劉晶磊 王奧運(yùn) 趙 倩 張瑞恒

(河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

多排隔振井減隔振效果模型試驗(yàn)研究

劉晶磊 王奧運(yùn) 趙 倩 張瑞恒

(河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

以研究隔振井的減隔振效果為目的.通過(guò)模型試驗(yàn)的方式，在試驗(yàn)箱中設(shè)置隔振井作為減隔振措施，將隔振井排數(shù)、深度和排布形式三因素考慮在內(nèi).結(jié)果表明：隔振井減隔振效果明顯，隔振井可使土體加速度加速度衰減23.4%～67.0%；隔振井排數(shù)改變對(duì)減隔振效果影響明顯，隨著排數(shù)增加加速度衰減率范圍為23.4%～65.9%；隔振井深度對(duì)減隔振效果影響顯著，隨著深度增加加速度衰減率范圍為28.6%～67.0%；排布形式的改變對(duì)減隔振效果有影響，不同排布形式下加速度衰減率范圍為40.6%～60.6%.

減隔振；隔振井；模型試驗(yàn)

0 引 言

隨著社會(huì)發(fā)展，軌道交通作為一種更為快速的交通方式得到迅猛發(fā)展，但是其進(jìn)步帶來(lái)的一系列的振動(dòng)問(wèn)題，也受到了廣泛關(guān)注[1-5].現(xiàn)有研究表明：振動(dòng)波在土體中是以體波與面波兩種形式傳播，其中體波分為橫波和縱波，而面波主要以瑞利波的形式傳播，瑞利波因?yàn)槠渌p速率慢，所以引起的地面振動(dòng)最劇烈[6].研究表明：表面波在列車(chē)振動(dòng)中占據(jù)主要地位，而阻斷其在土中的傳播路徑可以有效減少振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響[7].本文采用的隔振井就是通過(guò)這種方式對(duì)振動(dòng)波進(jìn)行阻隔達(dá)到減隔振目的.

學(xué)者們?yōu)榻档推湔駝?dòng)對(duì)環(huán)境的影響而做出了不懈努力.張鼎[8]進(jìn)行了散射系數(shù)的求解并且建立了隔振效果的數(shù)學(xué)模型，其運(yùn)用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的方法對(duì)排樁的減隔振效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：排樁半徑越大，對(duì)平面P破的隔震效果越好；排樁數(shù)量越多，隔震效果越明顯；排樁間距越小，隔震效果越突出.丘暢[9]將瑞雷波散射理論積分方程作為基礎(chǔ)以此來(lái)建立單排樁與多排樁的三維模型，并且研究了幾個(gè)影響減隔振效果的參數(shù)，得出結(jié)果：對(duì)多排樁隔振效果影響最大的是樁的排數(shù)，而樁的截面尺寸對(duì)減隔振效果影響不大.馮勁[10]使用了ANSYS有限元軟件來(lái)模擬波阻板屏作為隔振措施，并分析了其減隔振效果和影響因素，由三組波阻板的隔振效果試驗(yàn)，得到彈性波阻板作為隔振措施具有很好的隔振效果.Kawamura S等[11]對(duì)地面溝槽的減隔振效果和原理進(jìn)行了研究，得到一種將動(dòng)態(tài)阻尼器與地面溝槽兩者結(jié)合在一起的減隔振措施.陳煒昀等[12]通過(guò)非飽和孔隙介質(zhì)理論，得出非飽和土體中的平面S波傳播規(guī)律，并且對(duì)平面S波在非飽和土體的自由邊界處反射問(wèn)題進(jìn)行了分析.Woods[13]提出將空溝作為減隔振措施，將波長(zhǎng)作為參數(shù)進(jìn)行研究，從機(jī)理上研究了溝深在幾倍波長(zhǎng)時(shí)減隔振效果較好，為空溝作為減隔振措施提供了參考.侯德軍等[14]使用有限元軟件ANSYS建模分析了空溝在深度、寬度、空溝位置和頻率等因素下的減隔振效果，得到空溝深度對(duì)減隔振效果影響最大，高頻振動(dòng)時(shí)空溝減隔振效果更明顯.

