通过相互匹配水位调节的复合周期隔振屏障对表面波的衰减

《Transportation Geotechnics》：Surface-wave attenuation by a composite periodic vibration isolation barrier tuned by mutually matched water levels

　　

**摘要**
周期性波屏障是减轻交通引起的地面振动的有前景的方法，但它们的带隙通常在施工后固定，限制了其对具有变化频率成分的振动源的适应性。本研究提出了一种由相互匹配的水位调节的可调谐复合周期沟槽屏障。该屏障由嵌入的钢制沟槽组成，分为两个充水腔室，其水位可以以协调的方式进行独立调节，以修改单胞的有效质量分布和流固相互作用。这种设计能够在不改变固体结构的情况下实现主动带隙调节。数值色散和传输分析表明，双水位协调可以通过组合具有互补水位配置的单位来移动衰减区并拓宽隔离范围。该屏障能有效衰减与轨道交通、环境振动和地震振动相关的频率范围内的表面波。在由实测地铁引起的振动记录驱动时域数值模拟中，所提出的屏障将垂直峰值加速度降低了约76%。缩尺实验室试验进一步验证了可调谐衰减行为，测量响应与数值预测吻合良好。所提出的屏障为交通基础设施的自适应宽带地面振动隔离提供了一种简单、可重构和工程可行的策略。

**引言**
地震、轨道交通、施工活动和工业机械引起的地面振动在密集开发的地区越来越成为一个令人担忧的问题。这些振动可能会干扰居民，影响精密仪器的运行，并威胁附近结构的服务能力[1], [2], [3], [4], [5]。由于相当一部分振动能量以Rayleigh型表面波的形式沿地表传播，控制表面波的传播路径和空间分布已成为环境振动减轻和地震防护中的重要问题[6], [7], [8], [9]。

振动隔离屏障通常安装在振动源和保护区域之间，通过反射、散射、阻抗失配和能量耗散来衰减弹性波。典型的屏障形式包括开敞沟槽、填充沟槽、桩屏障、隔离孔以及其他不连续隔离系统[10], [11], [12], [13], [14], [15]。在这些措施中，开敞沟槽由于其结构简单、施工成本低和衰减机制清晰而得到了广泛研究。自Woods早期的实验工作[16]以来，已经进行了大量数值、实验和现场调查来评估沟槽屏障的屏蔽效率。使用发泡聚苯乙烯或其他低阻抗材料的填充屏障也得到了探索，以提高振动屏蔽效果同时保持更好的地基稳定性，最近的现场试验进一步证明了连续面板发泡聚苯乙烯填充屏障在地面振动减轻方面的潜力[17], [18]。然而，传统沟槽型屏障的性能与沟槽深度、土壤稳定性和入射波的波长密切相关。对于具有长波长的低频振动，浅沟槽往往不足，而较深的沟槽可能会增加开挖成本并危及地基稳定性。

为了提高波衰减的可控性，周期屏障已被引入地面振动控制中。通过周期性排列几何或材料不连续性，可以产生表面波带隙，在其中波传播受到显著抑制[19], [20], [21], [22], [23], [24]。这些周期屏障主要依赖Bragg散射，当结构周期性可比拟于入射波长时，发生破坏性干涉。虽然Bragg型带隙在中高频范围内有效，但当屏障尺寸受时，对低频表面波效率较低。局部共振屏障通过在土壤或屏障系统中嵌入共振单元提供了低频衰减的另一途径，从而在远低于Bragg散射所支配的频率下打开亚波长带隙[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]。然而，局部共振带隙通常很窄且集中在共振频率附近。因此，单一衰减机制通常不足以应对宽带振动环境。

尽管取得了这些进展，大多数传统周期和局部共振屏障是被动的系统。它们的带隙特性由固定的几何形状、质量、刚度和材料属性决定，一旦结构建成就难以调整。为了扩展衰减范围，传统多共振器方法通常将几个具有不同预设固有频率的共振组件结合在一起。虽然这种策略可以产生多个衰减带，但这些共振器的频率特性仍然受其固定的几何和机械性质支配，因此建成后难以重构。这种限制在实际工程场景中更加明显，在这些场景中振动源的频率成分、强度和空间分布可能变化。为了增强适应性，通过外部场、添加质量、液压单元和可重构流体修改刚度、弹性模量、质量分布或流固相互作用条件，已经开发了可调谐和可重构的波控系统[32], [33], [34], [35]。在这些策略中，基于液体的调谐特别有吸引力，因为可以在不重建固体框架的情况下调整液体高度。

最近的研究证明了使用水位或液柱高度调节表面波带隙的可行性。Russillo等人[36]提出了一种用于地震Rayleigh波衰减的水箱元屏障，其带隙特性可以通过改变水箱中的水位进行调谐。Russillo和Failla [37]进一步将这一概念扩展到土壤嵌入的水箱元屏障，表明嵌入式充水共振器可以为表面波提供可调谐衰减。Zhang等人[38]将水位变化引入周期表面波屏障，并证明通过调节沟槽中的水位可以移动衰减区。Li等人[39]开发了一种基于流固耦合的可调嵌入式地震超材料，其中液柱高度在控制带隙行为方面起着重要作用。这些研究证实了水位调谐是可重构表面波隔离的有效方法。

