王通 ，劉先峰 , ，袁勝洋 ，侯召旭 ，閔琦 ，白繼航

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；3.新疆工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023)

紅層泥巖在我國西南地區(qū)大量分布，隨著軌道交通的迅猛發(fā)展，不可避免地會有地鐵線路穿越紅層泥巖區(qū)域[1]，同時軌道交通引起的環(huán)境振動噪聲問題公眾反應(yīng)十分強烈。環(huán)境振動噪聲引起周邊環(huán)境振動污染問題不僅影響人們的生活質(zhì)量，同時還會造成建筑結(jié)構(gòu)的二次振動，影響精密儀器的使用[2]。因此，研究環(huán)境振動在紅層泥巖地基土中的空間傳遞規(guī)律與其隔振方法可以有效解決部分軌道交通周邊的振動和噪聲問題，為臨近類似建筑物的隔振設(shè)計提供一定參考。振動波主要以橫波、縱波和瑞利波3種方式進行傳播，其中R波能量最高，衰減緩慢，占主要地位[3?4]。目前，通過在隧道與建筑物之間布設(shè)隔振屏障，可以有效阻斷波的傳播路徑，進而起到隔振作用[5?6]。隔振屏障阻礙振動波的能量越多，則表明其隔振效果越好。國內(nèi)外學(xué)者在針對鐵路路基隔振措施方面做了大量研究。WOODS[7]首次提出空溝隔振概念，并通過模型試驗發(fā)現(xiàn)空溝對于頻率大于30 Hz的振動波阻礙效果較好；張雷剛等[8?9]通過數(shù)值分析方法研究了空溝寬度和深度對隔振效果的影響，并且通過模型試驗進一步對比分析了空溝、沙子填充屏障、碎石填充屏障及橡膠顆粒填充屏障的隔振效果；陳洪運[10]對比了連續(xù)型隔振屏障和非連續(xù)型隔振屏障的隔振效果，并探究了排距和排數(shù)對隔振效果的影響。ADAM等[11]研究了空溝和填充屏障的隔振效果，得出填充屏障可以減少80%的振動。KATTIS等[12?13]指出地下連續(xù)墻隔振效果優(yōu)于排樁，并且地下連續(xù)墻剛度越大隔振效果越好。畢全超等[14]分析了連續(xù)型隔振措施的隔振效果，并對比分析了不同隔震措施的效果。張立群等[15]通過模型試驗探究了空溝寬度和深度對高速鐵路路基本體振動加劇的影響。上述學(xué)者在研究隔振溝(空溝)、填充屏障以及地下連續(xù)墻等典型隔振措施的效果時，振源均放置在地表處，而地鐵運行時振源存在一定埋深。針對這一問題，為探究環(huán)境振動在紅層泥巖中的空間傳遞規(guī)律以及典型隔振措施效果的隔振效果，本文通過9組模型試驗，探究環(huán)境振動空間傳遞規(guī)律和定量評價典型隔振措施的隔振效果，為相似工程提供參考。

1 典型隔振措施模型試驗

1.1 模型相似關(guān)系設(shè)計

地鐵運行時，列車荷載對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的作用一般作為小應(yīng)變問題，且隧道與地基土的響應(yīng)也被認為是線彈性的[16]，因此建立模型時采用線彈性相似準則。根據(jù)相似理論[17]，本試驗以長度l，質(zhì)量密度ρ，加速度a作為控制量，結(jié)合模型箱具體尺寸和工點實際資料，最終確定模型長度比尺為1/30，密度比尺為1/1以及加速度比尺為1/1，并且基于量綱分析推導(dǎo)出試驗中所涉及的其他物理量，具體的試驗物理量的相似關(guān)系和相似比如表1所示。由于本試驗的最終目的是探究振動波的傳遞規(guī)律和不同隔振措施的隔振效果，為盡可能模擬現(xiàn)場實際工況，試驗過程中優(yōu)先滿足長度比尺和密度比尺。

