。
[0066]
a2、确定结构参数和材料参数互不相同的若干个波阻板构造参数组；所述结构参数包括布置形式、周期距离、包覆层外径、挤压层外径、填充层半径、所述波阻板埋深和波阻板厚度；所述材料参数包括填充层材料参数和包覆层材料参数。
[0067]
具体来说，如图4-图5所示的，布置形式包括并排布置图4所示和交叉布置图5所示。填充层材料参数包括填充层密度和填充层弹性模量；所述包覆层材料参数包括包覆层密度和包覆层弹性模量。
[0068]
a3、根据各波阻板构造参数组，计算获取各波阻板构造参数组对应的阻隔频率范
围。本实施例中，步骤a3具体包括：
[0069]
a31、根据各波阻板构造参数组，建立波阻板有限元模型。
[0070]
a32、对所述波阻板有限元模型进行网格划分，并设置边界性条件。
[0071]
a33、遍历第一布里渊区中的波矢向量求解所述波阻板有限元模型的特征频率方程，得到所述波阻板有限元模型的频散曲线；如图6所示，不同布置形式下的波阻板，其中的周期性元胞的形状与结构各有不同，对应的第一布里渊区也有区别；图中黑色部分为第一不可约布里渊区，m、γ和x分别为边界上的高对称点。
[0072]
本实施例中，特征频率方程如下式所示：
[0073]
ku(r)＝ω2mu(r)
[0074]
其中，k为周期性元胞的刚度矩阵，ω为频率，频率可根据指定波矢向量k得到，m为周期性元胞的质量矩阵，u(r)为r位置的周期性元胞的位移场，r为位置矢量。u(r)根据下式计算：
[0075]
u(r a)＝ei(k·a)u(r)
[0076]
其中，a为周期距离，即相邻周期性元胞之间的质心距离，为虚数单位；k为第一布里渊区内的波矢向量。求解特征频率方程，可以得到给定波矢向量k时的频率ω，遍历第一布里渊区的波矢向量，得到频散曲线。
[0077]
a34、根据各波阻板有限元模型的频散曲线，进一步确定不同波阻板构造参数组对应的带隙范围，即阻隔频率范围。
[0078]
a4、确定阻隔频率范围与所述目标频率范围重合程度最大的波阻板构造参数组，并以所述波阻板构造参数组作为波阻板构造指导方案。
[0079]
本实施例中通过现场实测手段获取车辆引起的振动波在目标区域土体中传播时所集中的频率范围。随后基于bloch理论，通过有限元分析建立周期性波阻板的有限元模型，并对模型进行网格划分和设置周期性边界条件，然后通过扫略第一布里渊区内的波矢向量来求解特征频率方程，分析波阻板的不同结构参数和材料参数对其阻隔频率范围的影响，获取各波阻板的阻隔频率范围。最后基于所确定的目标频率范围和各波阻板的阻隔频率范围，分析和判断目标频率和阻隔频率范围的关系，如果满足关系目标频率范围∩阻隔频率范围最大时，将此时波阻板的构造参数作为最终的构造指导参数。
[0080]
实施例2：
[0081]
本发明实施例1的波阻板构造参数确定方法也可以借助于图7所示的波阻板构造参数确定系统的架构来实现。如图7所示，该波阻板构造参数确定系统可以包括目标频率范围确定模块、构造参数组确定模块、阻隔频率范围确定模块和构造指导方案确定模块；一些模块还可以有用于实现其功能的子单元，例如在构造指导方案确定模块中包括频率范围比较单元和最优参数组确定单元。当然，图7所示的架构只是示例性的，在一些实施方式中，可以在一些模块中添加其他的单元；另外在需要实现不同的功能时，根据实际需要，也可以省略图7示出的系统中的一个或至少两个组件。
[0082]
实施例3：
[0083]
本实施例对应于实施例1所提供的一种波阻板构造参数确定方法，提供了一种波阻板构造方法，该波阻板构造方法包括：
[0084]
b1、利用如前文所述的波阻板构造参数确定方法，确定一波阻板构造指导方案；所
