一种用于地铁隧道的桩基础减振降阻结构及其设计方法与流程

本发明涉及桩基础减振领域，具体涉及的是一种用于地铁隧道的桩基础减振降阻结构及其设计方法。

背景技术：

随着城市更新和地铁建设的飞速发展，以后类似于本项目的地铁上盖建筑情况不可避免并会越来越多。地铁采用公交化运营，每列列车通过建筑物的间隔时间2-6分钟，地铁车轮与钢轨之间的摩擦碰撞、地铁车厢与空气摩擦等作用共同产生的振动和噪音会给周边环境带来不利影响。地铁振动能量沿轨道、道床传递到隧道结构衬砌上，再经由隧道衬砌和周围地层、地基、基础、地下室结构等中间介质传至地面和上部结构，引发二次振动和噪音，直接干扰上盖建筑居民的日常生活和休息环境，降低生活舒适度，为避免建筑结构荷载、桩基对地铁隧道产生的不利影响，地下室结构底板转换大梁底与地铁隧道顶的净距离不得小于1.5d即9.0m。为此在两条地铁隧道的中间和外侧需各设置一排桩基础共3排桩基础，同时要求工程桩与隧道的水平净距离不得小于3.0m，因此两条隧道中间桩的直径最大为2.0m，这样地下室底板结构转换大梁的跨度至少为14.0m，为此对于超大的结构荷载拟采用多次转换梁的结构转换型式。

为解决地铁运营时产生的振动和噪音对周围环境或上盖建筑的不利影响，国内外学者对类似课题开展了不少的减振降噪的研究。其中主要以地铁或建筑结构减振研究为主的成果包括：避免小半径轨道曲线、润滑车轮或钢轨踏面、采用阻尼车轮或弹性车轮、轨道减振器扣件及设置弹性短轨轨道，建筑结构设置弹性支座等。

但地铁下穿建筑物的振动和噪音传递过程复杂，按照传递路径会受到地铁轨道结构、地铁隧道结构和埋深、地铁隧道周边围岩、建筑地基、建筑基础和建筑结构的影响，涉及岩土工程、隧道工程、基础工程、结构工程、振动力学、结构动力学等多专业多学科知识；为了解决上述问题，需考虑地铁和本项目建筑之间的相互影响，对地铁隧道的上盖建筑采取有效的减振隔振措施。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于地铁隧道的桩基础减振降阻结构，该结构应用于地铁正上方的超高层住宅楼群，该超高层住宅楼群底部为基础转换梁，基础转换梁下部设置多个大直径桩基，大直径桩基之间为地铁隧道，所述多个大直径桩基距离隧道边净距不小于3m；桩底比隧道底更深；所述减振降阻结构设置在大直径桩基的外表面；

所述大直径桩基的制作包括在混凝土桩的钢筋笼外缘套一圈钢护筒，形成钢管混凝土桩，在钢护筒外通过粘结剂粘有橡胶层，橡胶层外涂刷降阻涂层；降阻涂层为工业润滑脂层，涂层外设置有pvc保护膜，pvc保护膜外设置有混凝土保护层，在保护层和橡胶层的底部设置端头固定件。

工业润滑脂层为黄油。

工业润滑脂层的涂层厚度为0.5mm，pvc保护膜厚度为1mm；保护层紧密包裹橡胶层。橡胶层长度为18m，橡胶卷材的规格为6300mm×1500mm×30mm。

经综合对比多组桩基础减振隔离材料，如砂、陶粒＋砂、橡胶粒＋砂、橡胶层等，发现砂、陶粒＋砂、橡胶粒＋砂，虽有减振降阻的效果，但施工难度大，实际工程难以实施，在工程桩的灌注混凝土过程种，会受到破坏或者由于散体粒状结构比重轻而浮起。

橡胶因为具有滞后、阻尼及能进行可逆大变形的特点，具有较好的减振效果。用橡胶制作的减振器件广泛应用于工业和民用领域，特别是在汽车、轨道交通、航天、建筑工程等领域非常普遍。经研究发现，通过在工程桩基础的外壁增加一层减振耐久性好且不易受天候影响的硫化橡胶层，可以明显降低岩土体振动波通过基桩的传导率，从而实现桩基减振的目的和效果，而且施工难度比其他三组材料大大降低。

