軌道交通路基段減隔振屏障的模型試驗(yàn)研究

陳洪運(yùn)

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司軌道交通勘察設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室，天津　300251)

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軌道交通路基段減隔振屏障的模型試驗(yàn)研究

陳洪運(yùn)1，2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司軌道交通勘察設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室，天津300251)

摘要：為了研究不同因素對(duì)屏障減隔振效果的影響，通過模型試驗(yàn)得到300 Hz內(nèi)10 Hz整數(shù)倍的不同頻率簡(jiǎn)諧荷載引起的振動(dòng)波在地表的傳播衰減規(guī)律，并對(duì)比分析無屏障及鋼筋混凝土板、泡沫塑料板、非連續(xù)空井排、連續(xù)空井排、不同排距排樁、不同排數(shù)排樁等不同減隔振屏障措施的減隔振效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼筋混凝土板屏障的減隔振效果最好；非連續(xù)空井排屏障與排樁屏障的減隔振效果無明顯差異；當(dāng)樁距固定為1.5倍樁徑，調(diào)整排距至2.5倍樁徑時(shí)，排樁屏障的減隔振效果最佳；排數(shù)越多，排樁屏障的減隔振效果越好；在各類減隔振屏障后均存在一定范圍的振動(dòng)隔離區(qū)，在振動(dòng)隔離區(qū)范圍外，屏障的減隔振效果消失。

關(guān)鍵詞：軌道交通；模型試驗(yàn)；簡(jiǎn)諧荷載；減隔振屏障；傳播衰減規(guī)律

1概述

軌道交通因其具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，使得大量軌道交通線路在我國(guó)建設(shè)運(yùn)營(yíng)。但是，與此同時(shí)，軌道交通引起的周邊環(huán)境振動(dòng)問題也日益突出。振動(dòng)被認(rèn)定為七大環(huán)境公害之一，頻繁急劇的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響人們的身心健康，干擾正常的工作生產(chǎn)，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)物的損壞[1]。減隔振屏障是一種在振動(dòng)傳播路徑過程中起減隔振作用的工程措施，因其施工不影響既有線路的正常運(yùn)營(yíng)，故尤其適用于大量既有線路引起周邊環(huán)境振動(dòng)的治理。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量研究，但現(xiàn)階段的研究成果還主要集中在對(duì)軌道交通振動(dòng)特性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析[2-5]，借助數(shù)值仿真軟件分析各類減隔振屏障的減隔振效果[6-9]，而對(duì)減隔振屏障在實(shí)際工程應(yīng)用中的研究還比較缺乏，造成這一現(xiàn)象的主要原因是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的消耗極大，較難開展。相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，模型試驗(yàn)則更為簡(jiǎn)便易行，通過較少的投入，也可獲得一些有用的成果。鑒于此，本文參考已有研究成果[10-12]，結(jié)合自身具備的試驗(yàn)設(shè)備條件，制定模型試驗(yàn)方案，對(duì)比分析不同型式減隔振屏障的減隔振效果，方便進(jìn)行各類減隔振屏障的前期優(yōu)選。

2試驗(yàn)方法

2.1模型槽施作

試驗(yàn)場(chǎng)地位于天津市西青區(qū)，模型槽尺寸為5 m×3 m×1.5 m。為使試驗(yàn)槽土質(zhì)均勻、試驗(yàn)機(jī)制可控，挖出試驗(yàn)槽內(nèi)原有雜填土后，將模型槽底部及周邊整平，并鋪設(shè)防水塑料布，將挖出的原狀土過1 cm網(wǎng)篩，與粉砂1∶1拌和回填，每回填15 cm分層夯實(shí)。

2.2試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括激振系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分。

激振系統(tǒng)中的信號(hào)發(fā)生器采用南京盛普儀器科技有限公司生產(chǎn)的SPF05型DDS數(shù)字合成函數(shù)/任意波信號(hào)發(fā)生器，HEA-500G型功率放大器與HEV-500型高能電動(dòng)式激振器均由南京航空航天大學(xué)振動(dòng)工程研究所與南京佛能科技實(shí)業(yè)有限公司聯(lián)合生產(chǎn)。

