應用屏障進行被動隔振的研究綜述

應用屏障進行被動隔振的研究綜述

徐平1， 周新民2， 夏唐代3

(1.鄭州大學 交通運輸工程系，河南 鄭州450002； 2.浙江省地震局， 浙江 杭州310013；

3.浙江大學 巖土工程研究所，浙江 杭州 310027)

摘要：人工振動作為一種新形式的環境污染，被列為世界七大環境公害之一。各種形式的人工振動都涉及彈性波的產生和傳播，在既有振源與保護區之間設立屏障來切斷彈性波的傳播路徑，衰減振動能量，降低振動幅度，是目前國際上普通采用的隔振措施。屏障按幾何構造可分為兩類：連續屏障和非連續屏障。對國內外兩類屏障的隔振理論和試驗研究進行簡述，得出的結論為：(1)連續屏障隔振效果好，但對于低頻振源，屏障的深度需達到十幾米以上(近似于R波的半波長)，在軟土和高地下水位地區的工程造價非常高，施工難度也非常大；(2)非連續屏障施工方便，不受深度和場地的限制，不需要進行額外的支護和維護，多排非連續屏障具有更廣泛的應用前景。今后應注重和加強多排非連續屏障隔振的三維理論分析和吸振新材料的試驗研究。

關鍵詞：人工振動； 被動隔振； 連續屏障； 非連續屏障

收稿日期：*2014-08-20

基金項目：國家自然科學

作者簡介：徐平(1977-)，男(漢族)，山東五蓮人，博士，副教授，主要從事土動力學研究.E-mail：plian127@163.com

中圖分類號:TU435文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0088

Review on Passive Vibration Isolation Using Barriers

XU Ping1， ZHOU Xin-min2， XIA Tang-dai3

(1.DepartmentofTransportationEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou，Henan450002，China；

2.EarthquakeAdministrationSeismologicalBureauofZhejiangProvince，Hangzhou，Zhejiang310013，China；

3.InstituteofGeotechnicalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou，Zhejiang310027，China)

Abstract：A large number of buildings and transportation facilities have been constructed in recent years. Residential areas，commercial centers，industrial areas，and highways have formed a three-dimensional transportation network，and artificial vibrations are generated with high frequency and large cycle numbers.Artificial vibration has become a new type of environmental pollution，and is listed as one of the world’s seven major environmental hazards.All the various types of artificial vibrations involve the generation and dissemination of elastic waves.Setting up of barriers between vibration sources and protection zones can block the elastic wave propagation path，attenuate the vibration energy，and reduce the vibration amplitude；this has become one of the most effective vibration isolation measures.Based on the geometric structures，normally-used barriers can be divided into two types：(1)continuous barriers，which are integrated structures，such as open trench，concrete walls，and trenches filled with mud，sawdust，or foam；and (2)discontinuous barriers，which are composed of individual elements，such as one row of cylindrical cavities，solid piles，or hollow pipe piles.In this study，theoretical and experimental studies of these two types of isolation barriers are reviewed and some important conclusions are drawn；(1)the effectiveness of continuous isolation barriers is better，but the depth of the barriers is usually required to be more than ten meters for vibration sources with low frequencies，which approaches half the wavelength of a Rayleigh wave，and so high construction costs and large construction difficulties are caused when constructing in soft soils or regions with high groundwater levels；(2)discontinuous barriers can be easily constructed，are not limited to depth and space，do not need additional support and maintenance，and so several rows of discontinuous barriers have more application prospects.In the future，isolation studies should focus on three-dimensional theoretical analysis and experiments on new absorbing materials with several rows of discontinuous barriers.

