不同隔振屏障對鐵路環(huán)境振動的隔振效果試驗(yàn)研究

孫 軍，吳宗臻，晉 杰，閆曉春，賈顏康

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 國家鐵道試驗(yàn)中心，北京 100015；2.中國鐵道科學(xué)研究院 城市軌道交通中心，北京 100081)

隨著我國鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)行產(chǎn)生的大地振動對沿線居民的工作生活產(chǎn)生了較大影響。為了研究不同隔振措施的隔振效果，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多相關(guān)研究。高廣遠(yuǎn)等[1]從理論和實(shí)際運(yùn)用出發(fā)進(jìn)行了研究，認(rèn)為散射(透射)效應(yīng)決定了排樁的隔振效果，將排樁屏障設(shè)計(jì)成圓柱體時散射波具有方向性，有利于近場隔振。郭炳川等[2]通過設(shè)置不同的樁長、樁體材料、樁間距，利用數(shù)值方法分析了不同布置形式下的排樁隔振效果。TAKEMIYA[3]提出蜂巢樁隔振系統(tǒng)基于波傳播原理，對于頻率在3～5 Hz的激勵具有明顯的隔振效果。劉艷清[4]利用聲子晶體能夠禁止某一頻段波在其內(nèi)傳播的特性，對周期性排樁屏障進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，對一維層狀屏障采用傳遞矩陣法、二維隔振排樁采用平面波展開法進(jìn)行了理論計(jì)算。馬利衡等[5]通過滬寧城際高速鐵路現(xiàn)場實(shí)測分析得知，振動傳播過程中高頻成分迅速衰減，低頻成分衰減較慢，振動傳播至地面后，土體振動主要分布在70 Hz以內(nèi)的頻段。徐巖等[6]通過大比例試驗(yàn)，針對空溝、碎石填充溝和排樁3種隔振措施研究其隔振效果，為高鐵隔振措施提供依據(jù)。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對多排樁和蜂巢樁隔振屏障開展現(xiàn)場試驗(yàn)，研究不同隔振屏障對鐵路環(huán)境振動的隔振效果。

1 試驗(yàn)概況

國家鐵道試驗(yàn)中心的環(huán)行鐵道試驗(yàn)線大環(huán)線周長9.0 km，Ⅰ級電氣化鐵路，Ⅲ型有擋肩枕有砟軌道，Ⅱ型扣件，無縫線路，60 kg/m鋼軌，地層為黏性土。試驗(yàn)線k2—k3設(shè)置了長50 m的多排圓柱樁(簡稱多排樁)和多排蜂巢樁(簡稱蜂巢樁)隔振屏障試驗(yàn)段，其中多排樁的首排樁距線路中線23.40 m，最近的蜂巢樁距線路中線16.13 m。隔振結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段位于鐵路旁無人地段，周圍無明顯的路面交通等干擾源，但現(xiàn)場填土層較厚，已掩蓋原隔振結(jié)構(gòu)，對于隔振效果研究具有一定影響。

1.1 測試儀器

振源加速度測試采用Lance AS0123T型高精度壓電式加速度傳感器，傳感器靈敏度25.4 mV/g，量程200g，頻率范圍為0.2～11 000 Hz。場地振動測試采用LC0310型壓電式加速度傳感器，量程0.12g，頻率范圍為0.2～600 Hz。數(shù)據(jù)自動采集采用INV3018C型和INV3060V型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)處理采用DASP-V10分析系統(tǒng)。

1.2 測試斷面布置

隔振屏障現(xiàn)場測試的測試斷面共3個。①斷面1為無隔振結(jié)構(gòu)對比斷面；②斷面2為多排樁試驗(yàn)段斷面；③斷面3為蜂巢樁試驗(yàn)段斷面。

普通多排樁半徑為0.4 m，樁長為15.0 m，橫向樁間距為1.2 m，排距為3.0 m，采用4排形式布置。蜂巢樁半徑為0.3 m，樁長為15.0 m，橫向樁間距為 0.9 m，排距為0.4 m，采用樁交錯排列，組成2排邊長為3.6 m 的六邊形樁。

