劉晶磊 李 凱 王 洋 梅名彰
(①河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)實驗室,張家口 075000,中國)(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,張家口 075000,中國)(③河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院,張家口 075000,中國)
隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展,軌道交通建設(shè)如火如荼,由軌道交通引發(fā)的振動不僅對自身運行產(chǎn)生安全隱患,而且對周圍環(huán)境產(chǎn)生的不良影響越來越明顯,許晨等(2018)通過建立動力模型試驗,分析了地鐵列車振動作用下地裂縫處地層的動力響應(yīng)規(guī)律,研究表明地裂縫活動是影響隧道結(jié)構(gòu)振動的重要因素;高廣運等(2014,2016,2019)通過實測上海地鐵運行對周圍建筑的影響,發(fā)現(xiàn)在地鐵運行高峰時段會對周圍環(huán)境振動產(chǎn)生顯著的影響,并研究得出了地鐵激勵作用下地面振動的衰減規(guī)律。因此,如何削減振動帶來的不良影響已經(jīng)引起人們的關(guān)注,而絕大部分人工振動都可以通過設(shè)置溝槽來進行振動隔離。
許多學(xué)者對軌道交通振動的溝槽隔振進行了廣泛的研究,Woods(1968)通過大量的現(xiàn)場試驗研究發(fā)現(xiàn)設(shè)置溝槽能夠有效抑制溝后土體振動。Adam et al.(2005)采用時域耦合邊界元-有限元算法、Tsai(2013)采用二維邊界元方法、Shrivastava et al.(2002)采用有限元法對沖擊荷載作用下空溝及填充溝的隔振效果進行了大量的研究。在國內(nèi),李建平等(2020)通過建立有限元模型分析了不同地下水位對溝槽遠場隔振效果的影響;姚錦寶(2019)采用理論分析法研究了瑞利波在空溝附近的傳播特性,研究表明:增大空溝深度可增強溝后土體振動的衰減;徐斌等(2012)通過2.5D邊界元法分析了空溝對移動荷載引起飽和土體振動的被動隔振效果;時剛(2011a,2011b)結(jié)合薄層法和邊界元法提出以二維飽和半空間薄層法基本解答作為Green函數(shù)的飽和土二維頻域半解析邊界元法;鄧亞虹(2007)指出振源距離存在一個最佳位置使得隔震效率最高;孫連勇等(2020)針對機器基礎(chǔ)振動,采用現(xiàn)場試驗結(jié)合邊界元分析,研究了空溝幾何尺寸對隔振效果的影響;劉晶磊等(2018)通過試驗分析認為矩形溝槽對隔振效果的影響與瑞利波的波長有關(guān);徐平(2014)采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場試驗研究了沖擊荷載作用下空溝尺寸以及空溝-荷載間距的隔振性能。
以上對于溝槽屏障隔振效果的研究成果中,主要應(yīng)用了理論分析和數(shù)值模擬等方法,較少將溝槽的振動隔離問題進行平面化、區(qū)域化、系統(tǒng)化分析。本文通過現(xiàn)場試驗,以矩形溝槽的深度、寬度、長度、振源距離和橫截面積為變量,結(jié)合不同的瑞利波波長對溝槽的區(qū)域隔振效果進行分析,為矩形溝槽的隔振設(shè)計提供依據(jù)。