不同軌道交通區(qū)段在運(yùn)營(yíng)期間引起的振動(dòng)向周邊環(huán)境輻射的路徑不同，橋梁段的振源除位于地表的墩臺(tái)外，還有部分位于地下的樁體，隧道段的振源主要位于地下與山體內(nèi)，而路基段的振源僅位于地表，故本試驗(yàn)將激振器系統(tǒng)置于地面，使振動(dòng)荷載直接作用于地表，施加荷載頻率為300 Hz范圍內(nèi)、10 Hz的整數(shù)倍，即依次施加10、20、30 Hz……300 Hz等不同頻率的簡(jiǎn)諧荷載。

激振系統(tǒng)運(yùn)作模式：信號(hào)發(fā)生器生成不同頻率的簡(jiǎn)諧波，將該簡(jiǎn)諧波信號(hào)經(jīng)功率放大器發(fā)送至激振器，使激振器動(dòng)圈發(fā)出指定頻率、波形、幅值的振動(dòng)。另外，通過橡皮繩與金屬?gòu)椈蓪⒓ふ衿髋c支架進(jìn)行彈性連接，通過焊接在一起的連接桿與方形鋼板基礎(chǔ)將激振器動(dòng)圈發(fā)出的簡(jiǎn)諧荷載傳至地面，從而將激振系統(tǒng)彈性地固定于地面，如圖1所示。

圖1　激振器系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的加速度傳感器采用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CA-YD-189型壓電式加速度傳感器(靈敏度100 mV/m·s-2，頻率范圍0.2～1 000 Hz，最大允許加速度50 m·s-2，質(zhì)量110 g)，信號(hào)調(diào)理儀與數(shù)據(jù)采集箱包含于南京安正軟件工程有限責(zé)任公司的振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)中，包括8通道AZ808-A信號(hào)調(diào)理儀與16通道AZ316 USB口數(shù)據(jù)采集箱。振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采樣頻率為2 560 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)25.6 s。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)作模式：將加速度計(jì)布設(shè)于試驗(yàn)槽地表指定測(cè)點(diǎn)位置處，監(jiān)測(cè)該點(diǎn)位的振動(dòng)信號(hào)，將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理儀進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再傳遞至數(shù)據(jù)采集箱，借由USB接口將數(shù)據(jù)采集箱與電腦聯(lián)結(jié)，通過電腦中的“CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)”將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

單排屏障時(shí)試驗(yàn)儀器尺寸規(guī)格及布置如圖2所示，多排屏障時(shí)會(huì)根據(jù)屏障的排數(shù)調(diào)整測(cè)點(diǎn)在中軸線上的位置，振源中心(激振器連接桿)距最近一排屏障中心線0.9 m。

圖2　測(cè)點(diǎn)布置平面示意(單位：cm)

2.3試驗(yàn)工況

為對(duì)比研究不同減隔振屏障的減隔振效果，分別施作了無屏障與泡沫塑料板、混凝土板、連續(xù)空井排、非連續(xù)空井排、排樁等減隔振屏障的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，各試?yàn)?zāi)Ｐ偷木唧w施作方式如下。

(1)無屏障：在未施作屏障的情況下，沿中軸線測(cè)試振動(dòng)加速度的傳播衰減規(guī)律，方便與施作屏障時(shí)的振動(dòng)加速度傳播衰減規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，分析屏障的減隔振效果。

(2)泡沫塑料板：選用尺寸為10 cm×180 cm×90 cm的泡沫塑料板，將圖2中所示屏障位置周邊的土體挖開，將泡沫塑料板放入挖開的坑中，逐層夯實(shí)回填屏障周邊土體，最后形成1道寬180 cm、深90 cm、厚10 cm的泡沫塑料板屏障。

(3)混凝土板：選用預(yù)制的鋼筋混凝土板，其尺寸規(guī)格及施作過程與泡沫塑料板一樣。

(4)連續(xù)空井排[13]：選用外徑10 cm、長(zhǎng)90 cm的鋼絲軟管18根，在屏障位置處挖好的坑中單排密布，形成1道寬180 cm、深90 cm的連續(xù)空井排。因鋼絲軟管在土體回填過程中不容易維持整齊、直立，故在土體回填過程中要一邊回填夯實(shí)，一邊調(diào)整鋼絲軟管的位置與形態(tài)。