以上研究中，基于工程現(xiàn)場(chǎng)的減隔振措施研究，試驗(yàn)困難，費(fèi)用高昂，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變量較多不好控制，故得出數(shù)據(jù)不精確.而基于數(shù)值分析的減隔振研究，會(huì)面臨有限元模型和試際工況存在差異的問(wèn)題，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確.本文使用模型試驗(yàn)的方法，將隔振井作為減隔振措施，把隔振井排數(shù)、深度和排布形式三因素考慮在內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)加速度衰減率和振幅降低比Ar。[13]表示隔振井減隔振效果和影響因素.

1 試驗(yàn)概況

模型試驗(yàn)采用長(zhǎng)×寬×高是2 m×1.5 m×1.5 m的箱體，粒徑小于5.0 mm粉質(zhì)粘土置于箱內(nèi)，土體含水率控制在9%～10%，分層夯實(shí)土體，密度控制為1800 kg/m3～1 900 kg/m3[15].為了防止振動(dòng)波遇到鋼制箱體會(huì)發(fā)生反射對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，故把5 cm厚擠塑式聚苯乙烯板布設(shè)箱體內(nèi)側(cè)四周，并確保其與箱體內(nèi)壁緊密接觸.邊界處理方式如圖1所示.該試驗(yàn)采用WS-Z30型振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)，設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集控制儀、功率放大器、電荷放大器、激振器、信號(hào)發(fā)生器、加速度計(jì)放大器、加速度傳感器(靈敏度為4PC/ms-2，頻率響應(yīng)為0.2～8 000 Hz，測(cè)量范圍為50 m/s2，質(zhì)量28.5 g)，為了讓加速度傳感器與土體要緊密貼合，本試驗(yàn)在傳感器底部安裝一個(gè)外徑為60 mm，厚度為2 mm，質(zhì)量為55 g的金屬墊片，形成一個(gè)底座，加速度傳感器詳圖如2所示.

圖1 邊界處理方式及加速度傳感器布置圖 圖2 加速度傳感器詳圖

本試驗(yàn)采用洛陽(yáng)鏟在土體表面挖出直徑為5 cm隔振井，通過(guò)挖出不同深度、排數(shù)、排布形式的隔振井來(lái)研究隔振井減隔振效果及影響因素.為研究隔振井減隔振效果及影響因素，試驗(yàn)中采用4個(gè)加速度傳感器，其中1#～2#放置在土體表面并以此排列在箱體頂面中軸線(xiàn)上，用于對(duì)土體本身豎向加速度值進(jìn)行采集，隔振井設(shè)置在1#傳感器與2#傳感器之間，隔振井及傳感器實(shí)體布置如圖3所示，3#～4#傳感器布置在箱體側(cè)面，用于檢測(cè)在試驗(yàn)中箱體產(chǎn)生共振的程度，減少箱體振動(dòng)對(duì)土體內(nèi)部振動(dòng)的疊加.相似理論要求實(shí)際工程現(xiàn)象要在模型試驗(yàn)中體現(xiàn)出來(lái)，基于此振動(dòng)頻率范圍設(shè)置為高頻、中頻、低頻，在試驗(yàn)過(guò)程中選定激振頻率范圍為1 Hz～200 Hz的正弦波進(jìn)行激振，采樣頻率5000次/s，采樣時(shí)間10 s，在此期間電荷放大器數(shù)值要保持一致[15].

(a)無(wú)減隔振措施布置 (b)四排隔振井

頻率/Hz加速度/m·s-22#傳感器3#傳感器4#傳感器200.3610.0070.008800.1750.0050.0051500.1320.0020.003

3#～4#傳感器貼于箱體四周外壁上，通過(guò)表1可知3#～4#傳感器在高中低三種頻率上加速度都比2#傳感器小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，故四周設(shè)置擠塑式聚苯乙烯板具有很好的減隔振效果，箱體振動(dòng)足夠小，可以認(rèn)為激振器發(fā)出的振動(dòng)波在傳播路徑中被吸收，反射對(duì)傳感器擾動(dòng)可以忽略不計(jì)，保證了得到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.

2 數(shù)據(jù)處理方式

在本試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采用地表垂直加速度來(lái)表示，隔振井減隔振效果使用振幅降低比Ar來(lái)表示，表達(dá)式如式(1)，Ar越小則減隔振效果越好[13]：

(1)

式中：a1為設(shè)置隔振井減隔振措施加速度值；a0為無(wú)減隔振措施加速度值.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 隔振井減隔振效果分析

為了研究隔振井的減隔振效果，將進(jìn)行無(wú)減隔振措施和隔振井減隔振措施(深度50 cm，四排隔振井)兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，每組試驗(yàn)激振頻率范圍在1 Hz～200 Hz，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用地表垂直加速度表示.無(wú)減隔振措施和四排隔振井在60 Hz下時(shí)域曲線(xiàn)對(duì)比如圖4所示.

