公路交通荷载作用下波阻板隔振效果试验分析

焦欧阳，周凤玺，2，王根强，乔 雄

（1.兰州理工大学 土木工程学院，兰州 730050；2.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，兰州 730050；3.甘肃路桥建设集团有限公司，兰州 730050）

随着城镇化建设和现代工业的迅速发展，各种环境污染问题日益频繁，其中人工振动造成的环境污染问题引起了社会各界的广泛关注。人工振动造成的环境污染包括地基振动诱发的周边环境振动、地面长期沉降以及噪声污染等。地基是将振动从人工振源向周边环境传播的主要中间介质，通过地基引起的周边环境振动是人工振动污染的主要途径。地基振动对临近的建筑物、地下管线、精密仪器设备以及人们的生活工作环境具有不可忽视的影响[1]。例如，在国道312线甘肃境内平凉西至界石铺段维修改造工程项目中，由于基层施工中重型卡车以及压路机引起的地基振动，对公路沿线周边约35户居民的旧土木结构建筑以及新建砌体结构建筑均造成了严重的损坏，甚至倒塌。

自Chouw等提出在地基中设置一个类似的硬夹层，以形成一个有限尺寸的人工基岩进行隔振[2]，并称其为波阻板(Wave Impedance Block，WIB)以来，波阻板隔振屏障引起了国内外很多学者的研究。Chouw等采用二维频域边界元法分析了波阻板的主动隔振和被动隔振，并对波阻板被动隔振与填充沟被动隔振进行了对比分析，得出了波阻板隔振效果要优于填充沟的结论[2]；Peplow等采用边界积分方程法，研究了二维双层地基波阻板主动隔振的隔振效果[3]；利用半解析边界元法，高广运等对二维和三维波阻板进行了主动隔振性能的理论研究，发现波阻板在低频隔振中具有良好的隔振效果可与其他隔振措施进行组合隔振[4–7]；Kaynia和Madshus等分析了频域、时域内在道碴中或道下埋置波阻板的隔振，表明效果良好[8]；周凤玺等基于含液饱和多孔介质中的流-固耦合作用，以含液饱和多孔材料体系作为隔振屏障，提出了一类新型的波阻板地基隔振[9]；李宁等对两种不同埋深的混凝土波阻板进行了水平激振下的主动隔振试验及数值计算[10]。

尽管对波阻板隔振性能的理论研究已有大量的成果，但在试验，尤其是原位测试方面积累的资料不是很多。为提高波阻板在实际工程中的应用，尚需进行大量的现场试验研究。本文通过现场试验，在卡车以及压路机等交通荷载作用下，对不同材料的波阻板的隔振效果进行比较研究，为波阻板在公路工程中的应用提供了一定的参考。

1 现场试验

1.1 试验设备

试验中采用不同速度的满载卡车以及低幅和高幅振动的HAMM压路机作为振源。波阻板的尺寸均为长×宽×厚=2 000 mm×2 000 mm×500 mm，波阻板的材料分别为素混凝土、泡沫夹芯和无砂混凝土。其中泡沫夹芯波阻板两侧混凝土板的厚度为150 mm，夹芯层泡沫板的厚度为200 mm。为了获得地表振动响应，试验使用TC-4850爆破测振仪进行振动信号采集，试验中将测振仪三向速度传感器用石膏粘接固定在测点处（如图1所示），三向速度传感器的z向垂直于地面，x、y向为水平面，且x方向与公路方向平行。

图1 速度传感器固定

1.2 试验方案和测点布置

为了研究公路交通荷载下不同类型波阻板的隔振效果，在卡车速度分别为20 km/h，40 km/h，60 km/h以及低幅和高幅振动的压路机激励下，试验依次进行了不设置波阻板的自由场振动测试、设置素混凝土波阻板、设置泡沫夹芯波阻板和无砂混凝土波阻板的主动隔振测试。

每种情形下的测试都是用相同的试验测点，分布如图2所示。

图2 试验测点布置图

即在公路一侧由近及远依次设置1#－4#共4个测点，以获取交通荷载作用下，公路附近地表的振动速度和不同类型波阻板在各测点的隔振效果。

1.3 隔振效果评价

不同类型波阻板的隔振效果可以通过测点处的地表峰值速度[11](the peak particle velocity，PPV)进行评价。本文中使用了无量纲化的峰值速度PPV*进行试验结果分析。其中，PPV*为各测点实测PPV与相同工况下1#测点PPV的比值。

