饱和地基上列车运行引起的地面振动隔振分析

利用推导出的频域内饱和土的以土骨架位移u和孔隙水压力p表示的u-p格式的2.5维有限元方程,分析列车低速和高速运行条件下不同隔振措施的隔振效果,包括空沟、填充沟（混凝土墙）和混凝土板（波阻板）。其中轨道被简化为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题,对求解的结果进行Fourier反变换,获得三维时域-空间域内的解。研究表明：弹性地基和饱和地基上设置空沟和填充沟隔振效果相差不大,而设置波阻板隔振效果存在较大差异。列车低速运行时,空沟基本无隔振效果,填充沟在一定范围内有隔振效果,波阻板隔振效果最好;列车高速运行时,空沟在较大沟宽和较深沟深条件下才能达到较好隔振效果,填充沟和波阻板只需较小尺寸就能达到理想的隔振效果     

基于2.5维有限元饱和土地基中空沟隔振性能研究

基于Biot饱和多孔介质U-W格式动力控制方程,采用Galerkin法和Fourier变换,推导了饱和土体2.5维有限元方程及黏弹性人工边界,建立了饱和土地基中空沟分析模型,并在波数域中进行求解,通过快速Fourier变换（FFT）进行波数展开,获得三维空间域中结果。算例分析了移动荷载作用下均质饱和土地基、分层饱和土地基、上覆单相弹性层饱和土地基3种饱和土地基模型中空沟的隔振效果。结果表明：饱和土地基中空沟的隔振效果不仅与空沟自身深度有关,还与地基中成层土体的分界面以及土体参数有关,波在不同土体分界面上的透射和反射会影响空沟的隔振效果;饱和土地基中上覆单相弹性层厚度对空沟的隔振效果影响显著,随着上覆单相弹性层厚度的增加,饱和土地基中空沟的隔振效果变好。     

空沟对冲击荷载隔离的现场试验与数值模拟

在场地开挖了一条空沟,以落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer,简写为FWD）的荷载模拟冲击荷载,通过FWD自带的传感器测得空沟后一定范围内的竖向位移。通过室内试验,获取试验场地的岩土参数,采用非线性动力有限元软件ABAQUS建立二维模型（将远处单元定义为无限单元来模拟吸收边界,从而避免振动波的来回反射）。以空沟中心线的现场测试数据为依据,校核有限元模型。通过分析不同工况模拟的竖向位移,研究得出空沟-荷载间距、沟深、沟宽等对隔振效果的影响。结果表明,(1) 空沟-荷载间距越小,隔振效果越好,但实际隔振工程中,为避免振动对空沟侧壁的稳定性的影响,空沟与振源不宜太近,因此可以不计空沟-荷载间距对隔振效果的影响;(2) 就提高隔振效果而言,增大沟深比增大沟宽更有效,而相同的隔振效果,窄-深沟的挖方量远小于宽-浅沟;(3) 在对冲击荷载进行隔振设计时,对于一般的民用和工业建筑,综合隔振效果、开挖和支护费用等因素,采用宽度为0.5～1.0 m,深度为2.0～2.5 m的空沟较为合理,与某工程实例进行比对,验证结论的合理性。     

饱和土中周期排列管桩对平面SV波隔振的解析求解

基于Biot流体饱和多孔介质理论,采用波函数展开法并结合Graf加法定理,解析求解了饱和土中周期排列管桩对平面SV波的隔振问题。该方法利用饱和土中不同周期单元的散射波场在频域内仅相位不同的特性,将饱和土中无限周期排列管桩对SV波的散射问题转换为仅针对一个周期单元的求解,因而在精确求解的同时显著降低了计算量,并在一定程度上弥补了现有方法在管桩数较多时难以求解的局限。在验证方法正确性的基础上,重点讨论了桩体个数、饱和土参数、管壁厚度、桩排数和排列方式等因素对隔振能力的影响。研究结果表明:周期排列管桩在饱和土中的隔振能力整体上优于弹性土,且在渗透性越差的饱和土中隔振能力越强;管桩的管壁厚度不宜过薄,内外径之比取为0.6左右,周期排列管桩在大多数频率下隔振能力稳定;增加桩排数能够显著提高隔振能力,在无量纲频率为0～0.6的较低频段,隔振能力提高幅度为20%左右,在无量纲频率为0.6～3.0的中高频段,隔振能力提高幅度可达60%,采用三排管桩屏障可屏蔽饱和土中大多数频率下的入射SV波;管桩矩形排列的隔振效果在无量纲频率为0～1.0的较低频段优于梅花形排列,其他频段两种排列方式均具有良好的屏蔽SV波效果。     