(5)非連續(xù)空井排[14]：參考連續(xù)空井排的施作流程，將鋼絲軟管按一定間隔布置2排，第1排的位置如圖 2所示，第2排按指定排距向遠(yuǎn)離振源的方向布置。管間距離參考《隔振設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，設(shè)置管距為管徑的1.5倍，排距為管徑的2.5倍，排間交錯(cuò)布置，整體形成寬180 cm、深90 cm的非連續(xù)空井排屏障。

(6)排樁：制備好若干尺寸為10 cm×10 cm×90 cm的鋼筋混凝土方樁，施作2組模型：①樁距恒定為1.5倍樁徑，排距分別為1.5、2、2.5倍(布置間隔同非連續(xù)空井排)、3倍的樁徑；②設(shè)置樁距與排距均為2倍樁徑，分別布置1、2、3排屏障。施作流程同非連續(xù)空井排，排間交錯(cuò)布置，整體形成寬180 cm、深90 cm的排樁屏障。

3試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)測(cè)得的不同頻率簡(jiǎn)諧荷載作用下的不同測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)，在頻域數(shù)據(jù)中讀取激振荷載頻率對(duì)應(yīng)的加速度幅值。

由于所用設(shè)備沒有對(duì)輸出功率精確定量控制的途徑，另外方形鋼板基礎(chǔ)下土體在反復(fù)激振荷載作用下，會(huì)出現(xiàn)土體與方形鋼板基礎(chǔ)接觸不緊密、甚至脫離的情況，使得實(shí)際作用于土體上的振源荷載大小難以控制，并且也難以準(zhǔn)確獲得其實(shí)際的荷載大小，故對(duì)前面獲得的各測(cè)點(diǎn)加速度頻域數(shù)據(jù)中振源頻率對(duì)應(yīng)的加速度幅值作歸一化處理，將各測(cè)點(diǎn)振源頻率對(duì)應(yīng)的加速度幅值均除以圖2中2號(hào)測(cè)點(diǎn)振源頻率對(duì)應(yīng)的加速度幅值。

將同一測(cè)點(diǎn)在不同激振荷載頻率下的加速度幅值取平均值，用各測(cè)點(diǎn)的加速度平均值繪制各類屏障作用時(shí)的振動(dòng)傳播衰減曲線，對(duì)比分析不同屏障針對(duì)地表振幅的減隔振效果以及減隔振特點(diǎn)。

綜上所述，本文所給出的各類工況下振動(dòng)傳播衰減規(guī)律的最終結(jié)果是對(duì)試驗(yàn)槽內(nèi)地表各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度的幅值進(jìn)行歸一化處理以后、在300 Hz頻段內(nèi)的一個(gè)綜合效果。另外，實(shí)測(cè)試驗(yàn)槽波速v約為100 m/s，當(dāng)頻率f=300 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ=v/f=0.33 m，約為屏障深度的1/3，因此試驗(yàn)中的300 Hz頻段內(nèi)對(duì)應(yīng)的是實(shí)際工程中波長(zhǎng)大于1/3屏障深度的情況。

3.1不同材質(zhì)連續(xù)屏障

通過對(duì)比無屏障及泡沫塑料板、連續(xù)空井排、混凝土板等連續(xù)屏障措施時(shí)的振動(dòng)加速度傳播衰減規(guī)律，分析不同材質(zhì)對(duì)連續(xù)減隔振屏障減隔振效果的影響。

如圖3所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土板的隔振效果最好，連續(xù)空井排次之，泡沫塑料板無明顯減隔振效果。分析其原因，泡沫塑料板為軟質(zhì)材料，對(duì)高頻隔振效果較好，而對(duì)低頻的隔振效果較差，但是高頻隨距離衰減快，低頻隨距離衰減慢，屏障前的振動(dòng)以低頻為主，故而泡沫塑料板的效果不明顯。

圖3　連續(xù)屏障的振動(dòng)傳播衰減規(guī)律

有減隔振效果的屏障措施實(shí)施后，在屏障后一定距離范圍內(nèi)會(huì)形成了一個(gè)振動(dòng)隔離區(qū)，隔離區(qū)內(nèi)的振動(dòng)加速度幅值相對(duì)于沒有施加減隔振屏障時(shí)有明顯的減小，并且在振動(dòng)隔離區(qū)內(nèi)振動(dòng)加速度幅值隨距離衰減的趨勢(shì)不明顯；而在振動(dòng)隔離區(qū)范圍外，屏障的減隔振效果消失，振動(dòng)加速度的幅值大小和傳播衰減規(guī)律與無屏障時(shí)基本一致。

