Основные факторы, определяющие эффективность вертикальных барьеров для снижения вибраций, распространяющихся в грунтовой среде

Устройство вертикального барьера на пути распространения поверхностных волн в грунте в виде открытой или заполненной различными материалами траншеи считается эффективным направлением виброизоляции от действия взрывных, сейсмических, промышленных и транспортных вибродинамических воздействий. В данной работе на основе метода конечных элементов выполнено численное моделирование распространения динамических волн в грунте с устройством вертикального волнового барьера на пути их распространения. Грунтовая среда рассматривалась как пространственный упругий инерционный массив с заданным демпфированием колебаний по теории Рэлея, ограниченный неотражающими границами. Динамическая нагрузка задавалась в виде синусоиды. Изучалось изменение параметров колебаний поверхности за барьером в зависимости от материала последнего. Результаты расчетов представлены в безразмерных величинах для геометрических параметров барьера и его динамических свойств. Выявлено, что основным параметром, определяющим эффективность виброизоляции, является динамический модуль упругости материала барьера. Его увеличение или уменьшение по отношению к модулю упругости грунта приводит к снижению колебаний за барьером в направлении распространения динамических волн в грунте. Получены формулы, описывающие относительное снижение колебаний грунта за барьером в зависимости от коэффициента относительного снижения динамического модуля упругости материала барьера. Наиболее эффективным вариантом является композитная конструкция, состоящая из чередующихся слоев материалов с наибольшим и наименьшим по отношению к окружающему грунту динамическими модулями упругости. Снижение амплитуд колебаний грунта за барьером для данной композитной конструкции достигает 87,7 % при глубине барьера, равной длине волны Рэлея.

1. Woods, R. D. Screening of Surface Waves in Soils / R. D. Woods // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1968. Vol. 94, No 4. P. 951–980. https://doi.org/10.1061/jsfeaq.0001180

2. Naghizadehrokni, M. A Full Experimental and Numerical Modelling of the Practicability of Thin Foam Barrier as Vibration Reduction Measure / M. Naghizadehrokni, M. Ziegler, J. Sprengel // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2020. Vol. 139. Art. 106416. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2020.106416

3. Pu, X. Feasibility of Ambient Vibration Screening by Periodic Geofoam-Filled Trenches / X. Pu, Z. Shi, H. Xiang // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2018. Vol. 104. P. 228–235. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2017.10.022

4. Naghizadehrokni, M. Effect of Different Configurations of a Geofoam-Filled Barrier in Vibration Scattering and Its Optimization by Genetic Algorithm / M. Naghizadehrokni, M. Ziegler // XI International Conference on Structural Dynamics Athens, Greece, 23–26 November 2020. P. 4069–4084. https://doi.org/10.47964/1120.9333.18611

5. Numerical Evaluation of Tire Chips–Filled Trench Barriers for Effective Vibration Isolation / K. Tandon, D. Kumar, R. Ayothiraman [et al.] // Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control. 2023. Vol. 42, No 1. P. 325–344. https://doi.org/10.1177/14613484221118998

6. Ulgen, D. Screening Effectiveness of Open and In-Filled Wave Barriers: a Full-Scale Experimental Study / D. Ulgen, O. Toygar // Construction Building Mater. 2016. Vol. 86. P. 12–20. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.03.098

7. Mahdavisefat, E. Heshmati. “Full-Scale Experimental Study on Screening Effectiveness of SRM-Filled Trench Barriers” / E. Mahdavisefat, H. Salehzadeh, A. A. Heshmat // Geotechnique. 2018. Vol. 68, No 10. P. 869–882. https://doi.org/10.1680/jgeot.17.p.007

8. Boominathan, A. Dynamic Behavior of Laterally Loaded Model Piles in Clay / A. Boominathan, R. Ayothiraman // Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Geotechnical Engineering. 2005. Vol. 158, No 4. P. 207–215. https://doi.org/10.1680/geng.2005.158.4.207

9. Boominathan, A. Measurement and Analysis of Horizontal Vibration Response of Pile Foundations / A. Boominathan, R. Ayothiraman // Shocks and Vibration. 2007. Vol. 14, No 2. P. 89–106. https://doi.org/10.1155/2007/869184

10. Chandrasekaran, S. Experimental Investigations on the Behavior of Pile Groups in Clay under Lateral Cyclic Loading / Chandrasekaran, A. Boominathan, G. Dodagoudar // Geotechnical and Geological Engineering. 2010. Vol. 28, No 5. 603–617. https://doi.org/10.1007/s10706-010-9318-4

11. Experimental Studies on Dynamic Response of a Block Foundation on Sand Reinforced with Geogrid / S. Clement, R. Sahu, R. Ayothiraman, G. V. Ramana // Proceedings of Geosynthetics, 2015 February 15–18, Portland, Oregon. Portland, 2015. P. 15–18.

12. Kanaujia, V. K. Influence of Superstructure Flexibility on Seismic Response Pile Foundation in Sand / V. K. Kanaujia, R. Ayothiraman, V. A. Matsagar // Proceedings of the 15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisboa, Portugal 2012 Sep. P. 24–28.

13. Stokoe, K. H. In Situ Shear Wave Velocity by Cross-Hole Method / K. H. Stokoe, R. D. Woods // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1972. Vol. 98, No 5. P. 443–460. https://doi.org/10.1061/jsfeaq.0001747

14. Srinivasulu P. Dynamic Experiments of Model Piles – A Laboratory Study / P. Srinivasulu, N. Gopalakrishnan, K. Satish // Proceedings of 6th International Conference and Exhibition on Piling and Deep Foundations. Conferences and Exhibitions Pvt. Ltd., Bombay, 1996. P. 3.11.1–3.11.8.

15. Use of In-Filled Trenches to Screen Ground Vibration due to Impact Pile Driving: Experimental and Numerical Study / P. Jayawardana, R. Achuhan, G. H. De Silva, D. P. Thambiratnam // Heliyon. 2018. Vol. 4, No 8. P. e 00726. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e00726

16. Повколас, К. Э. Сравнительный анализ эффективности применения вертикальных барьеров из различных материалов для снижения вибраций, распространяющихся в грунтовой среде / К. Э. Повколас, А. А. Аль-Робай // Инновационные технологии и конструкции в гидротехническом, энергетическом и воднотранспортном строительстве: материалы 2-й Междунар. заоч. науч.-практ. конф. в рамках Междунар. молодежного форума «Креатив и инновации 2023», 30 нояб. 2023 г. Минск: БНТУ, 2023. С. 29–34. URL: https://rep.bntu.by/handle/data/141548

17. Сапарлиев, Х. М. Математические модели сплошного барьера / Х. М. Сапарлиев // Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований. 2016. № 22. С. 104–111.