軌道交通單排非連續(xù)隔振屏障隔振效果模型試驗研究

劉晶磊， 馮桂帥， 王建華， 劉桓， 趙 敏, 仉 健(. 河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室， 河北 張家口 075000；2. 河北建筑工程學(xué)院， 河北 張家口 075000； . 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 00072)

近年來，軌道交通以其便捷高效、大運量、低能耗的突出優(yōu)勢在國家交通運輸系統(tǒng)中異軍突起，得到了迅速的發(fā)展，對國民經(jīng)濟的增長做出了突出的貢獻，極大地便利了人民群眾的生產(chǎn)和生活。然而，由其產(chǎn)生的振動問題也在日益顯著的影響著人們的正常生活秩序，從而受到了各方的廣泛關(guān)注[1-3]。針對上述振動公害問題，國內(nèi)外學(xué)者做了深入的調(diào)查研究，獲得了許多重要的研究成果。目前，多數(shù)研究使用的方法大多集中在數(shù)值計算、有限元數(shù)值仿真、現(xiàn)場實測及試驗三個方面上。馮青松等[4-7]針對振動響應(yīng)問題，進行了數(shù)值計算方法方面的研究，提出了一系列適用于振動響應(yīng)的理論計算模型，并結(jié)合現(xiàn)場實測驗證了模型的可靠性。張鵬飛等[8-11]運用有限元分析軟件，從數(shù)值仿真的角度，分析了在不同條件下土體以及沿線建筑物的動力響應(yīng)問題，并且將軌道交通一些常用的隔振方法納入數(shù)值仿真方法研究范圍之內(nèi)，對各種隔振方法的隔振效果做出了評價。馮桂帥等[12-15]開展了相關(guān)試驗研究，包括現(xiàn)場試驗和模型試驗，分析了如減振扣件、空溝、填充溝、排樁等典型隔振屏障的隔振效果，得出了一些有益于工程實踐的研究成果。

以上研究成果從不同方面研究了振動的響應(yīng)特性以及常見隔振屏障的隔振機理和效果，提出了相應(yīng)的理論及與工程實踐契合度較高的試驗結(jié)論。但是多數(shù)研究只是把研究目標(biāo)鎖定在某一種隔振屏障或某種特定工況的理論研究上，缺乏針對某一類隔振屏障的綜合研究分析。本文通過進行縮尺比例為1:15的室內(nèi)模型試驗，對幾種典型的非連續(xù)隔振屏障以及混凝土空心樁進行了綜合對比分析，比較了幾種典型非連續(xù)隔振屏障的隔振效果，進一步對混凝土空心樁的隔振效果及其影響因素進行了研究。

1 隔振機理

軌道交通振動公害的產(chǎn)生主要是由于列車運行過程中軌道不平順以及軌道接縫的存在等。振動主要以表面波的形式進行傳播，而在土體內(nèi)部則主要是體波。線路與建筑物之間設(shè)置屏障隔振，可以阻斷振動波傳播路徑，從而起到隔振作用。振動波受到屏障的阻隔，并不會完全被隔斷，仍會有部分振動波以某些方式傳播到屏障后方區(qū)域。屏障隔振性能的優(yōu)劣就是以傳播到屏障后方能量的大小決定的，傳播到屏障后方的振動能量越少，隔振屏障的隔振性能相應(yīng)就越好。

振動波穿越隔振屏障的方式主要有：繞射、透射和散射三種。相應(yīng)的，隔振屏障之后區(qū)域內(nèi)存在三種不同成因的振動波，如圖1所示。

(1) 繞射波：振動波在土體內(nèi)部向下傳播時有一定的傳播深度，當(dāng)隔振屏障長度小于該深度時，就會產(chǎn)生繞射現(xiàn)象。繞射波能量的大小取決于屏障深度、位置、大地參數(shù)及振動波頻率。

(2) 透射波：當(dāng)波傳播到屏障表面時，大部分能量被反射回去，少部分能量透過屏障，完成“土-屏障-土”的透射過程，產(chǎn)生透射波。透射波能量主要取決于屏障材料屬性以及屏障結(jié)構(gòu)布置形式。