室外試驗場地位于郊區(qū),車輛及行人較少,對試驗的環(huán)境擾動較小,試驗場地為4.0im×4.0im×2.0im(長×寬×深)的換填砂性土。如圖1所示,試驗采用WS-Z30型振動臺控制系統(tǒng),它由控制柜,電磁激勵器,計算機和感應(yīng)器組成。感應(yīng)器是在測試中應(yīng)用的11個加速度計,其中一個(0#傳感器)位于激振器右側(cè)30icm處用于校核,其他(1~10#傳感器)用于流動測試。本次試驗的激振波形為正弦波,設(shè)置的采樣頻率以及測量時間分別為5000iHz和5is。
圖1 試驗儀器及場地
為避免土中雜質(zhì)對數(shù)據(jù)采集造成影響,將回填砂過篩且在回填過程中分層夯實,并將土體的含水率控制在12%左右、密度控制在 1.75 g·cm-2左右。如圖2所示,在試驗場地內(nèi)部設(shè)置一個半徑為3im的扇形數(shù)據(jù)采集區(qū),由于溝槽附近的數(shù)據(jù)變化較為頻繁,數(shù)據(jù)采集區(qū)遵循“前密后疏”的原則分為密集區(qū)、次密區(qū)和稀疏區(qū)3個區(qū)域,各區(qū)域傳感器前后間隔分別為10icm、20icm以及30icm;由圖2可以看出,OA軸線為平行于試驗場地中線的直線,由于溝槽對稱分布在OA軸線上,故扇形采集區(qū)為溝槽隔振區(qū)域的一半,以O(shè)點為圓心,每隔5°設(shè)置一條數(shù)據(jù)采集基準(zhǔn)線,在溝槽附近,隨著溝槽寬度及長度的變化增加或減少采集點的數(shù)量。
圖2 測試布局
為了研究矩形溝槽幾何參數(shù)變化時地表振動變化情況,本文設(shè)置了11種不同的試驗條件(表1),變量包括溝深d、溝寬w、溝長l、振源距離e和橫截面積n。溝深d表示溝槽的深度,溝寬w表示溝槽的寬度,溝長l表示溝槽的長度,振源距離e表示激振器前端與溝槽中點線之間的距離,橫截面積n為矩形溝槽長度與深度的乘積。
表1 試驗參數(shù)明細表
如式(1)所示,矩形溝槽的隔振效果采用振幅降低比Ar表示,Ar值小于1則表示有隔振效果。
(1)
式中:a1為有溝槽時控制點的加速度幅值;a0為無溝槽時控制點的加速度幅值。
溝槽的幾何尺寸對隔振效果的影響與瑞利波波長有著密切的聯(lián)系(Yang et al.,1997);為了明確溝槽尺寸和瑞利波波長關(guān)系以及它們對隔振效果的影響,引入下列參數(shù)進行分析評價。
(2)
(3)
(4)
(5)
N=D×L
(6)
式中:D為深度參數(shù);W為寬度參數(shù);L為長度參數(shù);E為距離參數(shù);N為歸一化橫截面積(Alhussaini et al.,1991);λR表示瑞利波波長。
瑞利波波速通過表面波頻譜分析方法(吳世明等,1988)測得,經(jīng)測試計算后得到瑞利波平均波速為VR=109.99im·s-1(劉晶磊等,2018),波長通過式(7)計算。
(7)
式中:λR表示波長;VR表示波速;f表示頻率。
研究認為地鐵振動對地面振動影響頻段范圍為15~200iHz(Sheng et al.,2003),綜合考慮試驗參數(shù)范圍,本文選取30iHz(Liu et al.,2018)(低頻)、60iHz(閆維明等,2006)(中頻)以及120iHz(高頻)3種頻率進行研究,由式(7)計算其對應(yīng)的瑞利波波長,結(jié)果如表2所示。
表2 波長明細表
矩形溝槽采用寬度為15icm、振源距離為60icm、長度為120icm,并設(shè)置30icm、50icm、70icm 3種深度研究深度參數(shù)變化對隔振效果的影響,通過測試指定區(qū)域內(nèi)的加速度幅值,由式(1)繪制隔振溝槽深度參數(shù)的振幅降低比Ar值二維等值線圖,具體試驗工況如表3所示。
表3 深度參數(shù)工況明細表
通過對比各試驗工況的隔振效果,以中頻60iHz時的等值線圖為例進行研究分析(圖3),低頻和高頻時的等值線圖用于參考未在文中給出。
圖3 深度參數(shù)等值線圖