表1 模型試驗物理量相似關(guān)系Table 1 Similarity ralationship of physical parameters

1.2 模型填筑及測點布置

本次試驗采用了尺寸如圖1所示的模型箱，填筑模型前先在模型箱底部和四周粘貼5 cm厚的泡沫板，減輕加載時的模型邊界效應(yīng)，提高模型試驗精度[18]。填筑所用材料為成都地鐵18號線施工現(xiàn)場取回來的紅層泥巖。為獲得理想的試驗結(jié)果，首先將取回來的紅層泥巖放入烘箱烘干水分，而后使用碎土機將其打碎備用。配土?xí)r，將烘干的紅層泥巖過5 mm的篩后，放進攪拌機中加一定量的水?dāng)嚢琛ＤＰ吞钪^程中采用分層夯實方法(每層5 cm)，通過控制密度控制每層填土的質(zhì)量，并分層夯實到預(yù)設(shè)位置。紅層泥巖地基土的物理力學(xué)參數(shù)為干密度1 750 kg/m3，彈性模量11.2 MPa，含水率10%，黏聚力617 kPa，內(nèi)摩擦角32.5°，其級配曲線如圖2所示。地鐵隧道模尺寸如圖3所示，所用配比為水泥19.3%，水10.4%，砂27.8%，石41.7%，早強劑0.8%，其物理力學(xué)參數(shù)為密度2 300 kg/m3，彈性模量30 GPa。

圖1 模型箱Fig.1 Model box

圖2 級配曲線Fig.2 Grading curve

圖3 隧道模型尺寸Fig.3 Size chart of tunnel model

本次模型試驗中使用的小型振動臺控制系統(tǒng)主要包括加載所需激振器、信號發(fā)生器、信號調(diào)節(jié)器、動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和壓電式加速度傳感器等。將激振器通過螺栓固定在預(yù)先打好孔的隧道模型底部中心位置，激振器根據(jù)信號調(diào)節(jié)器在隧道底部施加激振荷載，試驗過程中激振設(shè)備施加的力通過功率放大器控制，加載全程保證功率放大器數(shù)值一致，以保證施加不同的正弦荷載時輸出的力大小一致。試驗用加速度傳感器共12個。加速度傳感器分頂部、中部以及底部3層布置，分別記錄出模型空間各測點土體的振動響應(yīng)。1號～3號傳感器布設(shè)在隔振屏障與振源之間，用于采集隔振屏障前側(cè)土體豎直方向的加速度分布。4號～12號傳感器順次排列在隔振屏障后側(cè)，用于采集隔振屏障后側(cè)土體豎直方向的加速度分布。模型試驗儀器布置圖如圖4所示。

圖4 傳感器布置圖Fig.4 Layout drawing of sensors

1.3 工況設(shè)計與加載方案

本次試驗分別進行無隔振措施和設(shè)置空溝、沙子填充屏障、碎石填充屏障及地下連續(xù)墻等多種隔振屏障的模型試驗，其布置圖如圖5所示，具體工況參數(shù)如表2所示。根據(jù)實測數(shù)據(jù)顯示引起軌道交通附近地面振動的主頻約為60 Hz，且頻率越高，振動波在傳播過程中消耗越快[19]。由于本次試驗所用相似材料是現(xiàn)場取回來的土體，模型填筑后地基土的阻尼并未發(fā)生變化，與現(xiàn)場實際工況下的土體一致，基于此種考慮再結(jié)合設(shè)備性能，在試驗過程中選用20，30，40和50 Hz的中低頻正弦波進行激振。每個頻率激振3次，計算加速度幅值的平均值，將試驗結(jié)果取平均值作為最終加速度。試驗時，動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀的采樣頻率設(shè)置為500 Hz，采樣時長為15 s。

表2 各隔振屏障參數(shù)明細Table 2 Parameter list of the vibration isolation barriers

圖5 隔振屏障布置圖Fig.5 Layout of vibration isolation barrier

2 試驗結(jié)果分析

目前，土體振動評價采用振動加速度級VAL來表示，參照我國《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB10071—1988)和國標ISO2631中給出的進行計算，將加速度指標轉(zhuǎn)化成加速度級指標[20]。具體計算方法如下：

式中：a為振動加速度平均值，m/s2；a0為基準加速度，取a0=1×10-6m/s2。

國標ISO2631中指出，對于正弦波而言，a的有效值按式(2)計算

式中：A為正弦荷載的幅值，m/s2。

在對比分析不同隔振措施的隔振效果時，將不同隔振措施之間的試驗結(jié)果與無隔振措施的試驗結(jié)果進行對比，通過加速度幅值的衰減量，定量評價隔振效果。再通過橫向比較不同隔振措施之間的試驗結(jié)果，評價不同隔振措施的隔振效果。

2.1 無隔振措施試驗結(jié)果分析

在無隔振措施試驗時，測試振動波在紅層泥巖中的傳播與衰減規(guī)律。圖6給出了在20 Hz激振頻率作用下，4號傳感器加速度級的時程曲線。

圖6 振動加速度級時程曲線 (20 Hz)Fig.6 Vibration acceleration time-history curve (20 Hz)

