刘晶磊 李 凯 张国朋

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾实验室，河北 张家口 075000；2.河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心，河北 张家口 075000；3.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

进入二十一世纪以来，全球经济持续繁荣，火车、轻轨和高铁等轨道交通建设随之兴起，由轨道交通引发的振动对周围环境产生了一系列不良影响，如影响周围居民的睡眠质量、使周边房屋产生裂缝、精密仪器失灵等，现如今，轨道交通引起的振动污染已经成为世界七大公害之一，振动问题已经引起人们的广泛关注[1-3].

近年来，国内外学者不约而同对振动隔离问题展开了一系列研究，Andersen[4]等通过数值分析以及构建有限元模型，分析不同隔振屏障对减弱轨道交通引起周边振动等影响，分析表明：相比填充沟或使轨道交通路线下的土壤刚化，设置空沟取得的隔振效果更好，并且其隔振效果与振动荷载作用方向有关；Beskos[5]研究了在平面应变条件下通过空沟或填充沟槽进行的地面传递振动结构隔离问题；Alzawi A[6]进行了全面的现场测试研究沟槽的几何形状和振动源对振动隔离效率的影响，结果表明：实现沟槽隔振系统的有效性需要更大的深度；HUNGHsiao-Hui和YANG Yeong-Bin[7]通过研究发现通过隔振沟、连续墙可以达到减振效果,提出了沟深与瑞利波波长和频率有关.刘晶磊[8]通过室外试验分析了矩形沟槽的深度、长度以及振源距离与瑞利波波长之间的关系对隔振效果的影响；徐平[9]通过现场试验与数值模拟研究了空沟对冲击荷载的隔离效果；陈昆[10]通过有限元分析了不同空沟尺寸、不同荷载频率对隔振效果的影响，结果表明空沟的宽度对隔振效果影响不大，空沟对高频振动波具有较好的隔离作用.

上述研究成果中，主要通过数值模拟以及现场试验分析一维条件下矩形沟槽隔离问题，较少将矩形沟槽的振动隔离问题进行二维平面分析，本文通过现场试验测试矩形沟槽附近区域的加速度幅值，以振幅降低比为隔振效果的评价指标，分析二维平面下矩形沟槽的隔振效果，为隔振设计提供依据.

1 试验方法及场地

1.1 测试方法

试验采用的设备为WS-Z30型振动台控制系统，如图1所示，主要设备包括控制系统、激振器、加速度传感器以及电脑等.在测试过程中，利用电脑中振动台控制系统自带的控制程序设置相关参数控制信号的输出，本试验设置为正弦波信号，电脑输出的信号经振动台控制系统转换后传递至激振器，激振器通过不同频率的振动产生振动波，然后由位于指定位置的加速度传感器接收振动波的竖向加速度并反馈给振动台控制系统，最后由电脑接收.

图1 试验设备及测试流程

1.2 试验场地及测试布局

试验场地位于郊区，经检测场地的土体含有少量砂石等杂质，为消除土体中杂质对试验结果的影响，本试验采用换填的方式，开挖一个深2 m边长为4 m×4 m的长方体土坑，另筛选相同体积且粒径小于5 mm的均质河砂回填于土坑内，在回填过程中每回填5 cm厚的砂子进行人工夯实，根据《GB 50123-2019-T土工试验方法标准》[11]，回填砂土的含水率和密度分别采用烘干法和蜡封法测定，经测定回填后的砂土的含水率在9%～10%之间，密度在1800～1900 kg/m3之间.

图2 试验场地图3 测试布局

图2为设置矩形沟槽时的试验场地布置图，试验中应用的6个加速度传感器进行流动测试，直至数据采取区域数据采集点全部测试完成.为了研究矩形沟槽附近区域的振动隔离情况，试验设置的数据采集点如图3所示，由于矩形沟槽是对称分布所以数据采集区域是振动隔离区域的一半，整个数据采集区域为一个半径为3000 mm的扇形区域，共设置10条基准线，每条基准线之间的间隔为5°，为详细测试矩形沟槽附近振动强度变化情况，故在沟槽附近布置的采集点较密集，数据采集点的前后间隔分别为100 mm、200 mm和300 mm.

2 评价指标

采用振幅降低比Ar[12]作为评价指标来评价矩形沟槽的隔振效果，如式(1)所示，Ar表示设置矩形沟槽时测试点加速度幅值a1与未设置矩形沟槽时测试点的加速度幅值a0的比值，Ar值越小表示隔振效果越好.

Ar=a1/a0

(1)

3 试验结果与分析

为探究矩形沟槽在不同频率条件下对隔振效果的影响，试验设置的振源距离为1040 mm，矩形沟槽的深度为600 mm、宽度为150 mm以及长度为1200 mm，测试数据采集区域内控制点的加速度，由式(1)绘制振幅降低比Ar值的二维等值线图.已有研究表明，在隧道内地铁列车运行时由车轮和轨道引起的振动速度级峰值一般出现在40～80 Hz[13]，基于此本试验选取激振频率为20 Hz(低频)、40 Hz(中频)、80 Hz(高频)进行分析.

图4 振幅降低比Ar值等值线图

绘制不同频率条件下矩形沟槽的振幅降低比Ar值等值线图如图4所示，由图4可以看出，通过设置矩形沟槽屏障，矩形沟槽前后区域产生了不同的效果，在沟前区域附近的Ar值均大于1，这表明振动波在砂土地基中传播过程中遇到沟槽屏障时会发生波的反射现象从而增强沟前区域的振动，由低频、中频和高频三种不同情况下的等值线图可以看出，在沟前区域距离矩形沟槽越近其振动强度越大，以频率40 Hz为例进行分析，在沟前及沟侧区域，随着离矩形沟槽距离的减小，其振动强度由Ar值小于1.2逐渐增大至1.3以上，造成这种现象的原因是矩形沟槽对振动波产生了反射效果，反射波在传播过程中伴随着能量的消耗.在沟后区域Ar值均小于0.6，这表明通过设置矩形沟槽屏障可以有效降低振动波在沟后的振动强度，产生这种现象的原因是振动波在传播过程中遇到矩形沟槽屏障一部分被沟槽反射回去增强沟前的振动强度，较少部分通过波的绕射和透射传播到沟后区域，从而降低了沟后的振动强度，对比低频、中频和高频三种不同情况下的等值线图，Ar值小于0.4区域的面积逐渐扩大，这表明，在一定条件下增大激振频率可以降低矩形沟槽后部区域的振动强度.

图5 Ar值随离振源距离变化曲线图

为探究在设置矩形沟槽情况下，振动波随着传播距离的增加的变化情况，沿0°刻度线方向做等值线图的剖线，如图5所示；由图5可以看出，在沟后区域，随着传播距离的增加，Ar值呈阶梯状递增的趋势，这表明矩形沟槽对于近距离区域的隔振效果要优于较远距离区域；随着激振频率的增加，Ar值越来越小，矩形沟槽的隔振效果越来越好，这表明矩形沟槽在较高频率条件下的隔振效果更加显著.

4 结 论

本文通过室外现场试验，以振幅降低比为评价指标，绘制不同频率条件下矩形沟槽隔振效果的等值线图，通过分析可以得出以下结论；

(1)振动波在砂土地基中传播过程中遇到矩形沟槽屏障时会增强沟前区域的振动，通过设置矩形沟槽屏障可以有效降低振动波在沟后的振动强度.

(2)相比于低频振动，矩形沟槽对于高频振动具有更好的隔振效果.

(3)在沟后区域，矩形沟槽对与近距离区域的隔振效果显著，随着传播距离的增加隔振效果越来越差.