多排隔振井减隔振效果模型试验研究

刘晶磊 王奥运 赵 倩 张瑞恒

(河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

多排隔振井减隔振效果模型试验研究

刘晶磊 王奥运 赵 倩 张瑞恒

(河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

以研究隔振井的减隔振效果为目的.通过模型试验的方式，在试验箱中设置隔振井作为减隔振措施，将隔振井排数、深度和排布形式三因素考虑在内.结果表明：隔振井减隔振效果明显，隔振井可使土体加速度加速度衰减23.4%～67.0%；隔振井排数改变对减隔振效果影响明显，随着排数增加加速度衰减率范围为23.4%～65.9%；隔振井深度对减隔振效果影响显著，随着深度增加加速度衰减率范围为28.6%～67.0%；排布形式的改变对减隔振效果有影响，不同排布形式下加速度衰减率范围为40.6%～60.6%.

减隔振；隔振井；模型试验

0 引 言

随着社会发展，轨道交通作为一种更为快速的交通方式得到迅猛发展，但是其进步带来的一系列的振动问题，也受到了广泛关注[1-5].现有研究表明：振动波在土体中是以体波与面波两种形式传播，其中体波分为横波和纵波，而面波主要以瑞利波的形式传播，瑞利波因为其衰减速率慢，所以引起的地面振动最剧烈[6].研究表明：表面波在列车振动中占据主要地位，而阻断其在土中的传播路径可以有效减少振动对周围环境的影响[7].本文采用的隔振井就是通过这种方式对振动波进行阻隔达到减隔振目的.

学者们为降低其振动对环境的影响而做出了不懈努力.张鼎[8]进行了散射系数的求解并且建立了隔振效果的数学模型，其运用数学公式推导的方法对排桩的减隔振效果进行了分析，结果表明：排桩半径越大，对平面P破的隔震效果越好；排桩数量越多，隔震效果越明显；排桩间距越小，隔震效果越突出.丘畅[9]将瑞雷波散射理论积分方程作为基础以此来建立单排桩与多排桩的三维模型，并且研究了几个影响减隔振效果的参数，得出结果：对多排桩隔振效果影响最大的是桩的排数，而桩的截面尺寸对减隔振效果影响不大.冯劲[10]使用了ANSYS有限元软件来模拟波阻板屏作为隔振措施，并分析了其减隔振效果和影响因素，由三组波阻板的隔振效果试验，得到弹性波阻板作为隔振措施具有很好的隔振效果.Kawamura S等[11]对地面沟槽的减隔振效果和原理进行了研究，得到一种将动态阻尼器与地面沟槽两者结合在一起的减隔振措施.陈炜昀等[12]通过非饱和孔隙介质理论，得出非饱和土体中的平面S波传播规律，并且对平面S波在非饱和土体的自由边界处反射问题进行了分析.Woods[13]提出将空沟作为减隔振措施，将波长作为参数进行研究，从机理上研究了沟深在几倍波长时减隔振效果较好，为空沟作为减隔振措施提供了参考.侯德军等[14]使用有限元软件ANSYS建模分析了空沟在深度、宽度、空沟位置和频率等因素下的减隔振效果，得到空沟深度对减隔振效果影响最大，高频振动时空沟减隔振效果更明显.

以上研究中，基于工程现场的减隔振措施研究，试验困难，费用高昂，现场环境变量较多不好控制，故得出数据不精确.而基于数值分析的减隔振研究，会面临有限元模型和试际工况存在差异的问题，从而导致数据不准确.本文使用模型试验的方法，将隔振井作为减隔振措施，把隔振井排数、深度和排布形式三因素考虑在内，试验结果通过加速度衰减率和振幅降低比Ar。[13]表示隔振井减隔振效果和影响因素.

1 试验概况

模型试验采用长×宽×高是2 m×1.5 m×1.5 m的箱体，粒径小于5.0 mm粉质粘土置于箱内，土体含水率控制在9%～10%，分层夯实土体，密度控制为1800 kg/m3～1 900 kg/m3[15].为了防止振动波遇到钢制箱体会发生反射对试验结果产生影响，故把5 cm厚挤塑式聚苯乙烯板布设箱体内侧四周，并确保其与箱体内壁紧密接触.边界处理方式如图1所示.该试验采用WS-Z30型振动台控制系统，设备主要包括数据采集控制仪、功率放大器、电荷放大器、激振器、信号发生器、加速度计放大器、加速度传感器(灵敏度为4PC/ms-2，频率响应为0.2～8 000 Hz，测量范围为50 m/s2，质量28.5 g)，为了让加速度传感器与土体要紧密贴合，本试验在传感器底部安装一个外径为60 mm，厚度为2 mm，质量为55 g的金属垫片，形成一个底座，加速度传感器详图如2所示.