無隔振措施模型的頂部、中部和底部的振動加速度級如圖7所示。根據(jù)試驗結(jié)果可得，在水平方向上，同種激振頻率下，隨著與振源水平距離的增加，振動波能量逐漸耗散，能量密度降低，土體振動加速度級逐漸減小。模型同一測點處，隨著激振頻率的增加，土體加速度級呈現(xiàn)降低趨勢，說明隧道產(chǎn)生的低頻振動是引起土體振動的主要原因。該結(jié)論與文獻[19]所得結(jié)論一致，驗證了模型試驗的正確性。

圖7 振動加速度級Fig.7 Vibration acceleration level diagram

定義模型距離振源水平空間距離相同的頂部與底部加速度級的差值為豎向加速度變化量。圖8表示在豎直方向上紅層泥巖地基土的振動加速度級變化量。由試驗結(jié)果可知，在豎直方向上，距振源水平空間距離相同時，模型頂部加速度略大于底部加速度，且隨著距振源水平空間距離的增加，加速度級變化量值逐漸減小。

圖8 振動加速度級變化量Fig.8 Vibration acceleration level variation

2.2 空溝隔振效果分析

將不同頻率正弦波加載下的空溝試驗結(jié)果和相同條件下的無隔振措施的試驗結(jié)果進行對比。根據(jù)試驗結(jié)果可知，激振頻率對模型各層振動加速度級影響基本相同，以工況2模型頂部測點為例，圖9(a)為不同激振頻率下對模型頂部振動加速度級的影響，隨著激振頻率的增加，同一測點的振動加速度級逐漸減小。圖9(b)為30 Hz加載頻率下模型各層加速度響應(yīng)，振動加速度級的傳遞與無隔振措施基本一致，模型底部最小，在向上傳遞過程中存在一定的放大作用。

圖9 振動加速度級Fig.9 Vibration acceleration level diagram

表3是不同工況、激振頻率下模型試驗各點加速度級與無隔振措施相比的衰減量。以工況2，30 Hz激振頻率下試驗結(jié)果為例進行定量分析，由試驗結(jié)果可知，空溝前側(cè)土體的振動加速度級較未設(shè)置隔振措施工況相比均呈現(xiàn)了不同程度的放大，其放大幅度在0.06～2.98 dB之間，且越靠近模型頂部，加速度級放大效果越明顯。分析認為，這是由于波在傳播過程中遇到空溝屏障時會在邊界處形成反射，反射的振動波會加劇空溝屏障前側(cè)土體的振動。而在空溝后側(cè)紅層泥巖地基土中各個測點的加速度級存在明顯的衰減，不同測點處加速度級衰減幅度在3.77～9.3 dB之間，且隨著激振頻率的增加，衰減量程增大趨勢。

表3 不同激振頻率下振動加速度級衰減量Table 3 Vibration acceleration level D-value under different excitation frequencies dB

通過對比工況2，工況6和工況7在同一激振頻率下的試驗結(jié)果可知，增大空溝的寬度與深度均可提升隔振效果，但深度對空溝的隔振效果提升更明顯。

2.3 地下連續(xù)墻屏障隔振效果分析

地下連續(xù)墻的材料質(zhì)量配比選取為水泥︰水︰砂︰石=2︰1︰2.7︰4。由于本試驗中墻體并非受力結(jié)構(gòu)，因此未進行配筋設(shè)置。試驗時將預(yù)先制好的地下連續(xù)墻模型表面刷油置于空溝中，減小放置過程中地下連續(xù)墻表面與土體之間的摩擦。試驗中激振頻率對模型各層加速度級的影響及同一激振頻率下模型各層加速度級變化趨勢與空溝試驗結(jié)果基本相同，地基土各測點加速度級衰減量如表4所示。以工況3，30Hz激振頻率下試驗結(jié)果為例，進行定量分析，地下連續(xù)墻前側(cè)模型土體的加速度級與無隔振措施相比放大0.19～3.89 dB，而后側(cè)模型振動加速度級衰減3.97～5.86 dB。

表4 不同激振頻率下振動加速度級衰減量Table 4 Vibration acceleration level D-value under different excitation frequencies dB

