孫成龍，史建平，辜小安，高亮

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081;2.北京交通大學土建學院，北京 100044)

應用屏障隔振是防止和減輕地面振動的有效措施之一，也是目前控制鐵路振動傳播途徑的重要手段，其原理是利用溝渠、橡膠襯墊、板樁墻及排樁等各種基礎屏障來截斷、散射和繞射各種應力波。根據屏障的形態(tài)，可分為連續(xù)屏障和非連續(xù)屏障。

1 連續(xù)屏障的研究

1.1 試驗研究

連續(xù)屏障類型主要有空溝，膨脹土泥墻，混凝土芯墻，粉煤灰和氣墊等?？諟细粽穹矫娴难芯?，最早始于 Woods［1］，他通過在層狀砂土場做空溝的主動和被動隔振試驗，提出了用振幅衰減系數衡量隔振效果，當振幅衰減達75%以上時隔振有效，同時指出，隔振伸展角(振源到屏障兩端連線的夾角)必須大于90°，隔振溝的深度大于1.33倍波長。對于一般的人工波波長，此深度在軟土地基和高水位場施工難度很大。因此空溝屏障僅適用于相對波長較短的情況。

由于現(xiàn)場條件限制，空溝應用范圍并不廣泛，因此，對于填充溝隔振的研究也逐步得到開展。早在1965年，Dolling對采用膨脹土泥漿填充的隔振溝進行了研究，并加大了溝深，但仍然難以滿足一般人工波所需的條件，并且泥漿也起了傳導壓縮波的作用，從而降低了隔振效果，同時須采取防止泥漿固化的措施。此后，歐洲對采用氣墊為連續(xù)屏障的隔振進行了試驗研究，為隔離鐵路振動對居民住宅的影響，在1984年瑞典斯德哥爾摩修建了世界上最早的氣墊式隔振溝，此后 K.R.Massarsch等對此類型氣墊式隔振溝進行了系列研究和試驗。此后，1991年德國的杜塞爾多夫為降低高速鐵路振動對居民樓的振動，也設置了氣墊隔振溝［6］，相關測試結果表明，當屏障深度大于1個波長時，隔振效果可達60% ～80%，但是氣墊具有施工難度大，不能承重和易損壞等缺點。R.Müller［2］對瑞典、德國和日本的隔振溝的試驗效果進行了總結:在鐵路沿線某些測點，當溝深為3～5 m時，對于低頻(6～8 Hz)，隔振效果可達5 dB。

1.2 理論研究

隨著有限元法、邊界元法和計算機技術的發(fā)展，國內外學者通過理論分析，計算機數值模擬等對屏障的機理進行研究。

對于連續(xù)屏障，Aboudi將攝動法與有限差分相結合，研究了具有薄屏障的半空間表面位移，Haupt［3－4］通過一系列現(xiàn)場測試、理論分析和實驗室試驗分析了空溝和地下混凝土墻的隔振機理和規(guī)律。分析認為，散射效果不取決于屏障的實際形狀，而僅取決于其截面積，剛性材料比軟性材料能更大地減小表面波輻射。

理論和試驗分析表明，在各向同性的半自由空間的土中(非分層土)，只有當溝深大于Rayleigh波的波長時，連續(xù)屏障才具有較好的隔振效果。對于分層土，Banerjee等用邊界元法分析了三維多層土介質中連續(xù)屏障振動散射問題，并與Woods試驗結果進行了對比。Leung等采用薄層半平面的格林函數的邊界元法研究均質和非均質層狀半空間上的矩形空溝隔振。Ahmad和Al-Hussaini和 Conte等采用邊界元法，對空溝和填充溝影響隔振效果的相關參數進行了研究，給出了平面應變和三維狀態(tài)下均質土層中用空溝和剛性材料填充溝隔振的簡化設計。May等［5］及Yang等［6］進行了類似的研究，采用二維有限元方法分析了隔振溝的隔振機理和規(guī)律，提出溝深與振動波波長和頻率等有關，并表明空溝和填充溝的有效隔振頻率不小于16 Hz，空溝或填充溝的隔振效果主要與溝的幾何尺寸，填充材料和溝深有關。Ramin Motamed［7］利用有限元通用軟件Abaqus計算了壓克力、金屬鋁和合成苯乙烯材料(EPS)3種不同的填充溝材料的隔振效果，結果表明硬質填充材料好于軟質材料，填充溝的寬度對軟質材料的隔振效果有影響，對硬質材料影響不大。

