二维均质弹性地基Duxseal材料主动隔振研究

田抒平 高盟 王滢

摘要： 交通、机器运行、爆炸、打桩及其他人类活动会产生地面振动，不可避免地引起环境振动污染。提出一种具有优异阻尼性能的新型隔振减振材料—Duxseal——用于主动隔振以减少环境振动污染。基于二维半解析边界元法，编制计算程序，计算半空间均质弹性地基中Duxseal不同宽度、厚度及顶面距地表深度时地表水平位移振幅、竖向位移振幅和振幅衰减系数。分析了Duxseal参数变化对地表位移振幅的影响，并与WIB主动隔振进行了对比分析。此外，为验证Duxseal在自由场中的隔振性能，在某高速铁路试验段进行了一系列现场实测。计算结果表明，在竖向激振作用下，采用Duxseal材料作为主动隔振屏障能够有效地降低地表位移振幅;与WIB主动隔振不同，Duxseal材料只有在合理的宽度、厚度和较大的埋深条件下，才能达到理想的隔振效果;在一定范围内增加Duxseal材料的宽度、厚度或埋深，均可有效提高Duxseal材料的隔振效果。

关键词： 主动隔振; 地基; Duxseal; 地表位移振幅; 振幅衰减系数

中图分类号： TB535+.1; TU435  文献标志码： A  文章编号： 1004-4523（2019）04-0701-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.04.018

引 言

中国经济发达地区，如长三角、珠三角及渤海湾地区等，多为软土地基。交通荷载、机器运行以及工程施工等人类活动作用在软土地基上常常产生强烈振动，振动波经由土体介质向周边地层表面及基础传播，将不可避免地危及人类正常生产生活，尤其是邻近建筑物的结构安全，精密仪器设备的生产和使用。因此，研究软土地基中人工振动的隔振具有重要的工程应用价值。

现有的隔振方法根据激振源的不同主要分为被动隔振和主动隔振两类。被动屏障隔振通常设立在重要建筑或精密仪器等周围，通过减小振动能量输入达到隔振减振效果。Kattis等[1]基于三维频域边界元数值模拟，通过参数对比，研究弹性土体中单排圆形和方形桩被动隔振效果。Cai等[2]由弹性土体推广到饱和土体，利用圆柱坐标系统和Graff加法转换定理，分析单排实心桩对全空间均质饱和土体中倾斜入射弹性波的隔离效果。高广运等[3]基于层状半空间薄层法位移基本解答，建立半解析动力边界元法，研究二维黏弹性层状半空间空沟远场被动隔振。被动屏障的隔振对象单一，隔振范围较小。相比之下，主动隔振通常围绕振源设立屏障，减小振动能量输出，从根源解决振动问题。

目前，国内外众多学者针对多种主动隔振方法，其中包括填充沟、空沟和波阻板等进行了大量研究。Woods[4]首先进行一系列现场全尺寸试验，研究填充沟的隔振效果，并给出衡量屏障隔振效果的参数。Ahmad等[5]在现场试验基础上，提出空沟和填充沟的隔振设计原则。曹志刚等[6]针对高速列车引起的地基振动，建立饱和土地基上隔振沟解析分析模型，对比分析了饱和地基与弹性地基中隔振沟隔振效果的差异。Chouw等[7]和Schmid等[8]提出在地基中人工设置一个有限尺寸的硬夹层，来模拟人工基岩进行隔振，并称其为波阻板 （WIB）。基于此，高广运等[9-11]利用半解析边界元法，对弹性地基及饱和地基中WIB主动隔振进行详细参数研究。此外，基于功能梯度材料，Ma等[12]研究了移动荷载作用下，饱和多孔梯度波阻板的减振效果。

上述文献中桩、隔振沟、WIB等传统隔振方法表现出良好的隔振效果，但综合施工方法、经济效益等指标，难以达到最佳效益。如何有效减小人工振动环境污染，是目前国内外众多学者关注的重要研究课题之一。1985年，Coe等[13]引入“吸收边界”的概念，首次在动力离心模型箱内壁使用Duxseal作为边界材料吸收振动反射能，发现Duxseal具有优异的阻尼性能。2011年，Pak等[14]在土体自由场震动的背景下，通过具有Duxseal内壁的大型土工離心机模型容器和箱内振动台系统进行地震模拟，证明Duxseal具有吸收振动能量的特性。

基于Duxseal优异的阻尼性能，可将其用于主动隔振。采用二维半解析频域边界元法，编制数值计算程序，研究竖向简谐激振作用下Duxseal的主动隔振效果以及半空间均质弹性软土地基中Duxseal宽度、厚度及顶面距地表深度对地表位移振幅的影响，对比分析Duxseal与WIB隔振材料的隔振减振效果。此外，分别对有无埋置Duxseal隔振材料的高速铁路试验段进行现场测振，验证Duxseal材料在自由场中的隔振性能。