鐵路排樁隔振效果實測分析

孫成龍，高　亮(1.中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京　100081;.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京　100044)

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鐵路排樁隔振效果實測分析

孫成龍1，2，高亮2
(1.中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

摘要:利用排樁隔振屏障隔離列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動是治理鐵路環(huán)境振動的有效手段。本文結(jié)合排樁隔振的工程實例，實測了距離鐵路不同距離處排樁的隔振效果，分析了隔振效率和隔振特性，同時對排樁排數(shù)對減振效果的影響進(jìn)行了實測和分析。研究成果可為通過排樁隔振屏障治理鐵路環(huán)境振動的相關(guān)工程提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞:鐵路排樁隔振屏障隔振效果實測

在鐵路環(huán)境振動傳播途徑上設(shè)置隔振溝、隔振墻或隔振樁是鐵路環(huán)境振動被動治理的有效措施。隔振溝的設(shè)置可能對鐵路路基的安全造成影響;隔振墻的設(shè)置一般需要開挖溝槽，工程難度大，不易實施，工程成本較高;而隔振樁則克服了上述缺點，其施工簡單，造價較低，且對路基安全影響較小，因此近年來得到了廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者主要通過解析和數(shù)值的方法研究了排樁隔振的機(jī)理及排樁相關(guān)參數(shù)對減振效果的影響，并研究了排樁隔振應(yīng)用于鐵路環(huán)境振動的可行性。Aviles等［1-2］、Boroomand等［3］、高廣運(yùn)等［4-5］、李志毅等［6］采用解析法，Kattis等［7］、Tsai等［8］采用三維邊界元法研究了單排或多排樁的樁徑、樁長、樁間距等對隔振效果的影響。上述研究通常假定大地為均勻彈性半空間，而實際上大地多為層狀結(jié)構(gòu)，不同土層土的參數(shù)會有所變化;另外鐵路環(huán)境振動呈寬頻分布，不同頻率的振動波在不同土層和樁之間發(fā)生多次反射、投射及折射?；阼F路引起的振動波在樁土之間傳播的復(fù)雜性，相關(guān)研究更宜采用有限元和邊界元等數(shù)值方法。韋紅亮［9］、羅錕等［10］采用有限元軟件Ansys建立了列車—大地—排樁耦合動力分析模型，研究了排樁樁深、樁徑、截面形式、材料等結(jié)構(gòu)參數(shù)對隔振效果的影響。但上述有限元模型均做了相當(dāng)程度的簡化，模型中的參數(shù)的取值也不一定能夠完全反應(yīng)工程實際情況，隔振的計算結(jié)果有可能與實際隔振工程減振效果不相符。

為了驗證排樁隔振在典型工況下的實際減振效果，本文在北京東郊環(huán)形鐵道試驗線排樁隔振治理工程的基礎(chǔ)上，實測了排樁隔振的減振效果，研究了相應(yīng)的隔振特性，研究成果可為通過排樁隔振治理鐵路環(huán)境振動的工程提供技術(shù)參考。

1　測試概況

1.1測試條件

測試全部在北京東郊環(huán)形鐵道試驗線進(jìn)行，采用直接法測試排樁隔振屏障設(shè)置前后的減振效果。測試前后的測點布置、鐵路線路條件、試驗車型和列車速度均保持不變。排樁設(shè)置為4排，樁的深度為14 m，沿鐵路線路布置長度為50 m。

線路及車輛條件:路堤線路，采用60 kg/m鋼軌，無縫線路，Ⅱ型扣件，Ⅲ型軌枕，有砟軌道，地層為黏性土。試驗車型采用和諧號動車組(4輛編組)，軸重21 t，測試試驗速度120 km/h。

1.2測試儀器

采用891-2型拾振器，測試數(shù)據(jù)由DASP動態(tài)信號采集記錄系統(tǒng)進(jìn)行采集和記錄。891-2型拾振器的加速度檔指標(biāo):量程40 m/s2，頻率范圍0.5～80 Hz，分辨率1×10－5m/s2，溫度范圍－10～50℃。

1.3測點布置

在隔振工程段樁前和樁后分別布置測點，測試列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動源，主要用于比對不同頻次列車所產(chǎn)生的環(huán)境振動源的變化。具體測點布置:沿垂直線路方向，在隔振樁前方距離線路中心線10 m處布置1個測點(V1);在隔振樁后方距離線路中心線35，40 m處布置2個測點(V2，V3)。測點布置如圖1所示。

圖1　環(huán)境振動測點布置示意(單位:m)