Key words： artificial vibration； passive vibration isolation； continuous barriers； discontinuous barriers

0引言

隨著我國城鎮化的迅猛發展，各種建筑和交通設施都得到大量的建設，居民區、商業中心、工業區和交通干道逐漸形成一個立體的交通網，使得整個城市幾乎每時每刻都在產生頻率高、荷載循環次數大的人工振動，如圖1和圖2所示[1]。盡管打樁施工、公路和鐵路交通、重工業廠房、爆破等形式的人工振動的破壞力遠沒有地震強烈，但這些人工振動持續時間長且后果比較嚴重，因此人工振動已經成了一種新形式的環境污染，并被列為世界七大環境公害之一。

圖1　振源的振幅和頻率 Fig.1　The amplitudes and frequencies of vibration sources

圖2　振源的振動循環次數 Fig.2　The number of cycles of vibration sources

消除或降低振動危害，創建健康安靜的學習、生活和工作環境，是目前國內外眾多學者關注的研究課題之一。本文定性地描述人工振動引起的危害，并簡要介紹當前國內外關于屏障隔振的研究現狀，指出屏障被動隔振具有廣泛的應用前景，以期為被動隔振設計提供參考。

1人工振動的危害

強烈的人工振動會產生很大的影響：① 干擾人們的日常生活，影響人們的睡眠、休息和學習，甚至還會危害人們的生理和心理健康；② 影響精密儀器的正常使用、加工與制作；③ 持久性的小幅振動會降低建筑結構的強度，使結構產生裂縫或變形，最終影響建筑物的安全和正常使用；④ 強烈的人工振動可能造成油氣和天然氣管道等城市生命線的破裂，帶來嚴重后果。

我國雖然早在1989年7月就開始實施《城市區域環境振動標準》(GB10070-88)，規定了城市區域振動的鉛垂向振級標準值，但由于城市大面積建設、重工業的快速發展、交通的不合理規劃、交通密度的大幅度提高，人工振動引起的負面新聞還是時有報道。例如大家比較關注的“樓晃晃”現象：北京西直門鐵路附近的某五層居民樓、常州市圩塘新村的21棟居民樓、太原市省府西街的某辦公樓、鄭州市百合花苑小區1號樓、太原市北宮豐碩苑小區8號樓、無錫市月秀東苑沿街房屋，這些樓房不僅產生強烈的振動，有的還出現不均勻沉降和墻體裂縫等病害，嚴重降低了樓房的使用壽命。另外，火車或重交通車輛在高速鐵路、高架橋、立交橋等行駛時，還會產生強烈的噪聲干擾。

對于噪聲處理，常見的措施是在交通干道兩側或一側安裝聲屏障，通過屏障材料吸收噪聲能量達到減小其對居民干擾的目的。該項技術比較成熟，并已大量應用，例如：蘭州的小西湖立交橋、鄭州的一附院立交橋、漢宜客運鐵路專線等。

隔振與隔聲的機理類似，都是在振源與保護建筑物之間設立屏障，由屏障吸收振動波或聲波的能量從而達到隔振/隔聲的目的，但兩者之間存在較大的區別：隔聲的措施位于地上，屏障材料由廠家生產，直接安裝即可；而隔振的措施位于地下，受場地條件(例如巖土的物理力學參數、地下水位等)的影響很大，本文主要介紹當前國內外被動隔振的相關研究。

2當前的隔振措施

各種形式的人工振動都涉及彈性波的產生和傳播，與打樁施工、火車行駛完全相似，如圖3和圖4所示[2-3]：人工振動首先在土體中產生體波(P波和S波)并向四周傳播，一部分P波和S波在地表生成表面波(R波，即瑞利波)，而另一部分或保持傳播方向不變，或在巖土層界面生成反射波和透射波，所有的彈性波都攜帶振動能量繼續向前傳播，并在沿線和周邊建筑物的基礎上產生反射和透射，進而誘發建筑物主體結構的振動。