既有隔振結(jié)構(gòu)隔振性能測試包含振源測試和地表測試2個方面。

1)振源測試包含鋼軌、軌枕、線路坡腳3個測點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 振源測點(diǎn)布置示意

2)地表測試每斷面共5個測點(diǎn)。隔振結(jié)構(gòu)與線路之間布置1個測點(diǎn)，位置為線路路基的坡腳處。隔振結(jié)構(gòu)外部布置等間距的4個測點(diǎn)，測點(diǎn)間隔5 m。無隔振結(jié)構(gòu)的對比斷面在相同距離處布置對應(yīng)測點(diǎn)。測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 地表測點(diǎn)布置(單位：m)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 振源時域性能分析

試驗(yàn)列車為標(biāo)準(zhǔn)動車組，試驗(yàn)速度約40 km/h，測試斷面位于半徑約 1 400 m 的曲線路基地段。選取1組具有代表性的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其振源加速度時程曲線如圖3所示。

圖3 振源加速度時程曲線

由圖3可知：

1)標(biāo)準(zhǔn)動車組試驗(yàn)列車的鋼軌垂向振動加速度幅值為228.3 m/s2，軌枕垂向振動加速度幅值為28.6 m/s2，在同等條件下較其他CRH動車組振動加速度減小近10%。

2)試驗(yàn)列車的鋼軌振動加速度傳遞到軌枕后減小87.5%，說明扣件具有較強(qiáng)的減振效果。

2.2 測試斷面振動加速度頻譜分析

將無隔振屏障、多排樁、蜂巢樁3個測試斷面中地表樁前5 m、樁后1 m、樁后6 m、樁后11 m、樁后16 m測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出：

1)3個測試斷面在樁前 5 m 測點(diǎn)的測試結(jié)果接近，振動主要集中在0～80 Hz，屬于低頻振動。

圖4 不同隔振屏障下測試斷面頻譜曲線

2)無隔振屏障斷面測點(diǎn)隨著距線路越遠(yuǎn)，振動加速度越小，距線路30 m后振動頻率主要集中在10～50 Hz。

3)有隔振屏障斷面測點(diǎn)振動加速度較無隔振屏障斷面測點(diǎn)衰減快，且頻率較高部分下降較多。

4)多排樁隔振后振動頻率主要集中在10～20 Hz,垂向振動加速度為0.001～0.004 m/s2;蜂巢樁隔振后振動頻率主要集中在10 Hz附近，垂向振動加速度為 0.000 5～0.002 6 m/s2。

2.3 最大Z振級分析

GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》[7]和GB 10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[8]中規(guī)定：為評價城市區(qū)域環(huán)境振動水平，測量量為鉛垂向Z振級，采用的時間計(jì)權(quán)常數(shù)為1 s，采用的頻率計(jì)權(quán)范圍為1～80 Hz。

根據(jù)規(guī)范GB 10070—88要求，采用1 s計(jì)權(quán)，振動響應(yīng)信號可依次分為若干段。對每一段時程信號進(jìn)行1/3倍頻程分析，得到各個中心頻率對應(yīng)的分頻振級。根據(jù)下式計(jì)算可得該時段的Z振級，依次計(jì)算可得Z振級隨時間的變化過程。

式中：VLZ表示鉛垂向Z計(jì)權(quán)振級，簡稱Z振級，dB；n為頻帶數(shù)量;VLi(i=1,2,…,n)為每個頻帶的振動加速度級，dB；αi為各個頻帶的計(jì)權(quán)因子，dB，具體數(shù)值參考GB/T 13441.1—2007《機(jī)械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求》[9]，見表1。