述波阻板构造指导方案包括结构参数和材料参数；所述结构参数包括布置形式、周期距离、包覆层外径、挤压层外径、填充层半径、波阻板埋深和波阻板厚度；所述材料参数包括填充层材料参数和包覆层材料参数。
[0085]
b2、根据所述波阻板构造指导方案，利用注浆扩孔法指导波阻板的构造工艺。本实施例中，步骤b2具体包括：
[0086]
b21、根据所述填充层材料参数，选取填充层材料。
[0087]
b22、根据所述包覆层材料参数，选取包覆层材料。
[0088]
b23、根据所述布置形式、所述周期距离、所述波阻板厚度、所述波阻板埋深和所述填充层外径，进行元胞孔的挖掘。
[0089]
本实施例中，步骤b23具体包括：
[0090]
b231、根据所述波阻板埋深，确定元胞孔的挖掘深度。波阻板埋深决定了元胞孔的挖掘深度，而波阻板厚度则小于波阻板埋深，从波阻板顶部到地面的距离加上波阻板厚度，得到波阻板埋深；如图8所示的波阻板侧视图或正视图，波阻板厚度决定了波阻板的在地下的厚度。
[0091]
b232、根据所述填充层外径，确定元胞孔的挖掘半径。
[0092]
b233、根据所述布置形式，确定波阻板中各元胞孔的排列形式。
[0093]
b234、根据所述周期距离，确定波阻板中相邻元胞孔之间的周期性距离。
[0094]
b235、根据元胞孔的挖掘深度、元胞孔的挖掘半径、波阻板中各元胞孔的排列形式和波阻板中相邻元胞孔之间的周期性距离，进行元胞孔的挖掘。
[0095]
b24、针对任一元胞孔，根据所述填充层半径，在所述元胞孔中布设中空注浆管；所述中空注浆管曲面上设有贯穿孔，贯穿孔高度与所述波阻板厚度保持一致。如图9所示，中空注浆管的贯穿孔是指在注浆管周侧一定高度范围内开孔，其中注浆管底侧封闭。如此，通过后续的注浆操作可如图10所示的，在一定高度下形成具有一定厚度的周期性元胞。
[0096]
b25、按照初始注浆压力，向所述中空注浆管注入所述包覆层材料，使包覆层材料填满所述元胞孔与所述中空注浆管之间的空间，在所述中空注浆管外围形成包覆层。
[0097]
b26、根据所述初始注浆压力、所述挤压层外径和地层参数，确定扩孔注浆压力；扩孔注浆压力、包覆层外径和挤压层外径的关系如图11所示，本实施例中根据下式确定扩孔注浆压力：
[0098][0099]
[0100][0101]
其中，p为扩孔注浆压力，p0为初始注浆压力，au为包覆层外径，r
p
为挤压层外径，c0和分别为土体的有效粘聚力和有效内摩擦角，所述有效粘聚力和有效内摩擦角采用cu试验，并同时采用测孔隙水压力方法来求有效内摩擦角和黏聚力；c
t
和分别为采用统一强度理论得出的统一粘聚力和统一内摩擦角；ua为孔隙气压，由孔隙气压力传感器现场测得；uw为孔隙水压，由孔隙水压力计现场测得；us和cs分别为基质吸力和土体吸附强度；为与基质吸力相关的内摩擦角，可通过非饱和土剪切试验方法来获得；b为统一强度参数，取值范围为0-1。
[0102]
b27、按照所述扩孔注浆压力，向所述中空注浆管注入所述包覆层材料，使所述包覆层向周围土体挤压，在所述包覆层和周围土体之间形成挤压层。
[0103]
b28、按照填充材料注浆压力，向所述中空注浆管中注入所述填充层材料，得到一周期性元胞。
[0104]
重复上述步骤b24～b28，构造所有周期性元胞，得到包括若干个周期性元胞的周期性波阻板。
[0105]
除上述内容之外，本实施例通过一个具体的例子对本实施例提供的波阻板构造方法进行说明：
[0106]
第一步、注浆钻孔施工。根据确定的波阻板构造参数，采用地质钻机钻穿路面路基达到波阻板布置深度要求。钻孔初始孔径一般可设置为90～110mm，钻孔垂直度保证《1％。为防止引起路面变形，要求周期性常数满足a≥2r
p
。
