二維均質(zhì)彈性地基Duxseal材料主動隔振研究

田抒平 高盟 王瀅

摘要： 交通、機器運行、爆炸、打樁及其他人類活動會產(chǎn)生地面振動，不可避免地引起環(huán)境振動污染。提出一種具有優(yōu)異阻尼性能的新型隔振減振材料—Duxseal——用于主動隔振以減少環(huán)境振動污染。基于二維半解析邊界元法，編制計算程序，計算半空間均質(zhì)彈性地基中Duxseal不同寬度、厚度及頂面距地表深度時地表水平位移振幅、豎向位移振幅和振幅衰減系數(shù)。分析了Duxseal參數(shù)變化對地表位移振幅的影響，并與WIB主動隔振進行了對比分析。此外，為驗證Duxseal在自由場中的隔振性能，在某高速鐵路試驗段進行了一系列現(xiàn)場實測。計算結(jié)果表明，在豎向激振作用下，采用Duxseal材料作為主動隔振屏障能夠有效地降低地表位移振幅;與WIB主動隔振不同，Duxseal材料只有在合理的寬度、厚度和較大的埋深條件下，才能達到理想的隔振效果;在一定范圍內(nèi)增加Duxseal材料的寬度、厚度或埋深，均可有效提高Duxseal材料的隔振效果。

關(guān)鍵詞： 主動隔振; 地基; Duxseal; 地表位移振幅; 振幅衰減系數(shù)

中圖分類號： TB535+.1; TU435 ?文獻標志碼： A ?文章編號： 1004-4523（2019）04-0701-11

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

引 言

中國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，如長三角、珠三角及渤海灣地區(qū)等，多為軟土地基。交通荷載、機器運行以及工程施工等人類活動作用在軟土地基上常常產(chǎn)生強烈振動，振動波經(jīng)由土體介質(zhì)向周邊地層表面及基礎(chǔ)傳播，將不可避免地危及人類正常生產(chǎn)生活，尤其是鄰近建筑物的結(jié)構(gòu)安全，精密儀器設(shè)備的生產(chǎn)和使用。因此，研究軟土地基中人工振動的隔振具有重要的工程應(yīng)用價值。

現(xiàn)有的隔振方法根據(jù)激振源的不同主要分為被動隔振和主動隔振兩類。被動屏障隔振通常設(shè)立在重要建筑或精密儀器等周圍，通過減小振動能量輸入達到隔振減振效果。Kattis等[1]基于三維頻域邊界元數(shù)值模擬，通過參數(shù)對比，研究彈性土體中單排圓形和方形樁被動隔振效果。Cai等[2]由彈性土體推廣到飽和土體，利用圓柱坐標系統(tǒng)和Graff加法轉(zhuǎn)換定理，分析單排實心樁對全空間均質(zhì)飽和土體中傾斜入射彈性波的隔離效果。高廣運等[3]基于層狀半空間薄層法位移基本解答，建立半解析動力邊界元法，研究二維黏彈性層狀半空間空溝遠場被動隔振。被動屏障的隔振對象單一，隔振范圍較小。相比之下，主動隔振通常圍繞振源設(shè)立屏障，減小振動能量輸出，從根源解決振動問題。

目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對多種主動隔振方法，其中包括填充溝、空溝和波阻板等進行了大量研究。Woods[4]首先進行一系列現(xiàn)場全尺寸試驗，研究填充溝的隔振效果，并給出衡量屏障隔振效果的參數(shù)。Ahmad等[5]在現(xiàn)場試驗基礎(chǔ)上，提出空溝和填充溝的隔振設(shè)計原則。曹志剛等[6]針對高速列車引起的地基振動，建立飽和土地基上隔振溝解析分析模型，對比分析了飽和地基與彈性地基中隔振溝隔振效果的差異。Chouw等[7]和Schmid等[8]提出在地基中人工設(shè)置一個有限尺寸的硬夾層，來模擬人工基巖進行隔振，并稱其為波阻板 （WIB）。基于此，高廣運等[9-11]利用半解析邊界元法，對彈性地基及飽和地基中WIB主動隔振進行詳細參數(shù)研究。此外，基于功能梯度材料，Ma等[12]研究了移動荷載作用下，飽和多孔梯度波阻板的減振效果。

上述文獻中樁、隔振溝、WIB等傳統(tǒng)隔振方法表現(xiàn)出良好的隔振效果，但綜合施工方法、經(jīng)濟效益等指標，難以達到最佳效益。如何有效減小人工振動環(huán)境污染，是目前國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注的重要研究課題之一。1985年，Coe等[13]引入“吸收邊界”的概念，首次在動力離心模型箱內(nèi)壁使用Duxseal作為邊界材料吸收振動反射能，發(fā)現(xiàn)Duxseal具有優(yōu)異的阻尼性能。2011年，Pak等[14]在土體自由場震動的背景下，通過具有Duxseal內(nèi)壁的大型土工離心機模型容器和箱內(nèi)振動臺系統(tǒng)進行地震模擬，證明Duxseal具有吸收振動能量的特性。

基于Duxseal優(yōu)異的阻尼性能，可將其用于主動隔振。采用二維半解析頻域邊界元法，編制數(shù)值計算程序，研究豎向簡諧激振作用下Duxseal的主動隔振效果以及半空間均質(zhì)彈性軟土地基中Duxseal寬度、厚度及頂面距地表深度對地表位移振幅的影響，對比分析Duxseal與WIB隔振材料的隔振減振效果。此外，分別對有無埋置Duxseal隔振材料的高速鐵路試驗段進行現(xiàn)場測振，驗證Duxseal材料在自由場中的隔振性能。