焦歐陽，周鳳璽，2，王根強(qiáng)，喬 雄

（1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730050；2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州 730050；3.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州 730050）

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)和現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，各種環(huán)境污染問題日益頻繁，其中人工振動(dòng)造成的環(huán)境污染問題引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。人工振動(dòng)造成的環(huán)境污染包括地基振動(dòng)誘發(fā)的周邊環(huán)境振動(dòng)、地面長期沉降以及噪聲污染等。地基是將振動(dòng)從人工振源向周邊環(huán)境傳播的主要中間介質(zhì)，通過地基引起的周邊環(huán)境振動(dòng)是人工振動(dòng)污染的主要途徑。地基振動(dòng)對(duì)臨近的建筑物、地下管線、精密儀器設(shè)備以及人們的生活工作環(huán)境具有不可忽視的影響[1]。例如，在國道312線甘肅境內(nèi)平?jīng)鑫髦两缡伓尉S修改造工程項(xiàng)目中，由于基層施工中重型卡車以及壓路機(jī)引起的地基振動(dòng)，對(duì)公路沿線周邊約35戶居民的舊土木結(jié)構(gòu)建筑以及新建砌體結(jié)構(gòu)建筑均造成了嚴(yán)重的損壞，甚至倒塌。

自Chouw等提出在地基中設(shè)置一個(gè)類似的硬夾層，以形成一個(gè)有限尺寸的人工基巖進(jìn)行隔振[2]，并稱其為波阻板(Wave Impedance Block，WIB)以來，波阻板隔振屏障引起了國內(nèi)外很多學(xué)者的研究。Chouw等采用二維頻域邊界元法分析了波阻板的主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振，并對(duì)波阻板被動(dòng)隔振與填充溝被動(dòng)隔振進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了波阻板隔振效果要優(yōu)于填充溝的結(jié)論[2]；Peplow等采用邊界積分方程法，研究了二維雙層地基波阻板主動(dòng)隔振的隔振效果[3]；利用半解析邊界元法，高廣運(yùn)等對(duì)二維和三維波阻板進(jìn)行了主動(dòng)隔振性能的理論研究，發(fā)現(xiàn)波阻板在低頻隔振中具有良好的隔振效果可與其他隔振措施進(jìn)行組合隔振[4–7]；Kaynia和Madshus等分析了頻域、時(shí)域內(nèi)在道碴中或道下埋置波阻板的隔振，表明效果良好[8]；周鳳璽等基于含液飽和多孔介質(zhì)中的流-固耦合作用，以含液飽和多孔材料體系作為隔振屏障，提出了一類新型的波阻板地基隔振[9]；李寧等對(duì)兩種不同埋深的混凝土波阻板進(jìn)行了水平激振下的主動(dòng)隔振試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算[10]。

盡管對(duì)波阻板隔振性能的理論研究已有大量的成果，但在試驗(yàn)，尤其是原位測試方面積累的資料不是很多。為提高波阻板在實(shí)際工程中的應(yīng)用，尚需進(jìn)行大量的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)，在卡車以及壓路機(jī)等交通荷載作用下，對(duì)不同材料的波阻板的隔振效果進(jìn)行比較研究，為波阻板在公路工程中的應(yīng)用提供了一定的參考。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中采用不同速度的滿載卡車以及低幅和高幅振動(dòng)的HAMM壓路機(jī)作為振源。波阻板的尺寸均為長×寬×厚=2 000 mm×2 000 mm×500 mm，波阻板的材料分別為素混凝土、泡沫夾芯和無砂混凝土。其中泡沫夾芯波阻板兩側(cè)混凝土板的厚度為150 mm，夾芯層泡沫板的厚度為200 mm。為了獲得地表振動(dòng)響應(yīng)，試驗(yàn)使用TC-4850爆破測振儀進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，試驗(yàn)中將測振儀三向速度傳感器用石膏粘接固定在測點(diǎn)處（如圖1所示），三向速度傳感器的z向垂直于地面，x、y向?yàn)樗矫妫襵方向與公路方向平行。

圖1 速度傳感器固定

1.2 試驗(yàn)方案和測點(diǎn)布置

為了研究公路交通荷載下不同類型波阻板的隔振效果，在卡車速度分別為20 km/h，40 km/h，60 km/h以及低幅和高幅振動(dòng)的壓路機(jī)激勵(lì)下，試驗(yàn)依次進(jìn)行了不設(shè)置波阻板的自由場振動(dòng)測試、設(shè)置素混凝土波阻板、設(shè)置泡沫夾芯波阻板和無砂混凝土波阻板的主動(dòng)隔振測試。

每種情形下的測試都是用相同的試驗(yàn)測點(diǎn)，分布如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)測點(diǎn)布置圖

即在公路一側(cè)由近及遠(yuǎn)依次設(shè)置1#－4#共4個(gè)測點(diǎn)，以獲取交通荷載作用下，公路附近地表的振動(dòng)速度和不同類型波阻板在各測點(diǎn)的隔振效果。