[0107]
第二步：中空注浆管埋置及孔口注浆装置。孔口注浆装置可采用混合器式。当中空注浆管和注浆孔之间的缝隙较大时，需将橡胶圈套在侧孔上方，然后采用水泥浆液或水泥水玻璃浆液进行密封固定。
[0108]
第三步：在第二步所述中空注浆管埋置及孔口注浆装置埋设1-3天后，采用高压旋喷注浆方式进行注浆，为加速浆液凝固，可采用先喷一遍水泥再喷一遍水玻璃的方式，进行双液旋喷。
[0109]
第四步：在第三步所述高压旋喷注浆结束后，利用孔口注浆装置封住孔口进行静压注浆，通过静压注浆可以扩大浆液注浆范围。为防止旋喷浆液固结，静压注浆开始时采用较稀的浆液和较低的注浆压力，随后逐渐增加浆液浓度和浆液压力，直至达到设计注浆量和注浆压力为止。
[0110]
第五步：封孔及孔口处理。静压注浆结束后，如果注浆孔冒浆，需要对孔口进行封闭处理。同时为防止雨水下渗，需要在孔口灌注具有防渗性和耐久性的浆液。
[0111]
另外，本例中还提供了如下设计参考：
[0112]
为了保证波阻板在不同土质，不同振动条件下均能取得理想的隔振效果，按照保守情况给出波阻板的埋深及几何尺寸参考取值范围(仅为参考取值范围，实际工程可根据隔振所需自行取值)：
[0113]
距路面深度，即波阻板埋深(h)：(0.01～0.06)λr[0114]
波阻板厚度(h)：(0.04～0.09)λr[0115]
波阻板长度(l)：需要根据目标区域范围来进一步确定。
[0116]
波阻板宽度(w)：与路面宽度保持一致。
[0117]
其中：λr为主要rayleigh波波长。
[0118]
本实施例中，利用实施例1的波阻板构造参数确定方法，通过对不同结构参数、材料参数的波阻板参数组进行模拟，得到各参数组的阻隔频率范围，将其与目标区域土体中传播的振动波的频率范围进行求交，以在各波阻板参数组中，确定最优的波阻板参数组，并在后续根据该参数组指导后续波阻板构造工艺，科学有效的指导波阻板构造工艺，保障了构造出的波阻板能够充分隔绝土体中振动波的传播。
[0119]
技术中的程序部分可以被认为是以可执行的代码和/或相关数据的形式而存在的“产品”或“制品”，通过计算机可读的介质所参与或实现的。有形的、永久的储存介质可以包括任何计算机、处理器、或类似设备或相关的模块所用到的内存或存储器。例如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器或者类似任何能够为软件提供存储功能的设备。
[0120]
所有软件或其中的一部分有时可能会通过网络进行通信，如互联网或其他通信网络。此类通信可以将软件从一个计算机设备或处理器加载到另一个。例如：从视频目标检测设备的一个服务器或主机计算机加载至一个计算机环境的硬件平台，或其他实现系统的计算机环境，或与提供目标检测所需要的信息相关的类似功能的系统。因此，另一种能够传递软件元素的介质也可以被用作局部设备之间的物理连接，例如光波、电波、电磁波等，通过电缆、光缆或者空气等实现传播。用来载波的物理介质如电缆、无线连接或光缆等类似设备，也可以被认为是承载软件的介质。在这里的用法除非限制了有形的“储存”介质，其他表示计算机或机器“可读介质”的术语都表示在处理器执行任何指令的过程中参与的介质。
[0121]
本文中应用了具体个例，但以上描述仅是对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；本领域的技术人员应该理解，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0122]
同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。