國內的學者也對連續(xù)屏障的隔振效果和隔振機理進行了研究。卜建清等定性簡述了設置地下隔振溝和隔振墻減振效果，但沒有通過計算定量分析研究其減振效果。黃菊花［8］利用有限元方法對空溝隔振和填溝屏障隔振進行計算，計算結果表明，近場屏障隔振(r＜2LR，LR為Rayleigh波波長)，空溝屏障深H取值為0.25～0.6LR時，地面振幅可減少75%，對于遠場屏障隔振，空溝屏障H取值為0.2～0.4LR時，地面振幅減小就可達到相同的效果。李偉等采用薄層法求解層狀半空問的格林函數，并應用頻域邊界元法對粘彈性層狀半空問明溝主動隔振效果進行了分析。高廣運等［9］采用薄層法格林函數的半解析邊界元法研究了三維層狀半空間地基中空溝的隔振效果，進行了空溝隔振的參數分析。分析表明，空溝屏障隔振對粘彈性上軟下硬地基及上硬下軟地基均有隔振效果;并且地基分層參數對空溝隔振體系的隔振效果影響顯著。填充溝的填充材料也會對隔振效果產生影響，趙榮欣［10］等用平面有限元方法分析了明溝或填充式隔振溝的幾何尺寸、填充材料對隔振效果的影響，認為泡沫塑料和水泥土復合成夾心餅形式可以較好地發(fā)揮材料的特性。

在鐵路連續(xù)屏障研究方面，Yang等用2.5維有限元法分析了高速列車在彈性地基上運行的動力響應問題，以及沿著鐵路線的空溝和填充溝的隔振問題，取得了比較滿意的效果。L.Andersen and S.R.K.Nielsen［11］和 Michele Buonsanti［12］等利用有限元法計算了混凝土、橡膠和聚亞氨酯3種填充材料的填充溝對時速200 km/h的列車引起的環(huán)境振動的減振效果，計算結果表明，混凝土填充材料的減振效果優(yōu)于橡膠和聚亞氨酯。

劉奉喜［13］等采用二維平面應變模型研究了多年凍土地區(qū)鐵路兩側設置隔振溝的減振效果，分析了隔振溝設置的位置及不同深度(0.25 m，0.5 m，1 m，1.5 m)對隔振溝減振效果的影響，研究認為隨著隔振溝深度的增大，隔振的效果逐漸增強，但較深的隔振溝和較淺的隔振溝隔振效果差別不大。和振興和翟婉明［14］等基于動力學理論和三維有限單元分析方法，建立列車移動軸荷載作用下的三維地面振動數值分析模型。以3輛編組的列車為例，考慮列車速度的影響，分析了振動在大地中的傳播特性和隔振溝的減振效果。結果表明，在距離軌道0～15 m的范圍內隔振溝的振動加速度級可減小5.5～10 dB，在80～280 km/h的車速范圍內，隔振系數為0.45～0.6，車速低于160 km/h時隔振系數在0.5以下。羅錕和雷曉燕［15］則研究了鐵路溝屏障不同幾何形狀對隔振效果的影響，認為可以通過改變溝屏障形狀達到增加屏障隔振效果的目的。

2 非連續(xù)屏障研究

空溝等連續(xù)屏障僅適用于入射R波波長較短的情況，即適合中高頻振動。對于低頻振動成分，必須加深隔振屏障的深度，這在實際運用中很難達到此條件。由此，受深度限制較低的非連續(xù)屏障應運而生。1970年，Richart首次提出單排或多排薄壁襯砌的圓柱形孔作為屏障的概念。此后，在非連續(xù)屏障的試驗研究、理論分析和數值計算等方面，國內外學者作了大量工作，并取得了一定的研究成果。