圖3　打樁施工時產生的振動機理 Fig.3　 Vibration generated by the pile driving construction

圖4　火車行駛時產生的振動機理 Fig.4　Vibration generated by moving train

在既有振源與保護區之間設立屏障來切斷彈性波的傳播路徑，衰減振動能量，降低振動幅度，是目前國際上普通采用的隔振措施。

隔振按隔離體的位置可分成兩類(如圖5和圖6所示[3])：

(1) 主動隔振，適應于尺寸較小且獨立的振源，例如機器基礎，圍繞振源設立屏障，減小振動能量的輸出，主要隔離P波、S波和R波；

(2) 被動隔振，適應于分布范圍較廣或連續的振源，例如鐵路和重載公路，在重要建筑或精密儀器等周圍設立屏障，減小振動能量的輸入，主要隔離R波。

屏障按幾何特性可分成兩類：

(1) 連續屏障，由連續的整體構成，例如空溝、混凝土墻或用泥漿、鋸屑、泡沫等填充的溝渠等；

(2) 非連續屏障，由間斷的個體組成，例如單排柱腔(圓柱形空腔)、實心樁或空心管樁等，如圖7所示[4]。

圖5　屏障近場主動隔振 Fig.5　Near-field active vibration isolation using barriers

圖6　屏障遠場被動隔振 Fig.6　Far-field passive vibration isolation using barriers

圖7　非連續屏障隔振體系 Fig.7　Vibration isolation system using discontinuous barrier

上述兩類屏障各有優缺點：

(1) 連續屏障隔振效果好，但對于低頻振源，屏障的深度需達到十幾米以上(近似于R波的半波長)[6]，這對于實際工程尤其是軟土和高地下水位地區，工程造價非常高，施工難度也很大；

(2) 非連續屏障施工方便，不受深度和場地的限制，不需要進行額外的支護和維護，但隔振效果不如隔振溝理想。

3國內外被動隔振的研究現狀

3.1非連續屏障的理論分析和數值模擬

假定樁長遠大于樁徑，從而將非連續屏障對彈性波的隔離問題簡化成二維平面問題，進而采用波動理論進行求解：Avilés和Sánchez-Sesma[4-6]運用波動理論和Graf加法定理研究了均質彈性土體中單排實心樁屏障對SH波的二維隔離問題；采用相似的研究思路，徐平等[7]求解了單排彈性實心樁屏障對P波和SV波的隔離問題，完善了彈性土體中單排實心樁屏障對各種彈性波隔離的解答；蔡袁強等[8]由彈性土體推廣到飽和土體，分析了飽和土體中單排彈性實心樁屏障對P波和S波的隔離。徐平等[9]參考Pao[10]關于深埋單個圓形襯砌對平面P波散射的解答，利用空心管樁和圓形襯砌(兩者同屬圓柱形殼體)具備相同波場勢函數的特點，在單排實心樁屏障的基礎上，首次較系統地求解了單排空心管樁屏障對P波和S波的二維隔離問題。

非連續屏障的三維問題主要借助于數值計算，例如BEM(邊界單元法)和虛擬樁法：Kattis等[11]采用先進的頻域邊界元技術計算了單排圓形和方形樁屏障的三維隔振問題；Tsai等[12]在文獻[11]的基礎上研究了單排圓形樁、柱腔和空心管樁對豎向簡諧振動荷載作用下方形基礎的隔離；高廣運等[13]基于Lamb問題得到了瑞利波散射積分方程，并利用迭代法對該方程進行了精確求解，進一步分析了彈性土體中多排樁對瑞利波的隔離問題；陸建飛等[14]和徐滿清[15]根據虛擬樁法求解了彈性和飽和土體中多排樁對交通荷載的隔離問題。

上述研究的主要結論為：

(1) 單排樁的長度、入土深度及整體寬度是影響單排樁屏障隔振效果的因素，而樁間距是決定性因素，只有當樁間距較小時，單排樁屏障才能起到隔振的作用；

(2) 單排空心管樁與柱腔的隔離效果存在明顯的差異，另外屏障的隔離效果受頻率的影響很大；

(3) 當樁間距較小時多排樁屏障的隔離效果可以等價為隔振溝，另外樁的排距對多排樁屏障的整體隔振效果影響很小；

(4) 長樁、小間距構成的多排樁屏障更有利于減小移動荷載引起的振動。

3.2連續屏障的理論分析和數值模擬

盡管隔振溝等形式的連續屏障在結構形式上比排樁要簡單得多，但振動波除了在隔振溝側邊上產生反射，還會在底部產生繞射，其理論解答要比排樁復雜得多，目前隔振溝等連續屏障的研究主要集中于數值計算(FEM和BEM)。