1.4測試方法

采用直接法進(jìn)行測試，即在排樁隔振實施前后分別在對應(yīng)測點進(jìn)行測量。具體為在工程實施前，測試各測點環(huán)境振動水平;為了測試排樁排數(shù)對減振效果的影響，分別在1排樁、2排樁、3排樁和4排樁實施后，混凝土強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)度要求時，測試環(huán)境振動。測試現(xiàn)場如圖2所示。測量頻次為每次測試10趟車。現(xiàn)場采樣頻率為512 Hz。

圖2　測試現(xiàn)場

2　測試結(jié)果分析

2.1分析指標(biāo)

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—1988)［11］和《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB 10071—1988)［12］，鐵路交通引起的環(huán)境振動采用鉛垂向Z振級最大值VLZmax進(jìn)行評價。為了比較整個時域內(nèi)的環(huán)境振動變化情況，同時采用VLZ進(jìn)行評價。根據(jù)GB 10070—1988的關(guān)注頻率，本文研究頻率范圍為1～80 Hz。

Z振級實質(zhì)為加速度級的計權(quán)值。加速度級按GB 10071—1988規(guī)定的方法，采用各中心頻率的有效值(RMS)，按式(1)計算。頻率范圍為1～80 Hz。

式?中:VAL為加速度振級，dB;a為振動加速度的有效值，m/s2;aref為基準(zhǔn)振動加速度，取為1×10－6m/s2。

隔振屏障的隔振效率一般用振幅衰減系數(shù)A［11］

RF來表示。本文中采用加速度指標(biāo)評價隔振效率，定義ARF為設(shè)置隔振屏障后屏蔽區(qū)內(nèi)的垂向加速度與無屏障時的垂向加速度之比。定義為

式中:a'為設(shè)置隔振屏障后屏蔽區(qū)內(nèi)觀測點的垂向加速度;a'0為無屏障時觀測點的垂向加速度。

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明，隔振樁設(shè)置前后，在各趟測試列車車輛、線路、速度等工況完全一致的條件下，V1測點所測得的各項數(shù)據(jù)基本一致，因此，本文中隔振樁設(shè)置前后V1測點數(shù)據(jù)可直接對比。以下重點對V2和V3測點的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2.2時程分析

隔振樁設(shè)置前后V2和V3測點的加速度時程和列車通過時段內(nèi)測點處的Z振級見圖3—圖6。

圖3　隔振樁實施前后V2測點處加速度時域信號對比

圖4　隔振樁實施前后V3測點處加速度時域信號對比

圖5　列車通過時V2測點處Z振級對比

圖6　列車通過時V3測點處Z振級對比

由圖3、圖4的振動加速度時程可以看出，在列車通過期間，排樁隔振實施后的振動信號比實施前有明顯的衰減。由圖5和圖6可以看出，列車通過期間(車頭～車尾通過測點斷面)Z振級最大，其隔振效果也最明顯。當(dāng)列車逐漸遠(yuǎn)離排樁后，由于排樁隔振區(qū)段為有限長度，此時減振效果不能顯現(xiàn)。

2.3隔振效率分析

由于鐵路軌道的振動是一個隨機(jī)振動，環(huán)境振動加速度最大值的測試結(jié)果有較大的偶然性和局限性，因此本部分參考使用振動加速度的有效值來分析排樁的隔振效率。

距線路35，40 m處測點在排樁隔振前后的垂向振動加速度有效值(平均功率)及隔振效率統(tǒng)計如表1。

表1　垂向振動加速度有效值(平均功率)及隔振效率統(tǒng)計

由表1可以看出，35 m處排樁平均隔振效率達(dá)到0.43，最大隔振效率達(dá)到0.34;40 m處平均隔振效率為0.59，最大隔振效率達(dá)到0.42。

2.4不同排數(shù)隔振樁的隔振效果

針對隔振樁的排數(shù)對隔振效果的影響進(jìn)行了現(xiàn)場測試分析，所測得的隔振效果見表2。

表2　不同排數(shù)隔振樁隔振插入損失　dB

從表2可以看出，1排樁的隔振效果不明顯，3排樁和4排樁的隔振效果相當(dāng)，說明隔振效果并不是隨著隔振樁排數(shù)的增加而無限增加。對于類似本試驗場地典型的地質(zhì)情況，設(shè)置3排樁隔離鐵路環(huán)境振動是合理的。