2.1 試驗研究

Woods［16］采用全息照像術，對 R面波波場中圓孔屏蔽效果進行了試驗研究，并得出無因次隔振效果與兩孔之間的凈空和孔徑有關，提出圓柱形孔隔振屏障的一般設計準則。Liao和 Sangrey D.A.使用排樁作為屏障試驗，提出了隔振設計準則和波阻抗比的概念。高廣運等對非連續(xù)屏障隔振做過較為深入的研究，采用樁列、孔列以及使用彈性地基板和排樁共同作為屏障隔振，獲得不錯的試驗效果;吳世明利用粉煤灰作為隔振材料，并將粉煤灰做成單排，雙排樁和地下連續(xù)墻進行對比試驗，試驗證明粉煤灰屏障具有較好的隔振效果。中國鐵道科學研究院對排樁和蜂巢樁隔振進行了系統(tǒng)的試驗研究，取得了對典型地質條件，典型線路條件及運行工況下的以上兩種地屏障隔振的一手試驗數據，研究認為，以上兩種地屏障隔振效果可達5 dB以上。

2.2 理論研究

Aviles［17－18］等采用解析的方法分析了單排樁對SH波、SV波和P波的散射效應，研究表明剛性大的排樁較剛性小的排樁對振波具有更好的散射效應，對樁徑d，樁長H和樁間距等參數進行了分析，分析表明，若需獲得好的隔振效果，d＞0.25LR，H＞2LR以及樁列長度應為隔振區(qū)的3倍等結論。Broomand等［19］對均質土中豎向樁入射體波的樁土相互動力分析(吻合效應)，通過分析排樁樁間距、樁剛度和入射頻率等參數，表明剛性樁比柔性樁隔振效果好。Kattis［20］等采用三維邊界元理論在時域內分析了單排樁的隔振效果，認為排樁的長度、寬度、深度和樁間距是影響隔振效果的主要因素，其中樁間距的影響效果最大，樁的截面形狀對隔振效果沒有任何影響。Tsai等［21］用三維邊界單元法對單排管樁的隔振效果進行了分析，認為樁的長度要比樁間距及屏障到振源間距離對隔振效果的影響大。

高廣運等通過Lamb問題的格林函數推導出Rayleigh波散射的正交控制方程，并通過控制方程研究了多排樁體系對大地振動的隔振效果。李志毅視排樁為彈性半空間中的異質體，以瑞利波散射積分方程為基礎，首次對多排樁屏障的遠場被動隔振效果進行了三維分析，詳細討論了影響隔振效果的幾個主要參數。蔡袁強等［22］基于Biot兩相飽和多孔介質理論，就飽和土體中排樁對入射S波的隔離效應進行了三維分析，認為入射波頻率越大，排樁的隔離效果越好，隨著樁土彈性模量比的提高，飽和土中排樁的隔離效果越好。

對于非連續(xù)屏障用于鐵路隔振的研究方面，孫雨明［23］建立簡化的軌道－土體模型進行分析，結果表明，排樁屏障截面尺寸對隔振效果影響明顯。而韋紅亮采用有限元法，研究了單排樁樁深、樁徑、截面形式和材料等結構參數對隔振效果的影響。羅錕等［24］則采用有限元法研究了空溝、夾心墻、剛性墻、排樁和三排蜂窩樁對鐵路振動的隔振效果，經過仿真計算，認為三排蜂窩樁減振效果可達15 dB左右，空溝為6～8 dB左右、夾心墻、剛性墻和三排樁為5 dB左右。

3 結論及展望

目前，鐵路減振主要采用主動減振方式，如在軌道上采用彈性扣件和浮置板道床等措施達到減振目的。通過采用主動減振措施后，鐵路交通引起的環(huán)境振動可大幅減小。但對于某些振動環(huán)境標準要求比較高的敏感點，在采取主動減振措施仍不能達到要求，或由于客觀條件限制，不能采取鐵路主動減振措施的情況下，則需要考慮被動減振技術，采用屏障隔振的研究則日益受到重視。由于鐵路振動波場受列車速度，機車車輛，牽引種類，線路路基條件，傳播介質特性等綜合因素影響，呈現(xiàn)復雜性。因此，有必要對鐵路各種速度、機車車輛、線路、路基和地面地質的振動進行現(xiàn)場測試，獲得完善的鐵路波場數據，進而補充、改進以上各種屏障的隔振模型，提出不同條件下隔振屏障的設計準則，應用到鐵路實際工程中。在綜合考慮鐵路減振隔振的技術性和經濟性的前提下，組合使用各種鐵路主動減振措施和隔振措施，以有效解決我國鐵路列車運行引起的環(huán)境振動問題。

［1］ Woods R D.Screening of surface waves in soils［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1968，94 (4):221-314.

