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。     

强夯振动测试及隔振沟减振效果实例分析

通过对地基强夯施工中振动实测资料的分析,研究强夯振动对周围建筑物的影响,并用振动速度在不同位置的变化对隔振沟的隔振效果进行了分析和评价。     

灌注桩套管振动贯入引起的地面振动及隔振研究

随着全套管振动取土灌注桩施工工艺的发展,灌注桩在工程中的应用越来越广泛,但关于灌注桩套管振动贯入机制,特别是套管贯入引起的地面振动研究还不全面。在全面介绍了套管振动贯入全过程的有限元-无限元耦合模型的建立过程后,对套管振动贯入引起的地面振动规律及施工安全距离进行了详细研究。采用正交试验与数值模拟相结合的正交有限元法评价了各因素对施工安全距离的影响程度。研究结果表明:套管贯入过程中,地面振动主要沿水平向;在套管贯入初期,地面不会产生水平向峰值速度,当套管贯入到振动临界深度时,地面产生水平向峰值速度;地面水平向峰值速度随径向距离增大呈指数型衰减;施工安全距离随动力荷载幅值、接触面摩擦系数增大而增大,随振动频率、土体模量增大而减小。研究了隔振沟的填充材料、深度和宽度对隔振效果的影响,结果表明,无填充料的隔振沟隔振效果最好;隔振沟的宽度对隔振效果影响不大,其深度对隔振效果影响显著。     

饱和土体中排桩对移动荷载的被动隔振效果分析

利用Muki和Sternberg的虚拟桩法,研究了饱和土体地基中排桩对移动荷载引起振动的被动隔振效果。隔振桩作为一维杆,饱和土体满足Biot理论。利用已有的移动荷载作用下的饱和土体的自由波场解及饱和土体内部受竖向圆形分布荷载作用下的基本解,建立了频域内土-桩的第2类Fredholm积分方程。通过Fourier逆变换得到时间域内评价隔振效果的振幅比。与已知文献结果相比较,验证了方法的正确性。数值结果表明,荷载速度对排桩的隔振效果有一定影响,即在相同隔振系统情况下,单排桩对低速荷载引起振动的隔振效果比高速移动荷载效果好。同时,较高速时的最佳桩长比低速时要短。     

郑西高铁地面振动实测分析及隔振沟效果研究

高铁列车动载会引起环境振动问题。为研究高速列车运行在高架段和路堤段引起的环境振动差异,文章对郑西线高速铁路展开现场测试,对比分析高架段和路堤段地面振动特征及其衰减规律。测试结果表明,路基段的振动响应大于高架段,高架段近场区衰减作用高于路堤段近场区域。振动传播过程中存在多次反弹增大现象,路堤段地面振动反弹增大位置滞后于高架段。高架段和路堤段的二次反弹增大率均明显大于一次反弹增大率。Z振级随距离的衰减符合对数衰减规律,拟合得到黄土地区Z振级衰减公式,最大偏差均出现在反弹增大区。引入无限元-黏弹性耦合边界条件,建立路堤段三维轨道-土体-隔振沟数值模型分析高速铁路隔振沟对减隔振的影响。研究发现空沟对中高频（30～60 Hz）振动波的隔振效果较低频（1～20 Hz）振动波明显,其具有低通滤波作用。空沟比填充沟隔振效果好,但是考虑到沟壁的稳定性,可在空沟中填入软质材料。研究成果可为高速铁路的设计及其环境振动的评价和控制提供参考。     

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。     

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。     

陶粒、砂填充连续与非连续屏障隔振效果的全尺试验与数值研究

采用全尺试验方法,研究不同材料（陶粒、砂）填充不同类型屏障（连续型、非连续型）的隔振效果。同时,为弥补试验研究的不足,辅以数值研究。为此,在试验研究开展之前,在原场地上进行了面波多通道分析（multi channel analysis of surface waves,简称MASW）试验,以便获得场地的动力学特性,作为数值研究的基础。随后,开展试验工作以便获得场地固定点的传递函数与衰减分贝;并使用数值方法,编制程序计算加速度分量的空间分布场。综合以上两种方法后发现,隔振材料影响在低频处,两者差异不甚明显;在中频处,两者差异开始显现。陶粒的隔振表现接近空沟;在高频处,因土体的阻尼作用明显,材料影响难以表现。综上所述,陶粒的隔振效果远优于砂,整体表现接近空沟。屏障类型影响：当频率为30 Hz时,屏障的作用甚微,分量的空间分布形态以振源为圆心,呈环形分布;频率为50 Hz时,环形分布被屏障打破,其形态由环形变为椭圆形,而短边则指向波阵面方向,令一定强度的分量拒止于屏障的后区域;频率为80 Hz时,土体阻尼作用明显,以致两者差异不甚明显。综上,连续型屏障的隔振效果远优于非连续屏障。材料与屏障类...     