3.2不同材質(zhì)非連續(xù)屏障

參考《隔振設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]建議的樁距(1.5倍樁徑)與排距(2.5倍樁徑)布置2排鋼絲軟管與鋼筋混凝土方樁，形成非連續(xù)空井排屏障與排樁屏障。通過對(duì)比無屏障及非連續(xù)空井排屏障、排樁屏障等非連續(xù)屏障措施時(shí)的振動(dòng)加速度傳播衰減規(guī)律，分析不同材質(zhì)對(duì)非連續(xù)減隔振屏障減隔振效果的影響。

如圖4所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，按規(guī)范建議的樁距與排距布置鋼絲軟管和混凝土方樁形成的非連續(xù)空井排屏障與排樁屏障的減隔振效果無明顯差異，并且在離開振動(dòng)隔離區(qū)后，歸一化加速度幅值及傳播衰減規(guī)律就與無屏障措施時(shí)基本一致了。

圖4　不同材質(zhì)非連續(xù)屏障的振動(dòng)傳播衰減規(guī)律

3.3不同布置形式空井屏障

通過對(duì)比無屏障及連續(xù)空井排、非連續(xù)空井排等空井屏障措施時(shí)的振動(dòng)加速度傳播衰減規(guī)律，分析不同布置形式對(duì)空井排減隔振屏障減隔振效果的影響。

如圖5所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，緊鄰非連續(xù)空井排第2排屏障后的測(cè)點(diǎn)與連續(xù)空井排對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的歸一化加速度幅值相差不大；但距離屏障稍遠(yuǎn)處，非連續(xù)空井排的隔振效果要優(yōu)于連續(xù)空井排；更遠(yuǎn)處，離開振動(dòng)隔離區(qū)后，兩者的歸一化加速度幅值無屏障時(shí)基本一致，沒有顯示出明顯的減隔振效果。

圖5　不同布置形式空井排屏障的振動(dòng)傳播衰減規(guī)律

3.4不同布置形式混凝土屏障

通過對(duì)比無屏障及排樁屏障(2排，樁距為樁徑的1.5倍，排距為樁徑的2.5倍)、混凝土板屏障等鋼筋混凝土屏障措施時(shí)的振動(dòng)加速度傳播衰減規(guī)律，分析不同布置形式對(duì)鋼筋混凝土減隔振屏障減隔振效果的影響。

如圖6所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土板屏障的隔振效果要略優(yōu)于排樁，混凝土板屏障后的歸一化加速度值在振動(dòng)隔離區(qū)范圍內(nèi)始終小于排樁屏障，遠(yuǎn)離振動(dòng)隔離區(qū)后即都與無屏障時(shí)的歸一化加速度重合。

圖6　不同布置形式混凝土屏障的振動(dòng)傳播衰減規(guī)律

3.5不同排間距排樁屏障

設(shè)置2排方樁屏障，樁距恒定為1.5倍樁徑，排距分別為1.5、2、2.5倍、3倍樁徑，對(duì)比無屏障及不同排距的排樁屏障造成的地表振動(dòng)加速度傳播衰減規(guī)律，分析不同排距對(duì)排樁屏障減隔振效果的影響。

如圖7所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，不同排距的排樁屏障的減隔振效果并不是與排距的大小呈單調(diào)遞變關(guān)系，而是存在一個(gè)最優(yōu)值，本次試驗(yàn)顯示的這個(gè)排距最優(yōu)值即為規(guī)范建議的2.5倍樁徑。在該排距排樁屏障后的振動(dòng)隔離區(qū)范圍內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的歸一化加速度均低于其他排距的排樁屏障。

圖7　不同排間距排樁屏障的振動(dòng)傳播衰減規(guī)律

3.6不同排數(shù)排樁屏障

方樁的樁距與排距均設(shè)置為2倍樁徑，分別施作1排、2排、3排方樁屏障，對(duì)比無屏障及不同排數(shù)的排樁屏障造成的地表振動(dòng)加速度傳播衰減規(guī)律，分析不同排數(shù)對(duì)排樁屏障減隔振效果的影響。