1.3 隔振效果評(píng)價(jià)

不同類型波阻板的隔振效果可以通過測點(diǎn)處的地表峰值速度[11](the peak particle velocity，PPV)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文中使用了無量綱化的峰值速度PPV*進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。其中，PPV*為各測點(diǎn)實(shí)測PPV與相同工況下1#測點(diǎn)PPV的比值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 行車荷載激勵(lì)

為了分析行車荷載作用對(duì)公路附近地基振動(dòng)的影響，采用約30 t滿載卡車以不同的行駛速度通過測試路段，以此來研究不同類型波阻板對(duì)移動(dòng)荷載激勵(lì)下的隔振效果。

由于篇幅所限，圖3－圖5只給出了卡車速度為20 km/h、40 km/h、60 km/h時(shí)，不同材料的波阻板各試驗(yàn)測點(diǎn)在z方向上的峰值速度隨距離的變化曲線，圖中垂直的實(shí)心線表示了波阻板的位置。從圖中可以看出，對(duì)于自由場（無波阻板）由于地基的材料阻尼和幾何阻尼作用，波在傳播過程中隨著距離的增大，其能量逐漸耗散，引發(fā)的地表振動(dòng)響應(yīng)也逐漸減弱。對(duì)于設(shè)置波阻板的情形，除了上述衰減外，由于彈性波在土層與波阻板交界面處發(fā)生復(fù)雜的反射和折射現(xiàn)象，加速了波的衰減，使得埋置波阻板后相同距離處的地表振動(dòng)響應(yīng)小于埋置波阻板之前的地表振動(dòng)響應(yīng)。

從圖3－圖5可以看出，設(shè)置波阻板后測點(diǎn)z方向的峰值速度明顯小于不設(shè)置波阻板時(shí)該點(diǎn)處的峰值，表明在公路行車荷載下波阻板能起到有效的地基隔振作用。對(duì)比不同材料的波阻板的試驗(yàn)結(jié)果可知，泡沫夾芯波阻板的隔振效果最好，無砂混凝土波阻板次之。

通過圖3－圖5可以明顯地看出，隨著行車速度的增加，各類波阻板的隔振效果越顯著。

圖3 卡車速度為20 km/h時(shí)測點(diǎn)峰值速度隨距離的變化

圖4 卡車速度為40 km/h時(shí)測點(diǎn)峰值速度隨距離的變化

圖5 卡車速度為60 km/h時(shí)測點(diǎn)峰值速度隨距離的變化

地面振動(dòng)的隔振效果還可以通過速度振幅衰減系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。振幅衰減系數(shù)AR定義為

為了進(jìn)一步說明泡沫夾芯波阻板的隔振效果，圖6給出了卡車速度為20 km/h、40 km/h、60 km/h時(shí)，各測點(diǎn)z方向峰值速度振幅衰減系數(shù)ARz隨距離的變化曲線。

圖6 不同車速時(shí)振幅衰減系數(shù)隨距離變化

圖中可以看出，在波阻板后各點(diǎn)的峰值速度振幅明顯的降低。

2.2 壓路機(jī)振動(dòng)碾壓激勵(lì)

在試驗(yàn)中采用了HAMM壓路機(jī)在低幅以及高幅振動(dòng)碾壓激勵(lì)下，采集了各測點(diǎn)的地面振動(dòng)速度。圖7和圖8分別為壓路機(jī)在低幅和高幅振動(dòng)下，測點(diǎn)z方向的峰值速度隨距離的變化曲線。

圖7 HAMM壓路機(jī)低幅振動(dòng)下，測點(diǎn)峰值速度隨距離的變化

從圖中可以看出，無論是低幅還是高幅振動(dòng)碾壓，各類波阻板均起到一定的隔振效果，并且通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，泡沫夾芯波阻板的隔振效果最好，無砂混凝土波阻板次之。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)泡沫夾芯波阻板的隔振效果，圖9給出了壓路機(jī)低幅和高幅振動(dòng)下，設(shè)置泡沫夾芯波阻板場地測點(diǎn)z方向峰值速度和振幅衰減系數(shù)隨距離的變化。從圖中可以看出泡沫夾芯波阻板對(duì)于壓路機(jī)荷載振源具有很好的隔振效果。

圖8 HAMM壓路機(jī)高幅振動(dòng)下，測點(diǎn)峰值速度隨距離的變化

圖9 壓路機(jī)低幅和高幅振動(dòng)下，振幅衰減系數(shù)隨距離變化

3 結(jié)語

通過比較素混凝土、泡沫夾芯和無砂混凝土等3種不同材料波阻板的隔振效果的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可知，無論是行車荷載還是壓路機(jī)碾壓振動(dòng)，泡沫夾芯波阻板的隔振效果最好，無砂混凝土波阻板次之。

致謝：

本次現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，在試驗(yàn)場地、波阻板制作以及試驗(yàn)車輛等各方面都得到了甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)第三公路工程有限責(zé)任公司的大力支持，筆者在此表示誠摯的感謝。

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