Duxseal隔振性能数值分析与现场试验研究

将Duxseal工业填料用于自由场主动隔振,发展了一种带孔波阻板填充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效果,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和Z向的地表隔振可分别达到40%,39%和51%。     

强夯加固机理及其环境影响的数值分析

采用大变形几何非线性有限元法分析强夯加固机理及其振动对环境影响。在强夯计算模型中,引入P波阻尼和S波阻尼的概念来说明土体的材料阻尼特性,同时运用改进人工边界法来模拟波在人工边界上的传播。采用速度和加速度作为强夯振动对环境影响的评价标准,得出强夯的最小安全距离。隔振沟是一种有效的隔振方法,分析了隔振沟隔振效果的各种影响因素,对实际工程具有一定的参考价值。     

填充沟屏障远场被动隔振三维分析

把填充沟看作存在于弹性半空间的异质体,运用瑞利波散射的积分方程,对填充沟连续屏障远场被动隔振进行了三维分析,详细讨论了影响隔振效果的几个主要参数。研究表明,刚性材料比柔性材料具有更好的隔振效果,在隔振设计时应选择刚性屏障材料;填充沟的深度在一倍瑞利波波长内对隔振效果有较大影响,并且与宽度一起决定其隔振效果,但当屏障深度超过一倍瑞利波波长后,屏障深度对隔振效果的影响很小。     

Two-dimensional numerical approach for the vibration isolation analysis of thin walled wave barriers in poroelastic soils

This paper is concerned with the vibration isolation efficiency analysis of total or partially buried thin walled wave barriers in poroelastic soils. A two-dimensional time harmonic model that treats soils and structures in a direct way by combining appropriately the conventional Boundary Element Method (BEM), the Dual BEM (DBEM) and the Finite Element Method (FEM) is developed to this aim. The wave barriers are impinged by Rayleigh waves obtained from Biot’s poroelasticity equations assuming a permeable free-surface. The suitability of the proposed model is justified by comparison with available previous results. The vibration isolation efficiency of three kinds of wave barriers (open trench, simple wall, open trench-wall) in poroelastic soils is studied by varying their geometry, the soil properties and the frequency. It is found that the efficiency of these wave barriers behaves similarly to these in elastic soils, except for high porosities and small dissipation coefficients. The efficiency of open trench-wall barriers can be evaluated neglecting their walls if they are typical sheet piles. This does not happen with walls of bigger cross-sections, leading in general to efficiency losses. Likewise, increasing the burial depth to trench depth ratio has a negative impact on the efficiency.     

二维饱和地基中空沟主动隔振分析

根据饱和土Biot理论,在频域内提出了一种适用于弹性波波动问题的有限元-无限元解法,其中有限单元用于近场介质的模拟,而形函数基于一维解析解答的无限单元则被用于人工边界,它可反映波传递到无限远处的特性;应用该法计算算例,以证明其有效性与正确性。在此基础上,对饱和地基中空沟主动隔振效果进行了详细的数值分析,结果表明,空沟深度是影响隔振效果的主要因素,一般沟深越大,隔振效果越好;当沟深一定时,空沟到振源的距离不宜超过1.5倍饱和土剪切波长;空沟的宽度对隔振效果的影响相对较小。     

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。     

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。     

层状地基中瑞利波随深度的衰减特性

层状地基中瑞利波（Rayleigh wave）的传播规律以及随深度的衰减规律是工程环境微振动分析与控制研究的关键问题之一。采用解析法（矩阵传递法）分析了层状地基中瑞利波弥散曲线,并在此基础上研究了各种频率下不同类型土层（上软下硬、软夹层、硬夹层）中瑞利波位移随深度衰减规律,通过与弹性半空间解的对比发现,瑞利波位移随深度的衰减规律与频率、土层分布密切相关：频率越高,传播深度越浅;特殊土层（软夹层、硬夹层）的存在会局部显著地改变其衰减规律,并且位移峰值的分布受到频率和土层分布的共同影响。最后,将该方法用于分析上海光源工程地基条件下瑞利波随深度的衰减规律,并与现场深孔微振动测试数据进行了比较。结果证明,与弹性半空间解相比,层状地基中瑞利波随深度的衰减规律可以更为准确地反映真实条件下瑞利波随深度的衰减规律。     

独头巷道超前勘探的有效手段——瑞雷波勘探技术井下超前勘探试验结果述评

迄今,用于煤矿井下独头巷道超前勘探的有效手段寥寥无几。常规的钻探方法费工、费时、效率很低,而且有引起突水的危险。瑞雷波勘探方法是一种使用瑞雷面波作为有效波进行零到几十米范围内地震勘探的新型物探方法。它的测线基距与勘探深度的比值可以达到1∶20以上,即1～2m的测线布置,勘探深度可达30～40m以上。完全适用于独头巷道超前勘探的需要。把这样一种地面地质勘探的方法技术移植到井下,在煤巷、岩巷中进行超前探测断层、空巷、冲刷带的试验并获得成功,无疑为煤矿井下独头巷道的超前探测开创了一种全新的物探手段,必将在煤矿的安全掘进和生产方面发挥重要作用。