(3) 散射波：散射波僅存在于非連續(xù)屏障隔振時，振動波從非連續(xù)屏障間隔處傳播，散射波能量主要取決于樁間距的大小。

本文研究內(nèi)容主要針對非連續(xù)隔振屏障展開。

2 試驗概況

開展試驗所使用的鋼制模型試驗箱尺寸為2 m×1.5 m×1.5 m(長×寬×高)。試驗箱內(nèi)填裝粒徑小于5 mm的粉質(zhì)黏土，含水率控制在9%～10%，密度控制在1 800 kg/m3～1 900 kg/m3，土體分層夯實。5 cm厚擠塑式聚苯乙烯板緊密貼合在箱體底部及內(nèi)壁四周，以防振動波在鋼制箱體表面產(chǎn)生反射對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。試驗所采用的主要儀器設(shè)備是一套WS-Z30型振動臺控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集控制儀、信號發(fā)生器、激振器、信號放大器、加速度傳感器等，其中加速度傳感器質(zhì)量28.5 g，靈敏度為4 PC/ms-2，頻率響應(yīng)為0.2～8 000 Hz，測量范圍為50 m/s2，部分試驗設(shè)備如圖2所示。

(a) 立面圖

(b) 平面圖圖1 隔振機理Fig.1 Mechanism of vibration isolation

圖2 試驗設(shè)備詳圖Fig.2 The details of experimental installations

試驗場地布置情況如圖3所示。激振器布置在試驗箱長軸中心線一側(cè)土體表面，主要作用是充當(dāng)振源，模擬列車通過所產(chǎn)生的振動。用于布設(shè)單排隔振屏障的預(yù)定孔/樁位布設(shè)于1#、2#傳感器之間，平行于試驗箱短軸方向布置，間距10 cm，數(shù)量5個。試驗用加速度傳感器共7個，其中1#～5#傳感器用于采集土體表面豎向加速度，順次排列在激振器后方試驗箱長軸中心線上，1#傳感器布設(shè)于隔振屏障與振源之間，2#～5#傳感器布設(shè)于隔振屏障后方；6#～7#傳感器分別布置在隔振屏障后方試驗箱體相鄰兩側(cè)外壁之上，用于檢測試驗箱體振動情況，考察試驗所采集數(shù)據(jù)的有效性。

圖3 試驗場地布置圖Fig.3 The layout of the test site

相似理論要求模型試驗要能夠體現(xiàn)實際工程的工程特點[16]，實測顯示軌道交通附近地面振動主要是100 Hz左右頻率振動的貢獻，主頻約為60 Hz[17]，基于此，選定頻率為30 Hz、60 Hz及120 Hz三種頻率進行試驗，采樣頻率為5 000 次/s，時間為10 s，試驗過程中，電荷放大器數(shù)值始終保持一致。文中試驗并分析的非連續(xù)隔振屏障共有四種，具體參數(shù)如表1所示。

表1 各隔振屏障參數(shù)明細表Tab.1 The parameter list of the vibration isolation barriers

3 評價指標(biāo)

參照《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[18](GB 10071—1988)，土體振動特性采用振動加速度級VAL來表示，由式(1)計算

(1)

式中：a為振動加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631中給出了計算振動加速度有效值的方法[19]，按式(2)計算

(2)

式中：T為時段長；a為某時刻加速度值，對于振幅為A的單一正弦波來說，加速度有效值用式(3)計算

(3)

4 結(jié)果分析

4.1 自由地基振動特性分析

自由地基是指未進行任何隔振處理的天然地基，主要用于評價各隔振屏障隔振效果的優(yōu)劣。同時，基于自由地基的條件，對振動波在土體中的傳播規(guī)律給出宏觀描述。進行自由地基激振試驗時所采用的場地布置形式，如圖4所示。

圖4 自由地基試驗場地布置Fig.4 The site layout of the experiment scheme in free filed

以60 Hz條件下6#加速度傳感器時程曲線為例，研究試驗箱體在整個試驗過程中的振動情況，如圖5所示。圖5表明，鋼制箱體振動幾乎為零，擠塑式聚苯乙烯板有效吸收了了傳到土體邊界的振動波能量，可以認為試驗箱邊界對試驗的影響幾乎不存在。

圖5 試驗箱體振動情況Fig.5 Vibration performance of the test box

激振器后土體表面各測點處地表振級如表2所示，繪于圖6中。結(jié)合圖6分析表2：隨著與振源之間距離的增加，地表振級呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，這與能量擴散過程中能量密度的減小以及波在傳播過程中土體本身材料阻尼的存在有關(guān)[20]。另外，各點處加速度振級隨激振頻率的增加同樣表現(xiàn)出下降的趨勢，激振頻率越高土體各測點處振動加速度級越小，這說明高頻振動在土體中傳播較少，而低頻振動在土體中則較為活躍。