由圖3可知,通過設(shè)置矩形溝槽,振幅降低比Ar值在溝槽前后出現(xiàn)兩種截然不同的情況,在溝前及兩側(cè)出現(xiàn)明顯的振動加強區(qū)域,而在溝后產(chǎn)生明顯的隔振效果,這是因為瑞利波在彈性半空間傳播時,遇到溝槽屏障會發(fā)生能量的重新分配,一部分瑞利波被溝槽反射回去從而增強了溝前的振動強度,另一部分通過溝底和溝側(cè)的繞射以及波的透射突破溝槽屏障的阻隔繼續(xù)向前傳播。
溝后隔振區(qū)域的振幅降低比主要集中在0.6以下,Ar值小于0.4區(qū)域出現(xiàn)明顯的界限范圍,并且空溝的最佳隔振效果為60%(徐平等,2015),故本文以Ar值小于0.4的區(qū)域作為振動屏蔽區(qū)域以分析溝槽的隔振效果。
比較工況1-4~1-6,矩形溝槽的深度由30icm增加到70icm時,溝前振動加強區(qū)域的面積不斷增大,該區(qū)域的振動強度明顯增強,溝后的振動屏蔽區(qū)域面積也在不斷增大;產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是,溝槽深度的增加,增大了溝槽對瑞利波的阻隔面,更多的瑞利波被反彈回去,通過溝底的繞射波繞射距離增加,加強了瑞利波的耗散。
為進一步研究深度參數(shù)對振動屏蔽區(qū)域面積S0.4的影響,求得各工況振動屏蔽區(qū)域的面積如表4所示,并將各工況的振動屏蔽區(qū)域面積與D值進行擬合,得到在不同工況下S0.4與D關(guān)系式如式(8)所示,繪制回歸方程的擬合圖像如圖4所示。
表4 振動屏蔽區(qū)域面積一覽表
圖4 S0.4與D值擬合曲線
S0.4=0.12lnD+0.50R2=0.90
(8)
擬合圖像各相關(guān)節(jié)點的振動屏蔽區(qū)域面積S0.4及S′0.4在表5中給出,其中,S′0.4表示增長速率,是振動屏蔽區(qū)域面積S0.4與矩形溝槽幾何參數(shù)擬合曲線在某一點處的切線斜率,S′0.4越小說明振動屏蔽區(qū)域的面積變化越不明顯。
表5 深度參數(shù)列表
由圖4及表5可知,隨著D值不斷增大,振動屏蔽區(qū)域面積S0.4逐漸增大,增長速率呈減小的趨勢:當(dāng)D值從0.08增加到0.36時,S0.4增大了0.16im2,增長速率減小了1.11,但始終保持在0.39以上,振動屏蔽區(qū)域的面積處于快速增長階段;當(dāng)D值為0.31~0.53時,S0.4增大了0.06im2,增長速率由0.39降低到0.23,此時,S0.4繼續(xù)增大,但增加幅度相對減小,處于緩慢增長階段;當(dāng)D值為0.53~0.75時,S0.4增大了0.05im2,增長速率低于0.23,振動屏蔽區(qū)域的面積變化不大,處于低速增長階段。
綜上所述,深度參數(shù)是影響振動屏蔽區(qū)域面積的重要因素,在一定條件下,當(dāng)D值取值范圍為0.08~0.53時,隨著深度參數(shù)的增加,振動屏蔽區(qū)域面積顯著增大,當(dāng)D值的范圍為0.53~0.75時,振動屏蔽面積變化不明顯。
矩形溝槽采用深度為50icm、振源距離為60icm、長度為120icm,并設(shè)置5icm、15icm、25icm 3種寬度研究寬度參數(shù)變化對隔振效果的影響,通過測試指定區(qū)域內(nèi)的加速度幅值,由式(1)繪制矩形溝槽寬度參數(shù)的振幅降低比Ar值二維等值線圖,具體試驗工況如表6所示。
表6 寬度參數(shù)工況明細表
同樣以60iHz為例進行分析,Ar值等值線圖如圖5所示,工況2-5的等值線圖與工況1-5相同,比較工況2-4~2-6,隨著寬度的增加,振動屏蔽區(qū)域的面積變化不明顯,這是因為增加溝槽寬度主要減弱瑞利波的透射,而試驗設(shè)置溝槽的寬度變化量為5icm不足最小瑞利波波長的十八分之一,瑞利波透過溝槽的能量差別不大。