Yang和Sato[16]運用FEM系統地研究了空溝、填充溝和彈性基礎等三種屏障對鐵路振動的隔離效果；Shrivastava和Kameswara[17]采用FEM計算了空溝和填充溝對瞬態R波的隔振效果；羅錕等[18]采用ANSYS軟件模擬了屏障對鐵路振動的治理效果。Leung等[19]采用BEM分別計算了均質和非均質地基中空溝、填充溝的隔振效果；Ahmad等[20]采用三維BEM研究了幾何尺寸和材料參數對混凝土和膨潤土填充溝隔振效果的影響；Conter等[21]采用高階單元的BEM計算了填充溝的隔振效果；Al-Hussaini等[22]采用時域BEM分析了三維空溝和填充溝的隔振效果；Andersen等[23]和Adam等[24]分別采用FEM-BEM耦合的方法研究了填充溝對列車運行產生的地面振動的屏蔽；Celebi等[25]采用BEM結合TLM/FVM法分析了空溝的隔振問題；時剛等[26]采用BEM分析了飽和地基中填充溝對Rayleigh的遠場被動隔振問題。上述研究的主要結論如下：

(1) 對于工程實際來說，土體泊松比可以忽略；

(2) 隔振溝中填充材料的剪切模量和密度是制約隔振效果的兩個參數；

(3) 隔振溝的隔振效果主要取決于深度，受寬度的影響較小；

(4) 對于充填溝渠，充填材料與土體相比，材料越硬，隔振效果越好。

3.3屏障的試驗研究

屏障的試驗研究主要集中于連續屏障：Erkan等[27]在現場開挖1.0 m寬、2.5 m深的溝渠，由電動搖振器產生激振力，通過測試和對比加速度信號，分析了空溝和填充溝渠(水、斑脫黏土、混凝土)的隔振效果；Murillo等[28]進行了室內試驗，激振力由壓電式振動器產生，同樣根據加速度信號，分析了不同尺寸(寬度分別為20、40 mm，深度分別為120、240和340 mm)的泡沫填充溝渠的隔振效果；Takemiya[30]進行了4層的橡膠WIB結構的現場試驗，測試了屏障后不同位置處的三向加速度時程曲線，并基于試驗結果進行了三維FEM分析。

4當前研究分析

綜觀國內外的當前研究，非連續屏障主要基于彈性波的多重散射理論進行理論分析，連續屏障主要基于有限元和邊界元進行數值模擬，隔振試驗則限于連續屏障(隔振溝)，主要結論為：

(1) 單排或多排樁非連續屏障的二維理論分析已經比較成熟，但局限于P波和S波，實際上R波的能量比在人工振動波中占的比例最大，為67.3%，而且不論是半空間激振還是平面激振，R波的衰減都比P波和S波慢得多，在距離振動較遠處R波占統治地位，因此研究多排樁或多排管樁非連續屏障對R波的隔離更具理論和工程應用價值；

(2) 空溝的隔振效果理想，但對R波進行隔離時需要進行大開挖，支護和維護費較高，目前的研究主要集中于充填溝，而充填溝的研究主要局限于混凝土、泡沫等材料，關于材料本身的吸振性能的研究不多。

5結語

簡要介紹了人工振動引起的危害，并簡述了當前國內外關于屏障隔振的研究現狀，指出屏障被動隔振具有廣泛的應用前景，但在今后的研究應注重：

(1) 基于波動理論，建立多排非連續屏障隔振的三維理論解答；

(2) 借助于聲屏障理念，應用能吸收大部分振動能量的材料建立屏障；

(3) 注重理論聯系實際，加強非連續屏障的現場試驗，并對現有理論和經驗公式進行驗證。

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