然而，大多数现有的水位调节屏障依赖于单一可控水位[40], [41]、液位或充水共振单元。这种单参数调谐策略存在固有局限性。首先，带隙迁移主要由一个水柱支配，因此可用的调谐自由度有限。其次，不同的衰减区无法独立协调，这限制了为宽带振动隔离重组带隙的能力。第三，调谐范围受允许水位高度的限制，使其难以适应地震波、交通引起的振动和施工扰动可能共存的复杂振动环境。此外，对于沟槽型屏障，降雨和积水可能会改变隔离性能并影响周围土壤的稳定性[42]。这些问题表明，仍需要一种更灵活和工程可行的水位调节策略。

为了解决这些局限性，本研究提出了一种由相互匹配的水位调控的可调谐复合周期沟槽屏障。该屏障由嵌入的钢制沟槽组成，分为两个充水腔室，允许左右水位独立调节并相互协调。与传统的多共振器屏障相比，所提出的设计不依赖于添加几个具有固定固有频率的独立共振组件。相反，它在单个紧凑的沟槽单元中集成了两个独立可控的水域。与单水位屏障相比，所提出的双水位配置提供了额外的调谐自由度，并使有效质量分布、流固相互作用和表面波带隙的更灵活调节成为可能。两个水位作为连续的液压调谐参数，允许在不改变钢框架或周期排列的情况下创建对称或不对称的动态配置。基于Bloch理论和有限元分析，研究了在单侧和相互匹配水位配置下单胞的带隙特性。然后构建组合和梯度复合周期屏障以实现宽带衰减并阐明渐进衰减机制。此外，进行了缩尺实验室试验来验证所提出的水位调节隔离概念。这项工作为自适应宽带表面波隔离提供了一种简单、可重构和工程可行的策略。

**屏障配置**
图1(a)展示了所提出的具有相互匹配水位的复合周期振动隔离屏障，它嵌入在无限大体中以衰减表面波传播。屏障沿水平方向周期排列。图1(b)显示了代表性单元胞，其中土壤域、钢制沟槽和水区由不同颜色表示。钢制沟槽通过内部隔板分成两个腔室，水...

**色散特性和传输分析**
所提出的复合周期振动隔离屏障的代表性单元胞如图1(b)所示。根据钢制沟槽内的水分分布，考虑三种配置：空复合沟槽、单侧充水沟槽和具有相互匹配水位的沟槽。相应的几何参数和材料特性列于表1、表2中。周围地基被建模为均匀弹性半空间。水...

**能量局部化和组合复合周期屏障的宽带振动隔离**
在实际工程中，环境振动源通常包含混合的低、中、高频成分，而不是单一谐波激励。因此，具有固定带隙的周期屏障通常不足以实现宽带振动隔离。第3节的结果表明，具有不同相互匹配水位的复合周期单元表现出不同的衰减区。这一特性为构建组合复合提供了基础...

**可调谐复合周期波屏障表面波衰减的实验验证**
为了进一步验证所提出的具有相互匹配水位的复合周期波屏障的表面波衰减能力，进行了缩尺实验室试验，如图14(a)所示。实验室模型按相对于全尺寸原型的几何比例1:10构建，同时保持周期单元排列、双腔室配置、主要几何比例和相对水位条件。实验系统主要...

**结论**
本研究调查了由相互匹配水位调谐的复合周期沟槽屏障的表面波衰减特性。其调谐性能通过数值分析、选定的实际振动输入和缩尺实验室试验进行了评估。主要结论如下：
(1) 相互匹配的水位修改了两个腔室的水分分布、有效质量和流固耦合特性，从而实现了迁移和...

**CRediT作者贡献声明**
Meng Zhang：写作–审阅与编辑，写作–原始草稿，软件，项目管理，方法论，形式分析，数据整理，概念化。Zhao-Dong Xu：写作–审阅与编辑，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Feng-Feng Ran：可视化，验证，软件，调查。Xiu-Li Du：写作–审阅与编辑，监督，方法论，调查。Hua-Guang Ni：可视化，监督，资源。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**
本工作得到国家自然科学基金（批准号52130807）、江苏省前沿引领技术基础研究重大项目（批准号BK20222006）、深圳市可持续发展科技专项（KCXFZ20211020165543004）、东南大学博士研究生创新能力提升计划（CXJH_SEU 26121）的资金支持。作者对这些资金支持表示感谢。

**作者列表**
Meng Zhang | Zhao-Dong Xu | Feng-Feng Ran | Xiu-Li Du | Hua-Guang Ni | Gui-qing Zhai | Yu Huang