表1 GB/T 13441.1—2007規(guī)定的Z振級的計(jì)權(quán)因子

計(jì)算時需讀取每次列車通過過程中的最大示數(shù)，稱為最大Z振級VLZmax，每個測點(diǎn)連續(xù)測量20次，取20次讀數(shù)值的算術(shù)平均值為評價量，然后與GB 10070—88中所給出的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較，以評價環(huán)境振動水平。

分別對3個斷面中各測點(diǎn)的加速度振級計(jì)算最大Z振級，結(jié)果見圖5及表2。

圖5 各斷面測點(diǎn)最大Z振級

表2 各斷面測點(diǎn)最大Z振級值 dB

從圖5和表2可以看出：

1)在無隔振屏障斷面，最大Z振級隨著距離的增加逐漸降低，符合振動衰減規(guī)律，最大Z振級為76.72 dB，滿足規(guī)范要求。

2)3個斷面在樁前5 m測點(diǎn)最大Z振級分別為76.72，77.51，79.20 dB，較為接近，表明3個測試斷面振動能量輸入水平相當(dāng)。

3)在樁后1 m處隔振屏障的隔振效果明顯，在樁后10 m處及以后隔振效果不明顯。

3 結(jié)論

通過對3個斷面進(jìn)行振動測試，并對隔振效果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1)標(biāo)準(zhǔn)動車組在既有曲線有砟路基段產(chǎn)生的振源振動加速度在同等線路條件下較其他列車產(chǎn)生的振源振動加速度小。

2)距線路中線30 m處列車產(chǎn)生的垂向Z振級均在80 dB以內(nèi)，滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求。

3)多排樁在樁后1 m處減振效果較明顯，減振量達(dá)到6.74 dB，之后振動迅速反彈，在樁后6 m處減振效果僅為2.00 dB，在樁后11，16 m處幾乎沒有減振效果。蜂巢樁在樁后1 m處有一定減振效果但不明顯，減振量僅為1.83 dB，之后振動迅速反彈，在樁后6 m處減振效果僅為0.97 dB，在樁后11，16 m處振動反而放大。分析原因?yàn)椋簶额惛粽窠Y(jié)構(gòu)依據(jù)樁深的不同有一個有效的隔振工作范圍，超出此距離，樁類隔振結(jié)構(gòu)存在振動波的繞射現(xiàn)象；同時，由于隔振結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段長度僅為50 m且測試斷面因現(xiàn)場情況并非布置在試驗(yàn)段正中間，故振動波存在從隔振屏障兩側(cè)無屏障處繞射的可能。因此在距隔振樁較遠(yuǎn)處會失去隔振效果，甚至由于在遠(yuǎn)處存在能量積聚現(xiàn)象而存在一定的放大。

4)多排樁隔振后振動頻率主要集中在10～20 Hz，蜂巢樁隔振后振動頻率在10 Hz附近。

[1]高廣遠(yuǎn)，楊先健，王貽蓀,等.排樁隔振的理論與應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1997,18(4):58-68.

[2]郭炳川，孫立強(qiáng)，閆澎旺，等.不同布置形式的排樁隔振效果的數(shù)值分析[J].地震工程學(xué)報,2014,36(3):510-515.

[3]TAKEMIYA H.Filed Vibration Mitigation by Honeycomb WIB for Pile Foundations of a High-speed Train Viaduct[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2004,24(1):69-87.

[4]劉艷青.地鐵周期性層狀隔振屏障設(shè)計(jì)與施工工藝研究[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2016：58-99.

[5]馬利衡,梁青槐,谷愛軍,等.滬寧城際高速鐵路路基段振動試驗(yàn)研究及數(shù)值分析[J].鐵道學(xué)報,2014,36(1):88-93.

[6]徐巖,張楠.不同隔振措施隔振效果的試驗(yàn)研究[J].港工技術(shù),2015,52(4):68-73.

[7]國家環(huán)境保護(hù)局.GB 10070—88 城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[8]國家環(huán)境保護(hù)局.GB 10071—88 城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[9]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 13441.1—2007 機(jī)械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.