图1 边界处理方式及加速度传感器布置图 图2 加速度传感器详图

本试验采用洛阳铲在土体表面挖出直径为5 cm隔振井，通过挖出不同深度、排数、排布形式的隔振井来研究隔振井减隔振效果及影响因素.为研究隔振井减隔振效果及影响因素，试验中采用4个加速度传感器，其中1#～2#放置在土体表面并以此排列在箱体顶面中轴线上，用于对土体本身竖向加速度值进行采集，隔振井设置在1#传感器与2#传感器之间，隔振井及传感器实体布置如图3所示，3#～4#传感器布置在箱体侧面，用于检测在试验中箱体产生共振的程度，减少箱体振动对土体内部振动的叠加.相似理论要求实际工程现象要在模型试验中体现出来，基于此振动频率范围设置为高频、中频、低频，在试验过程中选定激振频率范围为1 Hz～200 Hz的正弦波进行激振，采样频率5000次/s，采样时间10 s，在此期间电荷放大器数值要保持一致[15].

(a)无减隔振措施布置 (b)四排隔振井

频率/Hz加速度/m·s-22#传感器3#传感器4#传感器200.3610.0070.008800.1750.0050.0051500.1320.0020.003

3#～4#传感器贴于箱体四周外壁上，通过表1可知3#～4#传感器在高中低三种频率上加速度都比2#传感器小一个数量级以上，故四周设置挤塑式聚苯乙烯板具有很好的减隔振效果，箱体振动足够小，可以认为激振器发出的振动波在传播路径中被吸收，反射对传感器扰动可以忽略不计，保证了得到数据准确性.

2 数据处理方式

在本试验中数据采用地表垂直加速度来表示，隔振井减隔振效果使用振幅降低比Ar来表示，表达式如式(1)，Ar越小则减隔振效果越好[13]：

(1)

式中：a1为设置隔振井减隔振措施加速度值；a0为无减隔振措施加速度值.

3 试验结果分析

3.1 隔振井减隔振效果分析

为了研究隔振井的减隔振效果，将进行无减隔振措施和隔振井减隔振措施(深度50 cm，四排隔振井)两组试验进行对比，每组试验激振频率范围在1 Hz～200 Hz，试验数据用地表垂直加速度表示.无减隔振措施和四排隔振井在60 Hz下时域曲线对比如图4所示.

图4 无减隔振措施与四排隔振井时域曲线对比(60 Hz)

频率/Hz加速度/m·s-2无减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

由图4可知：在四排隔振井减隔振措施下同无减隔振措施相比加速度明显减少；表2描述了在不同频率下无减隔振措施与四排隔振井两种工况下加速度值的比较，从表中可以看出：土体的加速度值会随着频率上升而降低，不同频率下在隔振井减隔振措施下加速度都会有明显下降，其加速度衰减率在59.1%～65.9%之间，而其振幅降低比Ar为34.1%～40.9%.综上所述：隔振井具有明显的减隔振效果.

3.2 隔振井排数对减隔振效果的影响

为了研究隔振井排数对减隔振效果的影响，本文采用了无减隔振措施同一排隔振井(工况一)、二排隔振井(工况二)、三排隔振井(工况三)和四排隔振井(工况四)四种工况进行对比，四种工况下隔振井深度都是50 cm.激振力频率采用1 Hz～200 Hz进行激振，试验数据用地表垂直加速度表示，试验结果通过加速度衰减率和振幅降低比Ar来表示.

表3 不同隔振井排数条件下加速度对比

表3是在低中高三种频率下不同隔振井排数同无减隔振措施的加速度对比.可以看出：隔振井的减隔振效果明显；在一排隔振井、二排隔振井、三排隔振井、四排隔振井四种工况下，距离振源120 cm处的土体加速度分别衰减了24.9%～26.5%、42.1%～44.7%、53.8%～58.2%、59.1%～65.9%；随着隔振井排数增加，相邻两个工况之间的加速度衰减率分别增加了17.2%～22.9%、9.1%～16.1%，5.3%～7.8%.可见，随着隔振井排数增加，其加速度衰减率逐渐增大，减隔振效果越来越明显，但在一排增加到两排时加速度衰减率增加幅度非常大，其后加速度衰减率增加幅度逐渐变小.由此可知，增加隔振井排数可以有效提高减隔振效果，但提高幅度会随着排数的增加而降低.分析其原因，波在均匀介质中会不改变方向前进，当波传播途中遇到障碍发生反射、衍射和散射，从而起到阻碍作用，增加隔振井排数，会使表面波的能量较易以绕射波的形式通过隔振井，因此提高减隔振效果，所以增加隔振井排数会提高减隔振效果.

3.3 隔振井深度对减隔振效果的影响

为了研究隔振井深度对减隔振效果的影响，本文采用了无减隔振措施同30 cm深隔振井(工况一)、40 cm深隔振井(工况二)、50 cm深隔振井(工况三)和60 cm深隔振井(工况四)四种工况进行对比，四种工况下隔振井排数都是四排.激振力频率采用1 Hz～200 Hz进行激振，试验数据用地表垂直加速度表示，实验结果通过加速度衰减率和振幅降低比Ar来表示.