圖4 無(wú)減隔振措施與四排隔振井時(shí)域曲線(xiàn)對(duì)比(60 Hz)

頻率/Hz加速度/m·s-2無(wú)減隔振措施四排隔振井振幅降低比Ar/%200.3610.1230.341800.1750.0640.3661500.1320.0540.409

由圖4可知：在四排隔振井減隔振措施下同無(wú)減隔振措施相比加速度明顯減少；表2描述了在不同頻率下無(wú)減隔振措施與四排隔振井兩種工況下加速度值的比較，從表中可以看出：土體的加速度值會(huì)隨著頻率上升而降低，不同頻率下在隔振井減隔振措施下加速度都會(huì)有明顯下降，其加速度衰減率在59.1%～65.9%之間，而其振幅降低比Ar為34.1%～40.9%.綜上所述：隔振井具有明顯的減隔振效果.

3.2 隔振井排數(shù)對(duì)減隔振效果的影響

為了研究隔振井排數(shù)對(duì)減隔振效果的影響，本文采用了無(wú)減隔振措施同一排隔振井(工況一)、二排隔振井(工況二)、三排隔振井(工況三)和四排隔振井(工況四)四種工況進(jìn)行對(duì)比，四種工況下隔振井深度都是50 cm.激振力頻率采用1 Hz～200 Hz進(jìn)行激振，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用地表垂直加速度表示，試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)加速度衰減率和振幅降低比Ar來(lái)表示.

表3 不同隔振井排數(shù)條件下加速度對(duì)比

表3是在低中高三種頻率下不同隔振井排數(shù)同無(wú)減隔振措施的加速度對(duì)比.可以看出：隔振井的減隔振效果明顯；在一排隔振井、二排隔振井、三排隔振井、四排隔振井四種工況下，距離振源120 cm處的土體加速度分別衰減了24.9%～26.5%、42.1%～44.7%、53.8%～58.2%、59.1%～65.9%；隨著隔振井排數(shù)增加，相鄰兩個(gè)工況之間的加速度衰減率分別增加了17.2%～22.9%、9.1%～16.1%，5.3%～7.8%.可見(jiàn)，隨著隔振井排數(shù)增加，其加速度衰減率逐漸增大，減隔振效果越來(lái)越明顯，但在一排增加到兩排時(shí)加速度衰減率增加幅度非常大，其后加速度衰減率增加幅度逐漸變小.由此可知，增加隔振井排數(shù)可以有效提高減隔振效果，但提高幅度會(huì)隨著排數(shù)的增加而降低.分析其原因，波在均勻介質(zhì)中會(huì)不改變方向前進(jìn)，當(dāng)波傳播途中遇到障礙發(fā)生反射、衍射和散射，從而起到阻礙作用，增加隔振井排數(shù)，會(huì)使表面波的能量較易以繞射波的形式通過(guò)隔振井，因此提高減隔振效果，所以增加隔振井排數(shù)會(huì)提高減隔振效果.

3.3 隔振井深度對(duì)減隔振效果的影響

為了研究隔振井深度對(duì)減隔振效果的影響，本文采用了無(wú)減隔振措施同30 cm深隔振井(工況一)、40 cm深隔振井(工況二)、50 cm深隔振井(工況三)和60 cm深隔振井(工況四)四種工況進(jìn)行對(duì)比，四種工況下隔振井排數(shù)都是四排.激振力頻率采用1 Hz～200 Hz進(jìn)行激振，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用地表垂直加速度表示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)加速度衰減率和振幅降低比Ar來(lái)表示.