圖5 寬度參數(shù)等值線圖
進一步分析寬度參數(shù)變化對振動屏蔽區(qū)域面積的影響,求得各工況振動屏蔽區(qū)域的面積如表7所示,同樣將各工況的振動屏蔽區(qū)域面積S0.4與W值進行擬合,得到在不同工況下S0.4與W關(guān)系式如式(9)所示,繪制回歸方程的擬合圖像如圖6所示。
表7 振動屏蔽區(qū)域面積一覽表
圖6 S0.4與W值擬合曲線
S0.4=0.51W+0.27R2=0.75
(9)
由圖6及式(9)可知,振動屏蔽區(qū)域的面積與寬度參數(shù)近似呈線性關(guān)系,當(dāng)W值由0.01增長到0.27時,振動屏蔽區(qū)域的面積僅增長了0.13im2,變化不明顯。
綜上可知,矩形溝槽寬度參數(shù)變化對振動屏蔽區(qū)域的面積影響較小,一定范圍內(nèi),增大矩形溝槽的寬度,參數(shù)振動屏蔽區(qū)域的面積變化不明顯。
矩形溝槽采用的寬度為15icm、深度為50icm、振源距離為60icm,并設(shè)置100icm、120icm、140icm 3種長度研究長度參數(shù)變化對隔振效果的影響,通過測試指定區(qū)域內(nèi)的加速度幅值,由式(1)繪制隔振溝槽長度參數(shù)的振幅降低比Ar值二維等值線圖,具體試驗工況如表8所示。
表8 長度參數(shù)工況明細表
綜合考察各工況的隔振效果,同樣以中頻60iHz時的等值線圖為例進行長度參數(shù)隔振效果分析,如圖7所示,其中工況3-5的等值線圖與工況1-5相同。
圖7 長度參數(shù)等值線圖
對比工況3-4~3-6可知,振動屏蔽區(qū)域的橫向延伸范圍隨著溝槽長度的增加而擴展,振動屏蔽區(qū)域的面積明顯增大,這是因為瑞利波在傳播過程中遇到溝槽時,發(fā)生波的衍射現(xiàn)象,隨著溝槽長度的增加,阻擋瑞利波傳遞的阻隔面增大,因此振動屏蔽區(qū)域的范圍隨之增大。
進一步分析長度參數(shù)變化對振動屏蔽區(qū)域面積的影響,求得各工況振動屏蔽區(qū)域的面積如表9所示,將各工況的振動屏蔽區(qū)域面積S0.4與L值進行擬合得到在不同工況下S0.4與L關(guān)系式如式(10)所示,繪制回歸方程的擬合圖像如圖8所示。
表9 振動屏蔽區(qū)域面積一覽表
圖8 S0.4與L值擬合曲線
S0.4=0.14lnL+0.38R2=0.82
(10)
同樣將擬合圖像各相關(guān)節(jié)點的振動屏蔽區(qū)域面積S0.4及增長速率S′0.4在表10中給出。
表10 長度參數(shù)列表
由圖8及表10可知,隨著L值不斷增大,振動屏蔽區(qū)域的面積也在不斷增大,增長速率呈現(xiàn)減小的趨勢:當(dāng)L值從0.29增加到0.70時,S0.4增大了0.12im2,增長速率由0.48降為0.20,S0.4處于快速增長階段,此時,增加長度參數(shù)可以顯著增大振動屏蔽區(qū)域的面積;當(dāng)L值為0.70~1.11時,S0.4增大了0.07im2,增長速率不斷降低且處于0.13~0.20之間,此時,振動屏蔽區(qū)域的面積繼續(xù)增大,但增加幅度相對減小,處于緩慢增長階段;當(dāng)L值為1.11~1.52時,S0.4增大了0.04im2,增長速率繼續(xù)下降且低于0.13,此時,振動屏蔽區(qū)域的面積變化不明顯,處于低速增長階段。
綜上所述,增加長度參數(shù)對振動屏蔽區(qū)域面積影響較大;限于本文試驗條件,當(dāng)L取值范圍為0.29~1.11時,隨著長度參數(shù)的增大振動屏蔽區(qū)域的面積顯著增加,當(dāng)L值取1.11~1.52時,振動屏蔽區(qū)域的面積變化不明顯。
