激振頻率對矩形溝槽隔振效果的影響研究

劉晶磊 李 凱 張國朋

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災實驗室，河北 張家口 075000；2.河北省寒冷地區交通基礎設施工程技術創新中心，河北 張家口 075000；3.河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

進入二十一世紀以來，全球經濟持續繁榮，火車、輕軌和高鐵等軌道交通建設隨之興起，由軌道交通引發的振動對周圍環境產生了一系列不良影響，如影響周圍居民的睡眠質量、使周邊房屋產生裂縫、精密儀器失靈等，現如今，軌道交通引起的振動污染已經成為世界七大公害之一，振動問題已經引起人們的廣泛關注[1-3].

近年來，國內外學者不約而同對振動隔離問題展開了一系列研究，Andersen[4]等通過數值分析以及構建有限元模型，分析不同隔振屏障對減弱軌道交通引起周邊振動等影響，分析表明：相比填充溝或使軌道交通路線下的土壤剛化，設置空溝取得的隔振效果更好，并且其隔振效果與振動荷載作用方向有關；Beskos[5]研究了在平面應變條件下通過空溝或填充溝槽進行的地面傳遞振動結構隔離問題；Alzawi A[6]進行了全面的現場測試研究溝槽的幾何形狀和振動源對振動隔離效率的影響，結果表明：實現溝槽隔振系統的有效性需要更大的深度；HUNGHsiao-Hui和YANG Yeong-Bin[7]通過研究發現通過隔振溝、連續墻可以達到減振效果,提出了溝深與瑞利波波長和頻率有關.劉晶磊[8]通過室外試驗分析了矩形溝槽的深度、長度以及振源距離與瑞利波波長之間的關系對隔振效果的影響；徐平[9]通過現場試驗與數值模擬研究了空溝對沖擊荷載的隔離效果；陳昆[10]通過有限元分析了不同空溝尺寸、不同荷載頻率對隔振效果的影響，結果表明空溝的寬度對隔振效果影響不大，空溝對高頻振動波具有較好的隔離作用.

上述研究成果中，主要通過數值模擬以及現場試驗分析一維條件下矩形溝槽隔離問題，較少將矩形溝槽的振動隔離問題進行二維平面分析，本文通過現場試驗測試矩形溝槽附近區域的加速度幅值，以振幅降低比為隔振效果的評價指標，分析二維平面下矩形溝槽的隔振效果，為隔振設計提供依據.

1 試驗方法及場地

1.1 測試方法

試驗采用的設備為WS-Z30型振動臺控制系統，如圖1所示，主要設備包括控制系統、激振器、加速度傳感器以及電腦等.在測試過程中，利用電腦中振動臺控制系統自帶的控制程序設置相關參數控制信號的輸出，本試驗設置為正弦波信號，電腦輸出的信號經振動臺控制系統轉換后傳遞至激振器，激振器通過不同頻率的振動產生振動波，然后由位于指定位置的加速度傳感器接收振動波的豎向加速度并反饋給振動臺控制系統，最后由電腦接收.

圖1 試驗設備及測試流程

1.2 試驗場地及測試布局

試驗場地位于郊區，經檢測場地的土體含有少量砂石等雜質，為消除土體中雜質對試驗結果的影響，本試驗采用換填的方式，開挖一個深2 m邊長為4 m×4 m的長方體土坑，另篩選相同體積且粒徑小于5 mm的均質河砂回填于土坑內，在回填過程中每回填5 cm厚的砂子進行人工夯實，根據《GB 50123-2019-T土工試驗方法標準》[11]，回填砂土的含水率和密度分別采用烘干法和蠟封法測定，經測定回填后的砂土的含水率在9%～10%之間，密度在1800～1900 kg/m3之間.