［2］ Müller R.Mitigation measures for open lines against vibration and ground-borne nosie:a Swiss overview［J］.Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design.2008，99:264-270.

［3］ Haupt W A.Isolation of vibrations by concrete core walls［A］.Proceedings of the Ninth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering［C］.Tokyo，1977.251-256.

［4］ Haupt W A.Model tests on screening of surface waves［A］.Proceedings of 10th International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering［C］.Stockholm，Balkema A A，Rotterdam，1981.215-222.

［5］ May T W，Bolt B A.The effectiveness of trenches in reducing seismic motion［J］.Earthquake Engineering＆ Structural Dynamics，1982，10(6):195-210.

［6］ Yang Y B，Hung H H.A parametric study of wave barriers for reduction of train induced vibration［J］.International Journal for NumericalMethodsin Engineering，1997，40(3): 3729-3747.

［7］ Ramin Motamed，KazuyaItoh，SohichiHirose， etal.Evaluation of wave barriers on ground vibration reduction through numerical modeling in Abaqus［A］.2009 Simulia Customer Conference［C］.Tokyo，2009.1-18.

［8］ 黃菊花.工場振動在地基中傳播與衰減規(guī)律的研究［D］.南昌:南昌大學，1998.

［9］ 高廣運，彭爭光，李偉，等.三維層狀地基空溝主動隔振分析［J］.西北地震學報，2006，28(9):210-215.

［10］ 趙榮欣，謝永利，章勇，等.泡沫塑料－水泥土充填溝隔振性狀研究［J］.西安公路交通大學學報，1998，18(1): 38-42.

［11］ Andersen L，Nielsen S R K.Reduction of ground vibration by means of barriers or soil improvement along a railway track［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2005，25 (7-10):701-716.

［12］ Michele Buonsanti，F(xiàn)rancis Cirianni，Giovanni Leonardi，et al. Mitigation ofrailway traffic induced vibrations:the influence of barriers in elastic half-space［J］.Advances in Acoustics and Vibration，Volume 2009.1-7.

［13］ 劉奉喜，劉建坤，防建宏，等.多年凍土區(qū)鐵路隔振溝隔振效果的數值分析［J］.中國鐵道科學，2003，24(5): 48-51.

［14］ 和振興，翟婉明，楊新文，等.列車移動軸荷載作用下的地面振動及隔振研究［J］.鐵道科學與工程學報，2007，4 (5):73-77.

［15］ 羅錕，雷曉燕.新型鐵路溝屏障隔振數值分析［J］.噪聲與振動控制，2010(1):67-71.

［16］ WoodsR D， M ASCE， Norman E Barnett， etal.Holography:a new tool for soil dynamics［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，1974，100 (11): 1231-1247.

［17］ Aviles J，Sanchez Sesma F J.Piles as barriers for elastic waves［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1983，109 (9):1134-1146.

［18］ Aviles J，Sanchez Sesma F J.Foundation isolation from vibration using piles as barriers［J］.Journal of Engineering Mechanics，1988，114(11):1854-1870.

［19］ Boroomand B，Kaynia A M.Vibration isolation by an array of piles［A］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering［C］.Southampton:Computational Mechanics Problications，1991.683－693.

［20］ Kattis S E，Polyzos D，Beskos D E.Vibration isolation by a row of piles using a 3-D frequency domain BEM［J］.International Journal of Numerical Methods in Engineering，1996，46:713-728.

［21］ Tsai P H，F(xiàn)eng Z Y，Jen T L.Three-dimensional analysis of the screening effectiveness of hollow pile barriers for foundation-induced vertical vibration［J］.Computers and Geotechnics，2008，35(3):489-499.

［22］ 蔡袁強，丁光亞，徐長節(jié).飽和土中排樁對入射 S波隔離的三維分析［J］.自然災害學報，2008，17(2):1-7.

［23］ 孫雨明.鐵路交通產生的地面振動與排樁隔振［D］.上海:同濟大學，2003.

［24］ 羅錕，雷曉燕.地屏障在鐵路環(huán)境振動治理工程中的應用研究［J］.鐵道工程學報，2009(1):1-6.