水位变化对多空沟屏障远场隔振效果的影响研究

受季节性降雨的影响,雨季和旱季存在明显的水位波动。为分析地下水位升降对多空沟隔振效果的影响,建立了上覆单相弹性层饱和地基中空沟有限元分析模型。模型中考虑了沟中水的作用,算例分析了等沟深和不等沟深多沟屏障、沟壁倾斜多沟屏障和连续起伏地形屏障在不同水位下的远场隔振效果。计算结果与相应单相弹性地基进行对比,结果表明：土体渗透性低时,多数水位下不利于多沟屏障隔振;沟深为0.3LR（LR为R波波长）的三沟屏障通常可获得较理想的隔振效果（75%隔振率）,但屏障在隔振效果最差的共振水位(0.6LR)下,空沟须贯穿上覆干土层才可获得75%隔振率;递减沟深屏障可有效降低上覆土层共振的不利影响;沟深较浅时,沟壁倾角越大,多沟的隔振效果越好,但对较深多沟的影响小;连续起伏的地形景观可作为一种有效的绿色隔振屏障。     

空沟对列车运行引起的地基振动隔振效果研究

为研究空沟对高速列车引起地基振动的隔振效果,在已有研究基础上改进出一种新的解析研究模型。模型中首次运用了饱和半空间模型来研究地基上隔振沟对高速列车的隔振效果;隔振沟则通过在饱和半空间土体上设置3个合适宽度、截面为矩形的弹性层来模拟;中间矩形弹性层为路堤,路堤上方放置了枕木与轨道。枕木与轨道分别通过纵向异性Kirchhoff薄板与Euler梁来模拟,饱和土地基采用Biot多孔饱和介质理论来描述。控制方程通过傅立叶变换与傅立叶级数展开,在变换域中进行求解。研究表明,随着列车运行速度的提高,空沟的隔振效果明显提高;饱和土体固-液相的耦合作用对隔振沟的隔振效果的影响明显,尤其当列车运行速度超过土体表面Rayleigh波速时,随着土体渗透系数的增加,空沟隔振效果显著降低。此外,列车运行速度超过土体表面波速时,饱和土地基上空沟的隔振效果明显优于相应单相弹性地基上空沟的隔振效果。     

层状地基中空沟对交通荷载的竖向隔振分析

空沟是一种常用的连续隔振屏障,可以有效地降低人工振动。以位移为变量的二维格子法在波动问题计算中具有良好的适应性、高效性,兼备有限元与差分法的一些优点,应用该法针对层状地基中作用于路堤上的交通荷载引起振动的空沟竖向隔振问题进行了参数研究,分别考虑了上软下硬地基和上硬下软地基两种情况。研究结果表明：空沟宽度对隔振效果的影响较小;空沟深度与空沟的位置是影响隔振效果的关键因素,它们相互关联,其取值应综合考虑;在上述两类层状地基中,若空沟深度与上层土的厚度接近或相等均对竖向隔振不利;路堤高度越大对竖向隔振效果越不利。     

饱和土体中空沟对移动荷载被动隔振的 2.5D边界元法分析

根据饱和土Biot理论及移动荷载特性,采用积分变换方法,推导了半无限饱和土体频域-波数内的边界积分方程,讨论了2.5D边界积分方程中Cauchy的奇异性,并分析了空沟对移动荷载引起饱和土体振动的被动隔振效果。通过与已知文献结果比较,验证了算法的正确性。数值结果表明,采用2.5D BEM不仅可以解决具有复杂表面的移动荷载作用下动力响应问题,而且可极大减小计算工作量。对于饱和土体受高速移动荷载作用,空沟更能有效减小土体孔压、竖向位移的振幅;当荷载速度较小时,空沟对土体表面的水平向位移几乎不起衰减作用,甚至有放大效应。另外,随空沟距振源的距离增大,空沟能够更好阻隔土体表面波传播。     