矩形溝槽采用寬度為15icm、深度為50icm、長度為120icm,并設(shè)置30icm、60icm、104icm 3種振源距離研究距離參數(shù)變化對隔振效果的影響,通過測試指定區(qū)域內(nèi)的加速度幅值,由式(1)繪制隔振溝槽距離參數(shù)的振幅降低比Ar值二維等值線圖,具體試驗工況如表11所示。
表11 距離參數(shù)試驗工況明細表
以表11中的工況4-4~4-6為例進行距離參數(shù)隔振效果分析,Ar值等值線圖如圖9所示,其中:工況4-5的等值線圖參見圖3工況1-5。
圖9 距離參數(shù)等值線圖
比較工況4-4~4-6可以看出,隨著振源距離的增加,溝后的振動屏蔽區(qū)域和溝前的振動加強區(qū)域產(chǎn)生了明顯的變化;對于振動加強區(qū)域:隨著振源距離減小,振動加強區(qū)域的振動強度明顯增大,如圖9所示,當(dāng)振源距為30icm時振動加強區(qū)域的Ar值基本在1.2以上,而當(dāng)振源距為104icm時,振動加強區(qū)域的Ar值大部分在1.1~1.2之間;這是由于振源較近時,振動強度大溝槽反射較強,從而增強了溝前的振動強度。對于溝后的振動屏蔽區(qū)域:隨著振源距離的增加,振動屏蔽區(qū)域的面積顯著增大,原因是,隨著振源距離的不斷增大,瑞利波在發(fā)生繞射前的衰減不斷增強。
進一步分析距離參數(shù)變化對振動屏蔽區(qū)域面積的影響,求得各工況振動屏蔽區(qū)域的面積如表12所示,同樣將各工況的振動屏蔽區(qū)域面積S0.4與E值進行擬合得到在不同工況下E與S0.4關(guān)系式如式(11)所示,繪制回歸方程擬合圖像如圖10所示。
圖10 S0.4與E值擬合曲線
表12 振動屏蔽區(qū)域面積一覽表
S0.4=0.10lnE+0.44R2=0.94
(11)
同樣將擬合圖像中各相關(guān)節(jié)點的在振動屏蔽區(qū)域面積及增長速率S′0.4在表13中給出。
表13 距離參數(shù)列表
由圖10及表13可知,隨著E值不斷增大,振動屏蔽區(qū)域的面積也在不斷增大,增長速率不斷減?。寒?dāng)E值由0.08增長到0.43時,S0.4增大了0.17im2,增長速率由1.25下降到0.23,此時,增加距離參數(shù)可以顯著增大振動屏蔽區(qū)域的面積,處于快速增長階段;當(dāng)E值為0.43~0.78時,S0.4增大了0.06im2,增長速率繼續(xù)下降且保持在0.13~0.23之間,此時,屏蔽區(qū)域的面積繼續(xù)增大,但增加幅度相對減小,處于緩慢增長階段;當(dāng)E值為0.78~1.13時,S0.4增大了0.03im2,增長速率小于0.13,此時,振動屏蔽區(qū)域的面積變化不明顯,處于低速增長階段。
由上述分析可知,距離參數(shù)對矩形溝槽振動屏蔽區(qū)域面積分布有重要影響;限于本文試驗條件,當(dāng)E取值范圍為0.08~0.78時,增加距離參數(shù)可以顯著增大振動屏蔽區(qū)域的面積,當(dāng)E值為0.78~1.13時,振動屏蔽區(qū)域面積變化不明顯。
矩形溝槽采用寬度為15icm、振源距離為60icm,并設(shè)置0.3im2、0.6im2和0.98im23種橫截面積研究歸一化橫截面積變化對隔振效果的影響,通過測試指定區(qū)域內(nèi)的加速度幅值,由式(1)繪制隔振溝槽距離參數(shù)的振幅降低比Ar值二維等值線圖,具體試驗工況如表14所示。
表14 歸一化橫截面積工況明細表
綜合考察各工況的隔振效果,以表14中的工況5-4~5-6的等值線圖為例進行歸一化橫截面積隔振效果分析,如圖11所示,其中工況5-5的等值線圖與工況1-5相同。
圖11 歸一化橫截面積等值線圖