因此，最后确定拟采用橡胶层进行桩基础的减振降阻。但由于工程桩为混凝土材料，而且为现浇材料后成型，无法跟橡胶较好的粘结，同时为增大工程桩的抗压和水平抗剪性能以及整体稳定性，在混凝土桩的钢筋笼外缘套一圈钢护筒，形成钢管混凝土桩，再在钢管外壁粘结橡胶层，可以很好的解决混凝土与橡胶的粘结问题，同时增加工程桩的强度和刚度，也实现了对因桩侧减阻造成的桩身强度和稳定性减弱的问题的解决。

通过在橡胶层外部再涂刷降阻涂层，则又可降低桩基在承受上部结构荷载作用时压缩下沉过程中对周围岩土体等产生的摩擦力，从而降低桩基下沉对周边岩土体和岩土体中地铁隧道的不利影响。

本发明取得的有益效果为：1、根据对比多组桩基础减振隔离材料，如砂粒、陶粒、橡胶粒、橡胶层等，发现砂粒、陶粒+砂、橡胶粒+砂，虽然有减振降阻的效果，但应用于工程桩的减振降阻则存在较大施工难度，在桩基础成桩的灌注混凝土时，散体粒状材料在施工时会受到破坏或者由于比重轻而浮起。因此，最终综合各方面性能及施工便捷性的分析研究，确定采用在工程桩钢筋笼外缘套钢护筒后外包橡胶层的减振方案；钢护筒套与工程桩钢筋笼形成一体，不仅实现了对地铁保护的要求，而且增加了工程桩的强度和刚度，确保了超高层结构和基础的整体稳定性。

2、根据上述有限元计算结果，当桩周无降阻材料时，在上部结构总荷载的作用下将会引起邻近隧道结构发生最大为8.381mm的沉降，沉降最大的区域位于隧道拱顶偏向桩基方向。当桩周有降阻材料时，在上部结构总荷载的作用下将会引起邻近隧道结构的最大沉降值为4.054mm。可见在工程桩的隧道范围段设置桩侧的减阻减沉层材料对地铁隧道的变形影响明显减少，可实现对地铁隧道的有效保护。

3、当桩周无降阻材料时，在上部结构总荷载的作用下将会引起邻近隧道结构的弯矩增量为33.943kn•m/m，增幅为56.20%，弯矩增量非常大，管片错台或者开裂的风险极大，必须采取降阻措施降低风险。当桩周有降阻材料时，在上部结构总荷载的作用下将会引起邻近隧道结构的弯矩增量为11.548kn•m/m，增幅为19.12%，在隧道设计安全系数范围内，隧道安全。

根据上述有限元计算结果分析可知，当隧道以上的旋挖工程桩在隧道埋深段的外侧采用橡胶层包裹及涂抹降阻润滑层后，桩侧阻力传递给桩周岩土体的比例大为降低，隧道结构也不会有较大的沉降和附加应力发生，确保了隧道结构的安全。但采用降阻设计后，隧道以上段工程桩的侧阻力无法发挥，在承载力不变的情况下，必须增加桩长才能满足设计要求的基桩承载力。

4、当地铁振动在桩身处的扰动频率为20hz时，减振效率为54%，随着扰动频率的增大，减振效率增高。当扰动频率为100hz时，减振效率为97%。工程桩采取减振措施设计后，大幅度的减低了隧道振动对上部建筑物的影响，因隧道运营引起的上部建筑物振动频率满足规范要求，提高了建筑物的舒适性和品质。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的大直径桩的外表面布置图；

图3为本发明图2大直径桩的局部i处的放大示意图；

图4为本发明的桩周有降阻材料模型图；

图5为隔振体系动刚度计算的简化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述，但不代表其为本发明的唯一实施方式。

如图所示，

一种用于地铁隧道的桩基础减振降阻结构，该结构应用于地铁正上方的超高层住宅楼群，该超高层住宅楼群底部为基础转换梁1，基础转换梁下部设置多个大直径桩基2，大直径桩基之间为地铁隧道3，所所述多个大直径桩基距离隧道边净距不小于3m；桩底比隧道底更深；所述减振降阻结构设置在大直径桩基的外表面；

所述大直径桩基的制作包括在混凝土桩的钢筋笼外缘套一圈钢护筒4，形成钢管混凝土桩，在钢护筒外通过粘结剂粘10有橡胶层5，橡胶层外涂刷降阻涂层6；降阻涂层为工业润滑脂层，涂层外设置有pvc保护膜7，pvc保护膜外设置有混凝土保护层8，在pvc保护膜和橡胶层的底部设置端头固定件9。