通過對比工況3，工況8和工況9在同一激振頻率下的試驗結(jié)果可知，增大地下連續(xù)墻的寬度與深度均可提升隔振效果，但深度對隔振效果提升更明顯。

2.4 填充溝隔振效果分析

為保證試驗結(jié)果的準確性，在填充沙子和碎石的過程中，要盡量降低屏障周圍土體和加速度計的擾動，沙子和碎石的物級配曲線如圖10所示。沙子、碎石填充屏障試驗紅層泥巖地基土各測點土體加速度級如圖11所示。以30 Hz的激振頻率下的試驗結(jié)果為例，由試驗結(jié)果分析可得，不同激振荷載作用下碎石填充屏障前側(cè)模型加速度級放大0.16～4.97 dB，而沙子填充屏障前側(cè)模型加速度級放大0.03～1.63 dB，與沙子填充屏障相比，碎石填充屏障對振動波的反射更為劇烈，分析認為這是由于碎石與紅層泥巖的介質(zhì)差異大于沙子與紅層泥巖，導(dǎo)致波在邊界處的反射更劇烈。碎石填充屏障后側(cè)模型振動加速度級衰減3.24～5.07 dB，沙子填充屏障后側(cè)模型振動加速度級衰減1.06～2.51 dB，結(jié)果表明碎石填充屏障的隔振效果優(yōu)于沙子填充屏障。

圖10 級配曲線Fig.10 Grading curves

圖11 振動加速度級Fig.11 Vibration acceleration level diagram

2.5 不同類型屏障隔振效果對比

為綜合對比空溝、沙子填充屏障、碎石填充屏障和地下連續(xù)墻的隔振效果，現(xiàn)將隔振屏障尺寸相同的工況在相同激振頻率下的試驗結(jié)果進行對比。以30 Hz的激振頻率為例，圖12表示30 Hz下不同工況紅層泥巖地基土體中各測點的頂部、中部和底部的加速度級。通過同一激振頻率、距離下各種隔振措施加速度級的橫向?qū)Ρ瓤芍?，空溝隔振效果最佳，加速度級衰減幅值可達6.48 dB。地下連續(xù)墻的隔振效果僅次于空溝，其加速度級衰減幅值為5.86 dB。碎石填充屏障的加速度級衰減幅值為5.07 dB。沙子填充屏障的隔振效果最差，加速度級衰減幅值在2.51 dB。隔振效果具體為，空溝＞地下連續(xù)墻＞碎石填充屏障＞沙子填充屏障。分析此種現(xiàn)象的原因：振動在傳播時遇到不同介質(zhì)時會產(chǎn)生波的反射和散射等，介質(zhì)之間越接近，波阻抗越小，振動波越容易穿透介質(zhì)分界面。由于空氣、沙子、碎石和混凝土材料與紅層泥巖的波阻抗不同，所以導(dǎo)致其隔振效果各不相同。

圖12 振動加速度級(30 Hz)Fig.12 Vibration acceleration level diagram (30 Hz)

另一方面，由試驗結(jié)果可得，空溝屏障前側(cè)模型的加速度級放大幅值可達2.98 dB，沙子填充屏障為1.63 dB，碎石填充屏障為4.97 dB，地下連續(xù)墻為3.41 dB。根據(jù)加速度級放大幅值結(jié)果可知，不同隔振屏障對振動波反射的劇烈程度為，碎石填充屏障＞地下連續(xù)墻＞空溝＞沙子填充屏障。分析造成此種現(xiàn)象的原因：首先隔振屏障內(nèi)填充的物質(zhì)和地基土存在差異性，在邊界處會形成波的反射，入射波和反射波會形成疊加效應(yīng)，增大地基土體振動。其次，振動波的頻率和入射方向與地基土和隔振屏障之間的固有頻率達成關(guān)系時會產(chǎn)生共振，增大地基土振動。故在設(shè)置隔振屏障時，需充分考慮其與振源以及建筑物之間的空間位置關(guān)系。

3 結(jié)論

1) 振動波在紅層泥巖地基土中傳播時，在水平方向上，同一激振頻率下，地基土的頂部、中部和底部的振動加速度級均隨著距振源水平空間距離的增加而減小。在豎直方向上，在距振源水平距離相同處，模型頂部加速度略大于底部加速度，且隨距振源水平距離的增加，振動加速度級變化量值逐漸減小。同一測點處，激振頻率的越高，土體的振動加速度級越低。

2) 增大隔振屏障的寬度和深度均可提升隔振效果，但深度對隔振效果提升更顯著。

3) 幾種典型連續(xù)型隔振屏障的隔振效果，依次為空溝(最好)，地下連續(xù)墻，碎石填充屏障，沙子填充屏障(最差)。不同隔振措施對振動波反射的劇烈程度依次為碎石填充屏障(最大)，地下連續(xù)墻，空溝，沙子填充溝(最小)。