表4 不同隔振井深度条件下加速度对比

表4是在低中高三种频率下不同隔振井深度同无减隔振措施的加速度对比.可以看出：隔振井的减隔振效果明显；在30 cm深隔振井、40 cm深隔振井、50 cm深隔振井、60 cm深隔振井四种工况下，距离振源120 cm处的土体加速度分别衰减了28.6%～32.4%、38.9%～53.8%、59.1%～65.9%、62.9%～67.0%；随着隔振井排数的增加，相邻两个工况之间的加速度衰减率分别增加了10.3%～22.7%、5.3%～24.6%，1.1%～3.8%.可见，随着隔振井深度增加，其加速度衰减率逐渐增大，减隔振效果越来越明显，但随着深度增加，初期加速度衰减率增加幅度较大，但从50 cm增加到60 cm时，其加速度衰减率增加幅度非常小.由此可知，增加隔振井深度可以有效提高减隔振效果，但提高幅度会在隔振井深度达到某一程度后变得很小.分析其原因，表面波能量主要集中于地表约一倍波长深度范围内，当隔振井深度较小时，能量较易通过隔振井而向远处传播.隔振井深度越深，能量越不容易通过，但随着深度的逐渐加大，隔振井阻隔表面波能量的能力达到相应极限，减隔振效果趋于平稳.

3.4 隔振井排布形式对减隔振效果的影响

(a)菱形排布隔振井

为了研究隔振井深度对减隔振效果的影响，本文采用了无减隔振措施同菱形排布隔振井(工况一)、矩形排布隔振井(工况二)和交错排布隔振井(工况三)三种工况进行对比，三种工况下隔振井深度都是50 cm，排布形式示意图如图5所示.激振力频率采用1 Hz～200 Hz进行激振，试验数据用地表垂直加速度表示，试验结果通过加速度衰减率和振幅降低比Ar来表示.

(b)矩形排布隔振井 (c)交错排布隔振井

工况排布形式加速度/m·s-2振幅降低比Ar/%20Hz80Hz150Hz20Hz80Hz150Hz无减隔振—0.3610.1750.132———工况一菱形排布0.1950.1040.0750.5400.5940.568工况二矩形排布0.1510.0760.0610.4180.4340.462工况三交错排布0.1470.0690.0560.4070.3940.424

表5是在低中高三种频率下不同隔振井排布形式同无减隔振措施的加速度对比.可以看出：隔振井的减隔振效果明显；菱形排布隔振井的加速度衰减率为40.6%～46.0%，矩形排布加速度衰减率为53.8%～58.2%，交错排布加速度衰减率为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，其加速度衰减率比菱形分布大10.6%～16.0%；矩形分布和交错分布相比，交错分布比矩形分布加速度衰减率增加1.1%～3.8%.可见，随着隔振井填充率增加，隔振井的减隔振效果提高；在相同填充率情况下，交错排布会比矩形排布方式减隔振效果要好，但是提升不明显.分析其原因，波传播途中遇到障碍发生反射、衍射和散射，而增加隔振井填充率使波在传播途中更容易遇到障碍，从而提高减隔振效果；而交错排布相比矩形排布会变相提高了屏障的面积，达到提高减隔振效果的目的，但提升比较有限.

4 结 论

本文为了研究隔振井减隔振效果及其影响因素，采用模型试验的方法，将隔振井的排数、深度以及排布形式考虑在内，通过试验得出以下结论：

(1)隔振井减隔振措施高中低三种频率内都具有良好的减隔振效果.距离振源120 cm处土体加速度衰减了23.4%～67.0%，振幅降低比在33.0%～76.6%范围内.

(2)随着隔振井排数增加，距离振源120 cm处的土体加速度衰减了24.9%～65.9%，相邻两个工况之间的加速度衰减率增加了5.3%～22.9%.故隔振井的减隔振效果随着隔振井排数增加而提高，并且提高明显，但提高幅度会随着排数的增加而降低.

(3)随着隔振井深度增加，距离振源120 cm处的土体加速度衰减了28.6%～67.0%，相邻两个工况之间的加速度衰减率增加了1.1%～22.7%.增加隔振井深度可以有效提高减隔振效果，提高幅度在开始比较明显，但会在隔振井深度达到某一程度后变得很小.

(4)菱形排布、矩形排布、交错排布加速度衰减率分别为40.6%～46.0%、53.8%～58.2%、57.6%～60.6%，矩形分布比菱形分布速度衰减率大10.6%～16.0%，而交错分布比矩形分布加速度衰减率增加1.1%～3.8%.故随着隔振井填充率增加，隔振井的减隔振效果提高；在相同填充率情况下，交错排布会比矩形排布方式减隔振效果要好，但是提升不明显.

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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计划项目(BJ2016018)；张家口市科技局科技计划项目(1511074B)

刘晶磊(1981-)，男，副教授，2012毕业于天津大学岩土工程专业，工学博士，博士后.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.001

TU435

A