2 试验结果分析

2.1 行车荷载激励

为了分析行车荷载作用对公路附近地基振动的影响，采用约30 t满载卡车以不同的行驶速度通过测试路段，以此来研究不同类型波阻板对移动荷载激励下的隔振效果。

由于篇幅所限，图3－图5只给出了卡车速度为20 km/h、40 km/h、60 km/h时，不同材料的波阻板各试验测点在z方向上的峰值速度随距离的变化曲线，图中垂直的实心线表示了波阻板的位置。从图中可以看出，对于自由场（无波阻板）由于地基的材料阻尼和几何阻尼作用，波在传播过程中随着距离的增大，其能量逐渐耗散，引发的地表振动响应也逐渐减弱。对于设置波阻板的情形，除了上述衰减外，由于弹性波在土层与波阻板交界面处发生复杂的反射和折射现象，加速了波的衰减，使得埋置波阻板后相同距离处的地表振动响应小于埋置波阻板之前的地表振动响应。

从图3－图5可以看出，设置波阻板后测点z方向的峰值速度明显小于不设置波阻板时该点处的峰值，表明在公路行车荷载下波阻板能起到有效的地基隔振作用。对比不同材料的波阻板的试验结果可知，泡沫夹芯波阻板的隔振效果最好，无砂混凝土波阻板次之。

通过图3－图5可以明显地看出，随着行车速度的增加，各类波阻板的隔振效果越显著。

图3 卡车速度为20 km/h时测点峰值速度随距离的变化

图4 卡车速度为40 km/h时测点峰值速度随距离的变化

图5 卡车速度为60 km/h时测点峰值速度随距离的变化

地面振动的隔振效果还可以通过速度振幅衰减系数进行评价。振幅衰减系数AR定义为

为了进一步说明泡沫夹芯波阻板的隔振效果，图6给出了卡车速度为20 km/h、40 km/h、60 km/h时，各测点z方向峰值速度振幅衰减系数ARz随距离的变化曲线。

图6 不同车速时振幅衰减系数随距离变化

图中可以看出，在波阻板后各点的峰值速度振幅明显的降低。

2.2 压路机振动碾压激励

在试验中采用了HAMM压路机在低幅以及高幅振动碾压激励下，采集了各测点的地面振动速度。图7和图8分别为压路机在低幅和高幅振动下，测点z方向的峰值速度随距离的变化曲线。

图7 HAMM压路机低幅振动下，测点峰值速度随距离的变化

从图中可以看出，无论是低幅还是高幅振动碾压，各类波阻板均起到一定的隔振效果，并且通过试验结果对比发现，泡沫夹芯波阻板的隔振效果最好，无砂混凝土波阻板次之。

为了进一步评价泡沫夹芯波阻板的隔振效果，图9给出了压路机低幅和高幅振动下，设置泡沫夹芯波阻板场地测点z方向峰值速度和振幅衰减系数随距离的变化。从图中可以看出泡沫夹芯波阻板对于压路机荷载振源具有很好的隔振效果。

图8 HAMM压路机高幅振动下，测点峰值速度随距离的变化

图9 压路机低幅和高幅振动下，振幅衰减系数随距离变化

3 结语

通过比较素混凝土、泡沫夹芯和无砂混凝土等3种不同材料波阻板的隔振效果的现场实测结果可知，无论是行车荷载还是压路机碾压振动，泡沫夹芯波阻板的隔振效果最好，无砂混凝土波阻板次之。

致谢：

本次现场试验过程中，在试验场地、波阻板制作以及试验车辆等各方面都得到了甘肃路桥建设集团第三公路工程有限责任公司的大力支持，笔者在此表示诚挚的感谢。

[1]刘泳钢.高速铁路引起的环境振动及隔振研究[D].成都：西南交通大学道路与铁道工程专业，2011.

[2]CHOUW N,RONG L,SCHMID G.An approach to reduce foundation vibrations and soilwaves using dynamic transmitting behavior of a soil layer[J].Bauingenieur,1991(66):215-221.

[3]PEPLOW A T,JONES C J C,PETYT M.Surface vibration propagation over a layered elastic half-space with an inclusion[J].Applied Acoustics,1999(56):283-296.

[4]高广运，冯世进，李伟，等.三维层状地基竖向激振波阻板主动隔振分析[J].岩土工程学报，2007，29(4)：471-476.

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[9]周凤玺，马强，赖远明.含液饱和多孔波阻板的地基振动控制研究[J].振动与冲击，2016，35(1)：96-105.

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