二维地基中空沟−波阻板联合隔振屏障分析

针对地基隔振控制,提出了一类新型的空沟?波阻板联合隔振屏障,并对其隔振性能进行了数值分析。首先,利用复伸展坐标变换,在频域内建立了完全匹配层（perfect matched layer, PML）吸收边界的控制方程;其次,利用Galerkin近似技术,给出了以位移为基本未知量的二阶非分裂格式PML的频域有限元计算列式;最后,通过数值算例分析了空沟?波阻板联合隔振屏障的物性参数（地基与波阻板的模量比）、几何参数（空沟深度、波阻板深度）以及载荷参数（振动波频率）等对其隔振性能的影响规律。结果表明,空沟?波阻板联合隔振屏障结合了空沟和波阻板各自的优势,可以有效地控制不同频率振源引起的地基振动。     

周期分布桩体对平面SH波隔振效应的解析求解

将排桩对平面SH波的隔振简化为弹性波散射的二维平面问题,基于全空间中无限周期结构的周期特性,给出了一种求解无限周期分布桩体对平面SH波隔振效应的解析方法。该方法采用波函数展开法并结合Graf加法定理,利用全空间中相邻周期单元的散射波场在频域内相差一个相位的特性,仅选取一个周期单元,将入射波场和所有散射波场的贡献叠加后,根据边界条件求解待定系数,从而求得整个散射波场。该解析解能够精确求解无限周期分布桩体的散射问题,分析周期分布桩体数量较多时的隔振规律,弥补了以往理论分析中桩体个数较多时难以求解的不足。重点讨论了桩体个数、桩体刚度、桩体间距和桩体类型等因素对隔振效果的影响,结果表明：（1）该方法显著降低了求解大量桩体问题时的存储量和计算量,有限周期模型计算结果随桩体个数增多收敛于无限周期模型,反映了该方法的正确性;（2）整体上桩体刚度增大有利于提高隔振效果,但桩体刚度对隔振效果的提升有限,桩体剪切波速为土体5倍时已具有足够的隔振效果;（3）桩间距对隔振效果有着直接影响,间距越小则低频禁带宽度越大;（4）桩体类型对隔振效果有着显著影响,实心桩有着良好的隔振效果,而具有柔性内填充的管桩在低频段有着更佳的隔振效果。     

饱和土半解析边界元法及在双排桩被动隔振中的应用

针对均质饱和地基中双排桩远场被动隔振问题,首先,基于饱和多孔介质的边界元法,建立了以薄层法（TLM）基本解作为动力Green函数的饱和土半解析边界元法,该方法可有效地分析饱和半空间的土-结构动力相互作用问题。在此基础上,根据双排桩与周围土体的邻接条件,推导了双排桩对Rayleigh波散射的三维边界元方程;运用上述边界元方程,对双排桩的远场被动隔振问题进行了研究。结果表明：双排桩能够有效地降低屏障后的位移振幅,其隔振效果要优于单排桩;排间净距对隔振效果影响不大,而桩间净距则对双排桩隔振效果起控制作用。     

水平-摇摆耦合振动波阻板主动隔振三维分析

为研究三维地基中波阻板（简称WIB）的隔振效果,建立了以薄层法基本解答作为格林函数的半解析边界单元法。对水平-摇摆耦合激振作用下WIB隔振系统的主动隔振进行了计算,详细分析了WIB参数对隔振效果的影响。研究表明,WIB可以有效地隔振;增加WIB的厚度、提高WIB的弹性模量、减小WIB 的埋深可以有效提高隔振效果,而增加WIB的直径可以显著降低WIB范围内地表位移振幅,但对WIB范围外的地表位移影响较为复杂。     

Duxseal隔振性能数值分析与现场试验研究

将一种称为Duxseal的工业填料用于自由场主动隔振,发展了一种带孔波阻板（WIB）填充Duxseal的隔振方法,即Duxseal-WIB隔振系统。采用薄层法基本解答作为格林函数的三维半解析边界元法,分析了Duxseal的隔振效果及性能,并对提出的Duxseal-WIB隔振系统进行了现场试验。结果表明,采用Duxseal作为主动隔振屏障可以有效起到振动隔振作用,对距离振源较远处地表位移的隔振效果优于距离振源较近处;土质参数的变化对Duxseal的隔振效果具有显著的影响;在一定范围内增加Duxseal直径、厚度或埋深均可有效提高其隔振效果,其中Duxseal顶面距地表埋深的影响尤为显著;此外,与传统WIB对比,Duxseal-WIB隔振效果较高且相对平稳,在列车运行250 km/h条件下,距离振源中心12 m处测振点X、Y、Z向的地表隔振可分别达到40%、39%和51%。