非饱和土地基中隔振屏障的隔振性能分析

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随着轨道交通的快速发展,如何降低高速列车引起的振动对周边环境的影响被广泛关注。隔振沟可以在传播途径上阻隔振动波的传播,被广泛使用和研究。目前研究地基的振动响应时常用的地基模型有单相地基模型、两相的饱和地基模型、三相的非饱和地基模型,每多考虑一相,波的传播特性都会大有不同。大多数路基土都处于非饱和状态,显然采用非饱和土地基模型更符合实际情况。本文基于有限元软件Comsol Multiphysics的PDE模块,建立非饱和地基-隔振沟模型,采用横向、纵向位移幅值衰减系数和横向、纵向平均位移相对值作为评价标准,通过计算分析了在低频振动、中频振动以及高频振动下,非饱和土地基中隔振沟(空沟、填充沟)尺寸(深度、截面面积、截面形式、侧壁倾角、距离振源距离、排数以及多排沟间距)、材料参数(剪切模量)和地基参数(饱和度、孔隙率、渗透系数等)因素对隔振效果的影响,对比了单相地基、饱和地基、非饱和地基中空沟的隔振效果,给出隔振沟发挥出最佳隔振效果的参数取值。本文取得的主要研究成果如下:1.基于Comsol Multiphysics有限元软件的PDE模块进行二次开发,对考虑界面上各相相互作用动力协调条件的非饱和多孔介质动力方程进行求解。通过与已有解析、数值解的对比,验证了方法及程序的正确性和精度。2.建非饱和地基-隔振沟模型,通过计算分析隔振沟尺寸、材料参数和地基参数因素对非饱和地基中空沟和隔振沟隔振效果的影响,对比了单相地基、饱和地基、非饱和地基中空沟的隔振效果。得到如下主要结论:(1)地基模型的影响:单相地基和双相地基会低估空沟的隔振效果,三相地基中空沟的隔振效果最好。对于三相非饱和地基,在误差最小的前提下,中频振动可将其简化为单相地基,低频和高频振动下,可将其简化为双相地基。(2)非饱和地基参数的影响:非饱和地基的参数对空沟隔振效果影响最大的是孔隙率,其次是饱和度,最小的是渗透系数。空沟在低饱和度、低孔隙率、高渗透系数的非饱和地基中隔振效果更好。(3)空沟几何参数影响:改变空沟侧壁倾角和距离振源距离对空沟隔振效果影响最大,其次是空沟的深度、排数以及排间距,改变空沟截面面积对其隔振效果影响最小,且在不同振动频率下,使空沟发挥最佳隔振效果的参数取值不同。(4)填充沟填充物的影响:当填充物剪切模量与土体剪切模量的比值在60左右或者小于等于0.006倍时,隔振效果最好;填充沟宽度设置施工允许最小值即可。
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