圖6 地表振級圖Fig.6 The picture of vibration levels of ground surface

表2自由地基試驗下的地表振級

Tab.2ThegroundsurfacevibrationlevelsundertheconditionoffreefileddB

4.2 不同類型非連續(xù)隔振屏障隔振效果分析

空井、PVC空井、實心樁以及空心樁是工程中常見的非連續(xù)隔振屏障。本文將如表3所示的4種試驗工況分別與自由地基在不同激振頻率下的激振試驗相比較，對上述4種非連續(xù)隔振屏障隔振性能的優(yōu)劣進行了客觀評價。各工況下隔振屏障的具體布置形式見圖7。

表3 工況明細表Tab.3 The list of experimental conditions

上述四種工況與自由地基激振試驗在不同激振頻率下的地表振級如表4所示。值得注意的是：隔振屏障之前1#加速度傳感器所在測點處，當(dāng)有隔振屏障存在時，不論何種頻率及屏障類型，與自由地基振動試驗相比，該處地表振級均有不同程度的提高，提高程度在0.05～3.13 dB。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于隔振屏障對振動波的反射而形成的反射波與同頻率的入射波產(chǎn)生疊加造成的。該現(xiàn)象不利于工程隔振，隔振屏障若布置在緊鄰路基處，由此產(chǎn)生的振動會對路基本體產(chǎn)生一定影響，長期作用下可能威脅到行車安全。因此，實際工程中進行主動隔振時，隔振屏障的位置不宜與路基本體相距太近。

圖7 試驗方案對比Fig.7 Comparison between experiment schemes

位于隔振屏障之后的4個測點處不同屏障不同激振頻率下的地表振級如圖8所示。分析圖8，四種隔振屏障對比自由地基激振試驗，地表振級均有減小，衰減幅度在0.83～6.49 dB，上述四種隔振屏障均表現(xiàn)出明顯的隔振效果。綜合考察上述4種非連續(xù)隔振屏障，混凝土樁隔振效果整體上強于隔振井，PVC空井與空井的隔振效果相差不大，地表振級平均相差0.42 dB。在考慮安全性的基礎(chǔ)上，PVC空井相比空井而言更具優(yōu)勢，工程中空井在施工及后續(xù)養(yǎng)護過程中會產(chǎn)生較大的安全風(fēng)險。因此，實際工程中可考慮推廣使用PVC空井，造價低廉、施工方便且安全性更高。另外，比較混凝土實心樁和空心樁，實心樁的隔振效果優(yōu)于空心樁，地表振級平均相差1.10 dB左右。在滿足隔振需求，同時考慮經(jīng)濟性的條件下，空心樁節(jié)省用料、造價更低，符合施工建設(shè)的需求。綜上所述，PVC空井和空心樁這兩種非連續(xù)隔振屏障從經(jīng)濟型和安全性的角度較之空井和實心樁，更具工程推廣前景。如若考慮耐久性及強度的要求，空心樁比PVC空井強度更高、耐久性更強。因此，空心樁在上述4種非連續(xù)隔振屏障中綜合性能占優(yōu)，最具科研及推廣的前景。

4.3 影響空心樁隔振效果的因素分析

基于空心樁的工程優(yōu)勢，本文在前述研究和試驗條件下，從空心率、截面及填料三方面入手，分析了其隔振性能，獲得了一些有益的試驗規(guī)律。

4.3.1 空心率

空心率是空心樁區(qū)別于實心樁的特征參數(shù)，具有較高的研究價值。本文選用空心率為0.18及0.36的兩種空心樁與實心圓樁作對比，研究了其在不同激振頻率下的隔振性能及地表動力響應(yīng)。工況明細見表5，場地布置形式如圖9所示。

(a) 30 Hz激振時地表振級

(b) 60 Hz激振時地表振級

(c) 120 Hz激振時地表振級圖8 地表振級圖Fig.8 The picture of vibration levels of ground surface

表4不同激振頻率下的地表振級

Tab.4ThevibrationlevelsofgroundsurfaceunderdifferentexcitationfrequenciesdB

上述三種工況在不同激振頻率下的地表振級如表6所示，各隔振屏障的隔振效果見如圖10。圖表表明，隨空心率的增加，空心樁的隔振效果下降，低頻時表現(xiàn)尤為明顯。換言之，空心率越大隔振效果越差，而經(jīng)濟性則要求樁壁適當(dāng)做薄，在這點上隔振性能與經(jīng)濟性二者的要求是相悖的。因此，空心樁的設(shè)計存在一個隔振效果與經(jīng)濟性要求相平衡的優(yōu)化問題，即：如何在保證隔振效果的前提下盡量使樁壁做??？這是一個值得深入研究的問題。