表4 不同隔振井深度條件下加速度對(duì)比

表4是在低中高三種頻率下不同隔振井深度同無(wú)減隔振措施的加速度對(duì)比.可以看出：隔振井的減隔振效果明顯；在30 cm深隔振井、40 cm深隔振井、50 cm深隔振井、60 cm深隔振井四種工況下，距離振源120 cm處的土體加速度分別衰減了28.6%～32.4%、38.9%～53.8%、59.1%～65.9%、62.9%～67.0%；隨著隔振井排數(shù)的增加，相鄰兩個(gè)工況之間的加速度衰減率分別增加了10.3%～22.7%、5.3%～24.6%，1.1%～3.8%.可見(jiàn)，隨著隔振井深度增加，其加速度衰減率逐漸增大，減隔振效果越來(lái)越明顯，但隨著深度增加，初期加速度衰減率增加幅度較大，但從50 cm增加到60 cm時(shí)，其加速度衰減率增加幅度非常小.由此可知，增加隔振井深度可以有效提高減隔振效果，但提高幅度會(huì)在隔振井深度達(dá)到某一程度后變得很小.分析其原因，表面波能量主要集中于地表約一倍波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)，當(dāng)隔振井深度較小時(shí)，能量較易通過(guò)隔振井而向遠(yuǎn)處傳播.隔振井深度越深，能量越不容易通過(guò)，但隨著深度的逐漸加大，隔振井阻隔表面波能量的能力達(dá)到相應(yīng)極限，減隔振效果趨于平穩(wěn).

3.4 隔振井排布形式對(duì)減隔振效果的影響

(a)菱形排布隔振井

為了研究隔振井深度對(duì)減隔振效果的影響，本文采用了無(wú)減隔振措施同菱形排布隔振井(工況一)、矩形排布隔振井(工況二)和交錯(cuò)排布隔振井(工況三)三種工況進(jìn)行對(duì)比，三種工況下隔振井深度都是50 cm，排布形式示意圖如圖5所示.激振力頻率采用1 Hz～200 Hz進(jìn)行激振，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用地表垂直加速度表示，試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)加速度衰減率和振幅降低比Ar來(lái)表示.

(b)矩形排布隔振井 (c)交錯(cuò)排布隔振井

工況排布形式加速度/m·s-2振幅降低比Ar/%20Hz80Hz150Hz20Hz80Hz150Hz無(wú)減隔振—0.3610.1750.132———工況一菱形排布0.1950.1040.0750.5400.5940.568工況二矩形排布0.1510.0760.0610.4180.4340.462工況三交錯(cuò)排布0.1470.0690.0560.4070.3940.424

表5是在低中高三種頻率下不同隔振井排布形式同無(wú)減隔振措施的加速度對(duì)比.可以看出：隔振井的減隔振效果明顯；菱形排布隔振井的加速度衰減率為40.6%～46.0%，矩形排布加速度衰減率為53.8%～58.2%，交錯(cuò)排布加速度衰減率為57.6%～60.6%.矩形分布同菱形分布相比，隔振井填充率矩形分布隔振井填充率要大于菱形分布，其加速度衰減率比菱形分布大10.6%～16.0%；矩形分布和交錯(cuò)分布相比，交錯(cuò)分布比矩形分布加速度衰減率增加1.1%～3.8%.可見(jiàn)，隨著隔振井填充率增加，隔振井的減隔振效果提高；在相同填充率情況下，交錯(cuò)排布會(huì)比矩形排布方式減隔振效果要好，但是提升不明顯.分析其原因，波傳播途中遇到障礙發(fā)生反射、衍射和散射，而增加隔振井填充率使波在傳播途中更容易遇到障礙，從而提高減隔振效果；而交錯(cuò)排布相比矩形排布會(huì)變相提高了屏障的面積，達(dá)到提高減隔振效果的目的，但提升比較有限.

4 結(jié) 論

本文為了研究隔振井減隔振效果及其影響因素，采用模型試驗(yàn)的方法，將隔振井的排數(shù)、深度以及排布形式考慮在內(nèi)，通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)隔振井減隔振措施高中低三種頻率內(nèi)都具有良好的減隔振效果.距離振源120 cm處土體加速度衰減了23.4%～67.0%，振幅降低比在33.0%～76.6%范圍內(nèi).

(2)隨著隔振井排數(shù)增加，距離振源120 cm處的土體加速度衰減了24.9%～65.9%，相鄰兩個(gè)工況之間的加速度衰減率增加了5.3%～22.9%.故隔振井的減隔振效果隨著隔振井排數(shù)增加而提高，并且提高明顯，但提高幅度會(huì)隨著排數(shù)的增加而降低.