圖2 試驗場地圖3 測試布局

圖2為設置矩形溝槽時的試驗場地布置圖，試驗中應用的6個加速度傳感器進行流動測試，直至數據采取區域數據采集點全部測試完成.為了研究矩形溝槽附近區域的振動隔離情況，試驗設置的數據采集點如圖3所示，由于矩形溝槽是對稱分布所以數據采集區域是振動隔離區域的一半，整個數據采集區域為一個半徑為3000 mm的扇形區域，共設置10條基準線，每條基準線之間的間隔為5°，為詳細測試矩形溝槽附近振動強度變化情況，故在溝槽附近布置的采集點較密集，數據采集點的前后間隔分別為100 mm、200 mm和300 mm.

2 評價指標

采用振幅降低比Ar[12]作為評價指標來評價矩形溝槽的隔振效果，如式(1)所示，Ar表示設置矩形溝槽時測試點加速度幅值a1與未設置矩形溝槽時測試點的加速度幅值a0的比值，Ar值越小表示隔振效果越好.

Ar=a1/a0

(1)

3 試驗結果與分析

為探究矩形溝槽在不同頻率條件下對隔振效果的影響，試驗設置的振源距離為1040 mm，矩形溝槽的深度為600 mm、寬度為150 mm以及長度為1200 mm，測試數據采集區域內控制點的加速度，由式(1)繪制振幅降低比Ar值的二維等值線圖.已有研究表明，在隧道內地鐵列車運行時由車輪和軌道引起的振動速度級峰值一般出現在40～80 Hz[13]，基于此本試驗選取激振頻率為20 Hz(低頻)、40 Hz(中頻)、80 Hz(高頻)進行分析.

圖4 振幅降低比Ar值等值線圖

繪制不同頻率條件下矩形溝槽的振幅降低比Ar值等值線圖如圖4所示，由圖4可以看出，通過設置矩形溝槽屏障，矩形溝槽前后區域產生了不同的效果，在溝前區域附近的Ar值均大于1，這表明振動波在砂土地基中傳播過程中遇到溝槽屏障時會發生波的反射現象從而增強溝前區域的振動，由低頻、中頻和高頻三種不同情況下的等值線圖可以看出，在溝前區域距離矩形溝槽越近其振動強度越大，以頻率40 Hz為例進行分析，在溝前及溝側區域，隨著離矩形溝槽距離的減小，其振動強度由Ar值小于1.2逐漸增大至1.3以上，造成這種現象的原因是矩形溝槽對振動波產生了反射效果，反射波在傳播過程中伴隨著能量的消耗.在溝后區域Ar值均小于0.6，這表明通過設置矩形溝槽屏障可以有效降低振動波在溝后的振動強度，產生這種現象的原因是振動波在傳播過程中遇到矩形溝槽屏障一部分被溝槽反射回去增強溝前的振動強度，較少部分通過波的繞射和透射傳播到溝后區域，從而降低了溝后的振動強度，對比低頻、中頻和高頻三種不同情況下的等值線圖，Ar值小于0.4區域的面積逐漸擴大，這表明，在一定條件下增大激振頻率可以降低矩形溝槽后部區域的振動強度.

圖5 Ar值隨離振源距離變化曲線圖

為探究在設置矩形溝槽情況下，振動波隨著傳播距離的增加的變化情況，沿0°刻度線方向做等值線圖的剖線，如圖5所示；由圖5可以看出，在溝后區域，隨著傳播距離的增加，Ar值呈階梯狀遞增的趨勢，這表明矩形溝槽對于近距離區域的隔振效果要優于較遠距離區域；隨著激振頻率的增加，Ar值越來越小，矩形溝槽的隔振效果越來越好，這表明矩形溝槽在較高頻率條件下的隔振效果更加顯著.

4 結 論

本文通過室外現場試驗，以振幅降低比為評價指標，繪制不同頻率條件下矩形溝槽隔振效果的等值線圖，通過分析可以得出以下結論；

(1)振動波在砂土地基中傳播過程中遇到矩形溝槽屏障時會增強溝前區域的振動，通過設置矩形溝槽屏障可以有效降低振動波在溝后的振動強度.

(2)相比于低頻振動，矩形溝槽對于高頻振動具有更好的隔振效果.

(3)在溝后區域，矩形溝槽對與近距離區域的隔振效果顯著，隨著傳播距離的增加隔振效果越來越差.