二維均質彈性地基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。分析了Duxseal參數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場實測。計算結果表明，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。

關鍵詞： 主動隔振; 地基; Duxseal; 地表位移振幅; 振幅衰減系數

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生強烈振動，振動波經由土體介質向周邊地層表面及基礎傳播，將不可避免地危及人類正常生產生活，尤其是鄰近建筑物的結構安全，精密儀器設備的生產和使用。因此，研究軟土地基中人工振動的隔振具有重要的工程應用價值。

現有的隔振方法根據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值模擬，通過參數對比，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，利用圓柱坐標系統和Graff加法轉換定理，分析單排實心樁對全空間均質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立屏障，減小振動能量輸出，從根源解決振動問題。

目前，國內外眾多學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。Ahmad等[5]在現場試驗基礎上，提出空溝和填充溝的隔振設計原則。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等傳統隔振方法表現出良好的隔振效果，但綜合施工方法、經濟效益等指標，難以達到最佳效益。如何有效減小人工振動環(huán)境污染，是目前國內外眾多學者關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壁使用Duxseal作為邊界材料吸收振動反射能，發(fā)現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內壁的大型土工離心機模型容器和箱內振動臺系統進行地震模擬，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場測振，驗證Duxseal材料在自由場中的隔振性能。