2.5頻譜分析

當(dāng)列車以速度v通過時，由于其軸重荷載的規(guī)則性排列，會對線路產(chǎn)生周期性的動力作用，列車對線路的豎向加載頻率主要取決于列車速度v和轉(zhuǎn)向架軸距、軌枕間距、車距d等。其通過頻率為v/(3.6d)。通過快速傅里葉變換FFT譜(見圖7、圖8)可以看出，V2和V3測點處的主要振動頻率集中于10～60 Hz，其中，在轉(zhuǎn)向架軸距通過頻率(12.5 Hz)振動加速度有一明顯峰值。排樁隔振屏障對＞16 Hz頻率的振動有較好的屏蔽作用，對12.5 Hz以下的振動隔振效果不明顯。

圖7　排樁設(shè)置前后V2測點處振動加速度傅里葉譜對比

圖8　排樁設(shè)置前后V3測點處振動加速度傅里葉譜對比

采取排樁隔振屏障后，轉(zhuǎn)向架軸距通過頻率對應(yīng)的振動加速度沒有得到有效衰減?？紤]到試驗場地波速介于150～220 m/s，轉(zhuǎn)向架軸荷載加載頻率對應(yīng)地面振動波波長為12～17.6 m，因此，如果不考慮各層土的相互作用，隔振樁的深度要至少大于振動波一個波長，方能有效減小移動軸荷載的影響。

圖9和圖10給出了排樁設(shè)置前后V2和V3測點處列車通過時段Z振級的1/3倍頻程譜的變化情況。

圖9　排樁設(shè)置前后V2測點處Z振級的1/3倍頻程譜對比

圖10　排樁設(shè)置前后V3測點處Z振級的1/3倍頻程譜對比

由圖9和圖10可見，采取隔振樁屏障以后，4 Hz以下的振動能量衰減很小，4～12.5 Hz的振動能量有一定衰減，12.5～50 Hz的中高頻振動衰減明顯。對于50 Hz以上的振動成分，沒有有效衰減，這可能是由于樁的頂面覆土和樁間隙的原因，高頻成分直接透射，且此頻域范圍不提供主要振動能量，對總的隔振效果影響不大。在各個頻段，35 m處測點的隔振效果明顯優(yōu)于40 m處的隔振效果。采取隔振樁屏障后，振動主要能量集中于10～20 Hz。

3　結(jié)論

1)試驗數(shù)據(jù)表明，排樁隔振實施后，對列車產(chǎn)生的環(huán)境振動具有一定的隔振效果，最大隔振效率可達(dá)0.34～0.42。

2)排樁的隔振效果并不會隨著排樁排數(shù)的增加而無限增加，3排樁和4排樁的隔振效果相當(dāng)，對于類似本試驗場地典型的地質(zhì)情況，設(shè)置3排樁隔離鐵路環(huán)境振動是合理的。

3)振動加速度傅里葉譜分析表明，移動軸荷載作用產(chǎn)生的振動是環(huán)境振動的主要頻率成分，由于其頻率較低，對應(yīng)的環(huán)境振動波長接近或大于隔振排樁的長度，此時隔振排樁不能有效降低移動軸荷載周期作用的影響。若要取得理想的低頻隔振效果，排樁深度要大于移動軸荷載作用下所產(chǎn)生振動波的長度。

4)Z振級的1/3倍頻程譜分析表明，采取隔振樁屏障以后，4 Hz以下的振動能量衰減很小，4～12.5 Hz的振動能量有一定衰減，12.5～50 Hz的中高頻振動衰減最為明顯。采取隔振樁屏障后，環(huán)境振動主要能量集中于10～20 Hz。

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(責(zé)任審編周彥彥)

Field Measurement and Analysis on Vibration Isolation Effects of Multi-rows of Piles for Railway Engineering

SUN Chenglong1，2，GAO Liang2

(1.Energy Saving＆Environmental Protection＆Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Abstract:Using the multi-rows of piles as vibration isolation barriers to isolate the vibration generated by train operation is one of the effective measures to control railway environmental vibration.Combining with engineering project of multi-rows of piles for vibration isolation，the vibration isolation effects of the multi-rows of piles at different distances from the railway were measured，the vibration isolation efficiency and vibration isolation characteristic were analyzed，and the influence of pile row number on the vibration damping effects was measured and discussed.T he results could provide a reference for the railway environmental vibration isolation control and management engineering with multi-rows of piles as vibration isolation barriers.

Key words:Railway;M ulti-rows of piles;Vibration isolation barrier;Vibration isolation effects;Field measurement

作者簡介:孫成龍(1976—)，男，副研究員，博士。

基金項目:中國鐵道科學(xué)研究院基金(1351HW0305)

收稿日期:2015-11-07;修回日期:2016-01-12

文章編號:1003-1995(2016)03-0163-05

中圖分類號:TU112.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.39