(3)隨著隔振井深度增加，距離振源120 cm處的土體加速度衰減了28.6%～67.0%，相鄰兩個(gè)工況之間的加速度衰減率增加了1.1%～22.7%.增加隔振井深度可以有效提高減隔振效果，提高幅度在開(kāi)始比較明顯，但會(huì)在隔振井深度達(dá)到某一程度后變得很小.

(4)菱形排布、矩形排布、交錯(cuò)排布加速度衰減率分別為40.6%～46.0%、53.8%～58.2%、57.6%～60.6%，矩形分布比菱形分布速度衰減率大10.6%～16.0%，而交錯(cuò)分布比矩形分布加速度衰減率增加1.1%～3.8%.故隨著隔振井填充率增加，隔振井的減隔振效果提高；在相同填充率情況下，交錯(cuò)排布會(huì)比矩形排布方式減隔振效果要好，但是提升不明顯.

[1]孫曉靜,劉維寧,張寶才，等.浮置板軌道結(jié)構(gòu)在城市軌道交通減振降噪上的應(yīng)用[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2005,15(8):65～69

[2]袁俊.城市軌道交通隔振減振機(jī)理及措施研究[D].西安建筑科技大學(xué),2010

[3]羅偉,陳嶸,顏樂(lè),王宇.地鐵隧道列車(chē)運(yùn)行誘發(fā)環(huán)境二次振動(dòng)初探[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013,(12):23～26

[4]張海.TMD減振技術(shù)在沈陽(yáng)站房大跨度樓蓋中的應(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2016,60(4):99～102

[5]茆秋華.蜂窩狀屏障隔離高速列車(chē)振動(dòng)傳播的工程研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2009

[6]Kumar P,Sandhu H K,Chakraborty S K.Isolation of plane shear wave using water saturated trench barrier[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2014,59:42～50

[7]Murillo C,Thorel L and Caicedo B.Ground vibration isolation with geofoam barriers: centrifuge modeling[J].Geotextiles and Geomembranes,2009,27(6):423～434

[8]張鼎.典型工程及地質(zhì)條件下地屏障的隔振機(jī)理理論分析及數(shù)學(xué)模型[D].北京:北京交通大學(xué),2009

[9]丘暢.連續(xù)屏障和非連續(xù)屏障遠(yuǎn)場(chǎng)被動(dòng)隔振三維分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2003

[10]馮勁.彈性地基板隔振及其在軌道交通中的應(yīng)用[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2005

[11]Kawamura S,Ito S,Yoshida T,et al.Isolation effect of a dynamic damper and a trench on ground vibration caused by a construction machine[J].Applied Acoustics,2011,72(4):151～156

[12]陳煒昀,夏唐代,劉志軍,周新民.平面S波在非飽和土自由邊界上的反射問(wèn)題研究[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(1):99～103

[13]Woods R D,Barnett N E,Sangesser R.Holography,a New Tool for Soil Dynamics[J].Journal of Geotechnical Engineering Division,ASCE,1974,100(11):1234～1247

[14]侯德軍,雷曉燕,羅信偉.鐵路隔振溝減振的數(shù)值分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,3(2):48～52

[15]黃建坤.周期性排樁和波屏障在土木工程減振中的應(yīng)用研究[D].北京交通大學(xué),2014

TheResearchontheModelTestoftheVibrationIsolationEffectaboutVibrationisolationwell

LIUJing-lei,WANGAo-yun,ZHAOQian,ZHANGRui-heng

(Hebei Key Laboratory for Diagnosis,Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei,China 075000)

The purpose of this paper is to study the vibration isolation effect of vibration isolation wells.Through the model test,vibration isolation wells were set as measures in the case,taking the number of wells’ rows,the depth of well and the arrangement form of well into account.The results indicate that the effect of reducing vibration isolation was remarkable，the acceleration attenuation rate behind well was 23.4%～67.0% reduction by setting the vibration isolation well.The increasing of well row,depth and arrangement formcan have a significant influence on the effect of increasing vibration isolation respectively,acceleration attenuation under the condition of different rows,depth and arrangement form were in the range of 23.4% and 65.9%,28.6% and 67.0%,and 40.6% and 60.6% respectively.

vibration isolation;vibration isolation well;model test

2016-12-20

河北省青年拔尖人才計(jì)劃項(xiàng)目(BJ2016018)；張家口市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目(1511074B)

劉晶磊(1981-)，男，副教授，2012畢業(yè)于天津大學(xué)巖土工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)博士，博士后.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.001

TU435

A