工业润滑脂层为黄油。

工业润滑脂层的涂层厚度为0.5mm，pvc保护膜厚度为1mm。橡胶层长度为18m，橡胶卷材的规格为6300mm×1500mm×30mm。

经综合对比多组桩基础减振隔离材料，如砂、陶粒＋砂、橡胶粒＋砂、橡胶层等，发现砂、陶粒＋砂、橡胶粒＋砂，虽有减振降阻的效果，但施工难度大，实际工程难以实施，在工程桩的灌注混凝土过程种，会受到破坏或者由于散体粒状结构比重轻而浮起。

橡胶因为具有滞后、阻尼及能进行可逆大变形的特点，具有较好的减振效果。用橡胶制作的减振器件广泛应用于工业和民用领域，特别是在汽车、轨道交通、航天、建筑工程等领域非常普遍。经研究发现，通过在工程桩基础的外壁增加一层减振耐久性好且不易受天候影响的硫化橡胶层，可以明显降低岩土体振动波通过基桩的传导率，从而实现桩基减振的目的和效果，而且施工难度比其他三组材料大大降低。

因此，最后确定拟采用橡胶层进行桩基础的减振降阻。但由于工程桩为混凝土材料，而且为现浇材料后成型，无法跟橡胶较好的粘结，同时为增大工程桩的抗压和水平抗剪性能以及整体稳定性，在混凝土桩的钢筋笼外缘套一圈钢护筒，形成钢管混凝土桩，再在钢管外壁粘结橡胶层，可以很好的解决混凝土与橡胶的粘结问题，同时增加工程桩的强度和刚度，也实现了对因桩侧减阻造成的桩身强度和稳定性减弱的问题的解决。

通过在橡胶层外部再涂刷降阻涂层，则又可降低桩基在承受上部结构荷载作用时压缩下沉过程中对周围岩土体等产生的摩擦力，从而降低桩基下沉对周边岩土体和岩土体中地铁隧道的不利影响。

橡胶老化性能。与建筑橡胶隔震（振）支座相同。

橡胶疲劳性能。橡胶的疲劳寿命（垂向加载，频率4hz~5hz，力幅8kn~40kn）应大于300万次，橡胶表面应无外观损伤，且静刚度变化应不大于15%，垂向永久变形应小于1mm。

橡胶的阻尼比。橡胶的阻尼比应取0.07~0.1。

根据减振目标设计橡胶层厚度为30mm。根据地铁振动影响深度，并考虑到桩基的安全性，橡胶包裹层长度为18m。橡胶卷材的规格为6300mm×1500mm×30mm。

胶黏剂与钢板之间应有足够的粘结力，其粘合后的破坏类型应表现为橡胶破坏。

表1环氧胶黏剂性能

减振效率计算：

（1）被动隔振体系传递率的计算公式：

（1）

其中，nz隔振体系竖向无阻尼圆频率，ω是外界扰动频率，ξz是隔振体系竖向阻尼比（本项目取值为0.1）。

（2）隔振体系圆频率计算公式：

（2）

其中，隔振体系的动刚度，是隔振体系的质量，是隔振体系的重量。

（3）隔振体系动刚度计算。取1m长钢管桩作为研究对象，则钢管桩总重量m=3.14×12×1×2500=7850×103kg，外包橡胶层与钢管桩形成的隔振体系在工作时，实际受压区按照投影面积计算，因此实际受压区为矩形，边长a为2m，边长b为1m，厚度h为30mm。

承载面积

自由面积

面积比（形状因数）

垂向形状系数

由图1-4查得杨氏弹性模量：当hs=35时，=1.5n/mm2，动静刚度比取1.4，则=1.5×1.4=2.1n/mm2

橡胶硬度（hs）与杨氏弹性模量（）的关系如上图（图1-4）。

垂向刚度(n/mm)

=38.16×106kn/mm

（4）将垂向刚度代入（2）式中，可得隔振体系圆频率为，

11（hz）

（5）将隔振体系圆频率代入（1）式中，可得隔振体系的传递率为，

减振效率计算表

结论：当地铁振动在桩身处的扰动频率为20hz时，减振效率为54%，随着扰动频率的增大，减振效率增高。当扰动频率为100hz时，减振效率为97%。

选用工业用润滑脂作为降阻涂层。为了保证在整个建设过程中，都能起到润滑作用。其还应具有良好的温度适应性和极压抗磨性，并具有优良的抗水性、机械安定性、防锈性、氧化安定性等。

工业润滑脂的参数表

pvc保护膜选用pvc塑料布，厚度为0.5mm。塑料布应有足够的抗拉裂强度和顺滑度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化或修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。