【摘 要】
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多排桩作为一种有效的波屏障,在环境减隔振中已得到广泛应用。然而,考虑多排桩的周期特征,引入固体物理学中的周期理论研究排桩屏障的减振特性,却是近十多年的事。目前,关于周期波屏障的研究大多局限于单相土,对饱和土中周期波屏障的研究则很有限。而且,这些研究通常采用实频散分析方法,也忽略了材料的粘性。同时,为了简化分析,未考虑移动荷载特征对周期屏障减隔振性能的影响。然而,已有研究发现,材料粘性、移动荷载的频
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多排桩作为一种有效的波屏障,在环境减隔振中已得到广泛应用。然而,考虑多排桩的周期特征,引入固体物理学中的周期理论研究排桩屏障的减振特性,却是近十多年的事。目前,关于周期波屏障的研究大多局限于单相土,对饱和土中周期波屏障的研究则很有限。而且,这些研究通常采用实频散分析方法,也忽略了材料的粘性。同时,为了简化分析,未考虑移动荷载特征对周期屏障减隔振性能的影响。然而,已有研究发现,材料粘性、移动荷载的频率和荷载移动速度等对波屏障减隔振能力有显著影响,相关机理亟待揭示。为此,本文基于固体物理学中的周期结构理论,提出了一类新的周期体系复频带计算方法,并采用商业有限元软件COMSOL 5.1中的偏微分方程(PDE)模块对其进行了算法构建,使其具备了可执行性;基于该算法,本文对饱和土中散射型与局域共振型周期排桩的复频散性质进行了深入分析,探讨了衰减域的产生机理以及影响因素,重点研究了饱和土的孔隙流体粘性、土体渗透率和桩体材料粘性对衰减域特性的影响规律;随后,本文结合散射型与局域共振型周期排桩的力学特点,设计构建了一种混合型周期排桩波屏障,通过复频散分析研究了其在饱和土中的减振性能,并与前两类周期排桩屏障进行了对比分析;最后,本文将周期排桩的相关理论,尤其是衰减域特性,拓展应用到对移动荷载的减振分析中,深入揭示了其减振机理,并通过数值模拟评估了散射型、局域共振型与混合型周期排桩屏障对移动荷载作用的减振效果,验证了利用周期排桩衰减域进行减隔振设计思想的正确性。本文研究取得如下主要创新成果:(1)提出了一种更为广义的周期体系复频散计算方法,并借助商业有限元软件COMSOL 5.1中的偏微分方程(PDE),构建了算法新模块,进而利用新构建的模块成功计算了饱和土中周期排桩的复频散曲线。(2)采用本文构建的算法,深入研究了饱和土中散射型周期实心桩的复频散性质,在此基础上,对三类典型的弹性波模态即快纵波模态、慢纵波模态与剪切波模态的传播与衰减性质进行了分析,得出了更为精准的剪切波衰减域,揭示了有关物理和几何参数(尤其是饱和土中孔隙流体粘性以及土体渗透率)对衰减域的影响规律。(3)研究了饱和土中局域共振型周期填充桩的复频散性质,揭示了其剪切波衰减域的产生机制——即软质填充材料的局域反共振效应,探讨了填充材料的弹性模量、密度以及填充半径的影响,重点阐明了填充材料的粘性对剪切波衰减的影响规律。(4)结合散射型与局域共振型周期排桩的力学特点,设计构建了饱和土中混合型的周期排桩屏障,以期在更低的频段内打开更宽的剪切波衰减域,并通过复频散分析揭示了衰减域的产生机理以及桩体材料粘性对衰减域的影响规律。(5)将周期结构的相关理论,成功拓展到移动荷载作用下周期波屏障减隔振分析中,建立了移动荷载作用下周期排桩波屏障衰减域的确定方法,深入揭示了波屏障的减振机理,最后通过数值模拟评估了散射型、局域共振型与混合型周期排桩在移动荷载作用下的减振效果,验证了本文所建方法的正确性。本论文的完成,为周期结构的复频散分析提供了新方法,从新的视角深入揭示了不同形式周期排桩的减振机理,深刻认识了不同设计参数对周期排桩减振性能的影响规律和影响机制,进而无论是对周期结构的理论研究还是实际工程应用,均具有重要的指导意义。
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