劉晶磊 李 凱 張國朋

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000；3.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮，火車、輕軌和高鐵等軌道交通建設(shè)隨之興起，由軌道交通引發(fā)的振動(dòng)對周圍環(huán)境產(chǎn)生了一系列不良影響，如影響周圍居民的睡眠質(zhì)量、使周邊房屋產(chǎn)生裂縫、精密儀器失靈等，現(xiàn)如今，軌道交通引起的振動(dòng)污染已經(jīng)成為世界七大公害之一，振動(dòng)問題已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注[1-3].

近年來，國內(nèi)外學(xué)者不約而同對振動(dòng)隔離問題展開了一系列研究，Andersen[4]等通過數(shù)值分析以及構(gòu)建有限元模型，分析不同隔振屏障對減弱軌道交通引起周邊振動(dòng)等影響，分析表明：相比填充溝或使軌道交通路線下的土壤剛化，設(shè)置空溝取得的隔振效果更好，并且其隔振效果與振動(dòng)荷載作用方向有關(guān)；Beskos[5]研究了在平面應(yīng)變條件下通過空溝或填充溝槽進(jìn)行的地面?zhèn)鬟f振動(dòng)結(jié)構(gòu)隔離問題；Alzawi A[6]進(jìn)行了全面的現(xiàn)場測試研究溝槽的幾何形狀和振動(dòng)源對振動(dòng)隔離效率的影響，結(jié)果表明：實(shí)現(xiàn)溝槽隔振系統(tǒng)的有效性需要更大的深度；HUNGHsiao-Hui和YANG Yeong-Bin[7]通過研究發(fā)現(xiàn)通過隔振溝、連續(xù)墻可以達(dá)到減振效果,提出了溝深與瑞利波波長和頻率有關(guān).劉晶磊[8]通過室外試驗(yàn)分析了矩形溝槽的深度、長度以及振源距離與瑞利波波長之間的關(guān)系對隔振效果的影響；徐平[9]通過現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了空溝對沖擊荷載的隔離效果；陳昆[10]通過有限元分析了不同空溝尺寸、不同荷載頻率對隔振效果的影響，結(jié)果表明空溝的寬度對隔振效果影響不大，空溝對高頻振動(dòng)波具有較好的隔離作用.

上述研究成果中，主要通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)分析一維條件下矩形溝槽隔離問題，較少將矩形溝槽的振動(dòng)隔離問題進(jìn)行二維平面分析，本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試矩形溝槽附近區(qū)域的加速度幅值，以振幅降低比為隔振效果的評價(jià)指標(biāo)，分析二維平面下矩形溝槽的隔振效果，為隔振設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方法及場地

1.1 測試方法

試驗(yàn)采用的設(shè)備為WS-Z30型振動(dòng)臺控制系統(tǒng)，如圖1所示，主要設(shè)備包括控制系統(tǒng)、激振器、加速度傳感器以及電腦等.在測試過程中，利用電腦中振動(dòng)臺控制系統(tǒng)自帶的控制程序設(shè)置相關(guān)參數(shù)控制信號的輸出，本試驗(yàn)設(shè)置為正弦波信號，電腦輸出的信號經(jīng)振動(dòng)臺控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后傳遞至激振器，激振器通過不同頻率的振動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)波，然后由位于指定位置的加速度傳感器接收振動(dòng)波的豎向加速度并反饋給振動(dòng)臺控制系統(tǒng)，最后由電腦接收.

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及測試流程

1.2 試驗(yàn)場地及測試布局

試驗(yàn)場地位于郊區(qū)，經(jīng)檢測場地的土體含有少量砂石等雜質(zhì)，為消除土體中雜質(zhì)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，本試驗(yàn)采用換填的方式，開挖一個(gè)深2 m邊長為4 m×4 m的長方體土坑，另篩選相同體積且粒徑小于5 mm的均質(zhì)河砂回填于土坑內(nèi)，在回填過程中每回填5 cm厚的砂子進(jìn)行人工夯實(shí)，根據(jù)《GB 50123-2019-T土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]，回填砂土的含水率和密度分別采用烘干法和蠟封法測定，經(jīng)測定回填后的砂土的含水率在9%～10%之間，密度在1800～1900 kg/m3之間.

圖2 試驗(yàn)場地圖3 測試布局

圖2為設(shè)置矩形溝槽時(shí)的試驗(yàn)場地布置圖，試驗(yàn)中應(yīng)用的6個(gè)加速度傳感器進(jìn)行流動(dòng)測試，直至數(shù)據(jù)采取區(qū)域數(shù)據(jù)采集點(diǎn)全部測試完成.為了研究矩形溝槽附近區(qū)域的振動(dòng)隔離情況，試驗(yàn)設(shè)置的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)如圖3所示，由于矩形溝槽是對稱分布所以數(shù)據(jù)采集區(qū)域是振動(dòng)隔離區(qū)域的一半，整個(gè)數(shù)據(jù)采集區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)半徑為3000 mm的扇形區(qū)域，共設(shè)置10條基準(zhǔn)線，每條基準(zhǔn)線之間的間隔為5°，為詳細(xì)測試矩形溝槽附近振動(dòng)強(qiáng)度變化情況，故在溝槽附近布置的采集點(diǎn)較密集，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的前后間隔分別為100 mm、200 mm和300 mm.