如圖8所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，排數(shù)越多，靠近屏障處的振動(dòng)隔離區(qū)范圍內(nèi)的減隔振效果越好，并且振動(dòng)隔離區(qū)的范圍隨最后一排屏障的位置逐步向外推進(jìn)，而振動(dòng)隔離區(qū)范圍外的歸一化加速度與無屏障時(shí)基本一致，沒有明顯的減隔振效果。

圖8　不同排數(shù)排樁屏障的振動(dòng)傳播衰減規(guī)律

4結(jié)論

通過構(gòu)建不同減隔振屏障的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)比了無屏障及各類減隔振屏障實(shí)施造成的試驗(yàn)槽地表振動(dòng)傳播衰減規(guī)律，分析了不同因素對(duì)屏障減隔振效果的影響，得出主要結(jié)論如下。

(1)對(duì)于連續(xù)減隔振屏障，不同材質(zhì)的減隔振效果依次為：鋼筋混凝土板>鋼絲軟管排>泡沫塑料板。

(2)對(duì)于非連續(xù)減隔振屏障，不同材質(zhì)(鋼絲軟管、鋼筋混凝土方樁)的減隔振效果相差不大。

(3)對(duì)于以鋼絲軟管作材質(zhì)的減隔振屏障，非連續(xù)布置(2排，管距為管徑的1.5倍，排距為管徑的2.5倍)時(shí)的減隔振效果要優(yōu)于單排連續(xù)密布時(shí)的減隔振效果。

(4)對(duì)于以鋼筋混凝土作材質(zhì)的減隔振屏障，單塊鋼筋混凝土板屏障的減隔振效果要優(yōu)于多根鋼筋混凝土方樁非連續(xù)布置(2排，樁距為樁徑的1.5倍，排距為樁徑的2.5倍)時(shí)的減隔振效果。

(5)對(duì)于不同排間距(1.5～3倍樁徑)的方樁屏障，當(dāng)樁距恒定為1.5倍樁徑時(shí)，調(diào)整排距至2.5倍樁徑時(shí)，排樁屏障的減隔振效果最佳。

(6)對(duì)于不同排數(shù)(1～3排)的方樁屏障，排數(shù)越多，最后一排屏障后的減隔振效果越好。

(7)減隔振屏障后存在一定范圍的振動(dòng)隔離區(qū)，即在該范圍內(nèi)有明顯的減隔振效果，而在振動(dòng)隔離區(qū)范圍外，屏障的減隔振效果消失。

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收稿日期：2016-01-29； 修回日期：2016-02-22

基金項(xiàng)目：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技開發(fā)課題(721405)

作者簡(jiǎn)介：陳洪運(yùn)(1984—)，男，工程師，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué) 巖土工程專業(yè)，工學(xué)博士，E-mail：278709407@qq.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)06-0177-05

中圖分類號(hào)：TU435

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.037

Model Test Investigation on Vibration Isolation Barriers Applied to Subgrade of Rail Transit

CHEN Hong-yun1，2

(1.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China; 2.Engineering Laboratory of Rail Traffic Survey and Design，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

Abstract：In order to study the effect of different factors on the function of vibration isolation barriers，model test is performed to obtain the transmission and attenuation rules of the vibration wave on the ground caused by harmonic loads of different frequencies with integral multiples of 10 Hz within 300 Hz. The functions of some vibration isolation barriers are compared and analyzed in the cases of barrier-free，reinforced concrete slab，foam plastic slab，discontinuous row wells，continuous row wells，row piles with different row spacing and different rows. The results show that reinforced concrete slab barrier works best. The functions of the discontinuous row wells barrier and row piles barrier are much the same. If the pile spacing is 1.5 times of the pile diameter and the row spacing is 2.5 times of the pile diameter.，row piles barrier work best，The more the rows of pile，the better effect of the row pile. There is vibration isolation zone behind each kind of barrier，and the barrier loses its function out of the zone．

Key words：Rail transit; Model test; Harmonic load; Vibration isolation barrier; Transmission and attenuation rule