比較工況5-4~5-6可知,隨著矩形溝槽橫截面積的增加,溝后振動屏蔽區(qū)域的面積逐漸增大,隔振效果越來越好,而溝前的振動加強區(qū)域的面積和振動強度明顯增大;這表明增大矩形溝槽的橫截面積可以有效降低瑞利波的繞射并增強瑞利波的反射。
進一步分析歸一化橫截面積變化對振動屏蔽區(qū)域面積的影響,求得各工況振動屏蔽區(qū)域的面積如表15所示,同樣將各工況的振動屏蔽區(qū)域面積S0.4與N值進行擬合得到在不同工況下N與S0.4關(guān)系式如式(12)所示,繪制回歸方程的擬合圖像如圖12所示。
圖12 S0.4與N值擬合曲線
表15 振動屏蔽區(qū)域面積一覽表
S0.4=0.07lnN+0.45R2=0.86
(12)
同樣將擬合圖像中各相關(guān)節(jié)點的在振動屏蔽區(qū)域面積及增長速率S′0.4在表16中給出。
表16 歸一化橫截面積列表
由圖12及表16可知,隨著N值不斷增大,振動屏蔽區(qū)域的面積也在不斷增大,增長速率不斷減?。寒?dāng)N值由0.02增長到0.40時,S0.4增大了0.21im2,增長速率由3.50驟降到0.18,此時,增加距離參數(shù)可以顯著增大振動屏蔽區(qū)域的面積,處于快速增長階段;當(dāng)N值為0.40~0.78時,S0.4增大了0.04im2,增長速率繼續(xù)下降且保持在0.09~0.18之間,此時,振動屏蔽區(qū)域的面積繼續(xù)增大,但增加幅度相對減小,處于緩慢增長階段;當(dāng)N值為0.78~1.16時,S0.4增大了0.03im2,增長速率小于0.09,此時,振動屏蔽區(qū)域的面積變化不明顯,處于低速增長階段。
綜上所述,矩形溝槽的歸一化橫截面積對振動屏蔽區(qū)域面積分布有重要影響;限于本文條件,當(dāng)N取值范圍為0.02~0.78時,增加距離參數(shù)可以顯著增大振動屏蔽區(qū)域的面積,當(dāng)N值為0.78~1.16時,振動屏蔽區(qū)域面積變化不明顯。
通過現(xiàn)場試驗對振動屏蔽區(qū)域面積變化規(guī)律進行分析,研究矩形溝槽幾何參數(shù)對振動屏蔽區(qū)域的影響,可以得出以下結(jié)論:
(1)瑞利波在砂土地基中傳播時,遇到溝槽屏障時會產(chǎn)生能量的重新分配,一部分能量被溝槽反彈回去,另外一部分通過波的繞射、透射等方式突破溝槽的阻隔繼續(xù)向前傳播。
(2)深度參數(shù)對矩形溝槽的隔振效果有重要影響,增大矩形溝槽的深度參數(shù),則振動屏蔽區(qū)域的面積隨之顯著增大,在本文條件下,當(dāng)D值由0.08增至0.53時,振動屏蔽區(qū)域的面積顯著增長;當(dāng)D值取0.53~0.75時,振動屏蔽區(qū)域的面積變化較小。
(3)寬度參數(shù)的變化對隔振效果的影響不顯著,一定范圍內(nèi),增大矩形溝槽的寬度參數(shù)振動屏蔽區(qū)域的面積變化不明顯。
(4)矩形溝槽的長度參數(shù)對隔振效果有較大的影響,增大長度參數(shù),振動屏蔽區(qū)域的面積隨之顯著增大,一定范圍內(nèi),當(dāng)L值由0.29增至1.11時,振動屏蔽區(qū)域的面積顯著增長;當(dāng)L取值范圍為1.11~1.52時,振動屏蔽區(qū)域的面積變化不明顯。
(5)矩形溝槽的距離參數(shù)也是影響隔振效果的重要因素,在本文試驗條件下,隨著距離參數(shù)的增加,瑞利波在繞射前的衰減不斷增強,溝后的振動屏蔽區(qū)域的面積不斷增大;當(dāng)E值取0.78~1.13時隔振效果較好。
(6)矩形溝槽的歸一化橫截面積對隔振效果有較大的影響,在本文試驗條件下,隨著歸一化橫截面積的增大隔振效果越來越好,限于本試驗條件,建議N值取0.78~1.16。