2 評價(jià)指標(biāo)

采用振幅降低比Ar[12]作為評價(jià)指標(biāo)來評價(jià)矩形溝槽的隔振效果，如式(1)所示，Ar表示設(shè)置矩形溝槽時(shí)測試點(diǎn)加速度幅值a1與未設(shè)置矩形溝槽時(shí)測試點(diǎn)的加速度幅值a0的比值，Ar值越小表示隔振效果越好.

Ar=a1/a0

(1)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為探究矩形溝槽在不同頻率條件下對隔振效果的影響，試驗(yàn)設(shè)置的振源距離為1040 mm，矩形溝槽的深度為600 mm、寬度為150 mm以及長度為1200 mm，測試數(shù)據(jù)采集區(qū)域內(nèi)控制點(diǎn)的加速度，由式(1)繪制振幅降低比Ar值的二維等值線圖.已有研究表明，在隧道內(nèi)地鐵列車運(yùn)行時(shí)由車輪和軌道引起的振動(dòng)速度級峰值一般出現(xiàn)在40～80 Hz[13]，基于此本試驗(yàn)選取激振頻率為20 Hz(低頻)、40 Hz(中頻)、80 Hz(高頻)進(jìn)行分析.

圖4 振幅降低比Ar值等值線圖

繪制不同頻率條件下矩形溝槽的振幅降低比Ar值等值線圖如圖4所示，由圖4可以看出，通過設(shè)置矩形溝槽屏障，矩形溝槽前后區(qū)域產(chǎn)生了不同的效果，在溝前區(qū)域附近的Ar值均大于1，這表明振動(dòng)波在砂土地基中傳播過程中遇到溝槽屏障時(shí)會(huì)發(fā)生波的反射現(xiàn)象從而增強(qiáng)溝前區(qū)域的振動(dòng)，由低頻、中頻和高頻三種不同情況下的等值線圖可以看出，在溝前區(qū)域距離矩形溝槽越近其振動(dòng)強(qiáng)度越大，以頻率40 Hz為例進(jìn)行分析，在溝前及溝側(cè)區(qū)域，隨著離矩形溝槽距離的減小，其振動(dòng)強(qiáng)度由Ar值小于1.2逐漸增大至1.3以上，造成這種現(xiàn)象的原因是矩形溝槽對振動(dòng)波產(chǎn)生了反射效果，反射波在傳播過程中伴隨著能量的消耗.在溝后區(qū)域Ar值均小于0.6，這表明通過設(shè)置矩形溝槽屏障可以有效降低振動(dòng)波在溝后的振動(dòng)強(qiáng)度，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是振動(dòng)波在傳播過程中遇到矩形溝槽屏障一部分被溝槽反射回去增強(qiáng)溝前的振動(dòng)強(qiáng)度，較少部分通過波的繞射和透射傳播到溝后區(qū)域，從而降低了溝后的振動(dòng)強(qiáng)度，對比低頻、中頻和高頻三種不同情況下的等值線圖，Ar值小于0.4區(qū)域的面積逐漸擴(kuò)大，這表明，在一定條件下增大激振頻率可以降低矩形溝槽后部區(qū)域的振動(dòng)強(qiáng)度.

圖5 Ar值隨離振源距離變化曲線圖

為探究在設(shè)置矩形溝槽情況下，振動(dòng)波隨著傳播距離的增加的變化情況，沿0°刻度線方向做等值線圖的剖線，如圖5所示；由圖5可以看出，在溝后區(qū)域，隨著傳播距離的增加，Ar值呈階梯狀遞增的趨勢，這表明矩形溝槽對于近距離區(qū)域的隔振效果要優(yōu)于較遠(yuǎn)距離區(qū)域；隨著激振頻率的增加，Ar值越來越小，矩形溝槽的隔振效果越來越好，這表明矩形溝槽在較高頻率條件下的隔振效果更加顯著.

4 結(jié) 論

本文通過室外現(xiàn)場試驗(yàn)，以振幅降低比為評價(jià)指標(biāo)，繪制不同頻率條件下矩形溝槽隔振效果的等值線圖，通過分析可以得出以下結(jié)論；

(1)振動(dòng)波在砂土地基中傳播過程中遇到矩形溝槽屏障時(shí)會(huì)增強(qiáng)溝前區(qū)域的振動(dòng)，通過設(shè)置矩形溝槽屏障可以有效降低振動(dòng)波在溝后的振動(dòng)強(qiáng)度.

(2)相比于低頻振動(dòng)，矩形溝槽對于高頻振動(dòng)具有更好的隔振效果.

(3)在溝后區(qū)域，矩形溝槽對與近距離區(qū)域的隔振效果顯著，隨著傳播距離的增加隔振效果越來越差.