表5 工況明細表Tab.5 The list of experimental conditions

圖9 試驗方案對比Fig.9 Comparison between experiment schemes

(a) 30 Hz激振時地表振級

(b) 60 Hz激振時地表振級

(c) 120 Hz激振時地表振級圖10 地表振級圖Fig.10 The picture of vibration levels of ground surface

表6不同激振頻率下的地表振級

Tab.6ThevibrationlevelsofgroundsurfaceunderdifferentexcitationfrequenciesdB

4.3.2 截面類型

為考察截面類型對空心樁隔振效果的影響，本文采用如表7所示四種空心率均為0.36的空心樁進行試驗，包含兩種常規(guī)截面(環(huán)形、回形)及兩種異形截面(外圓內(nèi)方、外方內(nèi)圓)，場地布置見圖11。

不同頻率下的地表振級如表8所示，相應(yīng)圖線見圖12，圖表表明：① 內(nèi)部形狀對隔振效果幾乎沒有影響，環(huán)形截面與外圓內(nèi)方截面相比地表振級平均相差0.48 dB，外方內(nèi)圓截面與回形截面數(shù)據(jù)同樣相差不大，僅為0.46 dB；② 考慮外部形狀，圓樁(環(huán)形、外圓內(nèi)方)的隔振性能要優(yōu)于方樁(回形、外方內(nèi)圓)，地表振級平均相差1.37 dB；③ 無論圓樁方樁，中低頻激振隔振效果比高頻顯著，同一測點處低頻激振時地表振級極差為1.11～3.17 dB，中頻為0.62～2.36 dB，高頻時僅為0.86～1.69 dB。

表7 工況明細表Tab.7 The list of experimental conditions

圖11 試驗方案對比Fig.11 Comparison between experiment schemes

(a) 30 Hz激振時地表振級

(b) 60 Hz激振時地表振級

(c) 120 Hz激振時地表振級圖12 地表振級圖Fig.12 The picture of vibration levels of ground surface

4.3.3 填充料

考慮到橡膠、泡沫塑料等阻尼材料的優(yōu)良隔振性能，將其填充到空心樁空腔內(nèi)形成的填充樁是一種特殊的非連續(xù)隔振屏障。為考察填充樁的隔振性能，本文以空心率為0.36的環(huán)形截面空心樁為基礎(chǔ)，填充散粒橡膠和散粒泡料，并控制松散體積填充率，制成橡膠顆粒填充樁和泡沫顆粒填充樁進行試驗。同時考慮到施工現(xiàn)場最易得的阻尼材料是開挖得到的原場土，在進行填充樁試驗的過程中也輔以進行了填充原場土的對比試驗，并控制填土密度為松散堆積和壓密兩種，考察填料密度對填充樁隔振性能的影響。工況明細見表9，場地布置見圖13。

各工況不同頻率下的地表振級如表10所示，不同種類填料填充樁的隔振性能見圖14。圖表顯示：① 當(dāng)隔振屏障為空心樁時，屏障之后各測點處地表振級普遍低于填充樁。不論橡膠顆粒、泡沫顆粒，還是密度不同的原場土，相比空心樁而言樁后地表鎮(zhèn)級均有所提高，這表明設(shè)置上述填料不能提高空心樁隔振性能；② 填土密度對填充樁隔振效果幾乎沒有影響，各激振頻率下松散土、壓密土填充樁的隔振性能相差不大，最大差值僅為0.36 dB；③ 綜合考察兩種內(nèi)填不同阻尼材料填充樁的隔振性能，輕質(zhì)泡沫塑料填充樁隔振性能相對較差。進一步，泡沫顆粒填充樁相較于橡膠顆粒填充樁，樁后地表振級反彈更大。另外，將各填充樁后各測點處地表振級與自由地基激振試驗相比較，填充上述3種填料的填充樁具有一定的隔振效果，但劣于空心樁。

表8不同激振頻率下的地表振級

Tab.8ThevibrationlevelsofgroundsurfaceunderdifferentexcitationfrequenciesdB

表9 工況明細表Tab.9 The list of experimental conditions

圖13 試驗方案對比Fig.13 Comparison between different experiment schemes

(a) 30 Hz激振時地表振級

(b) 60 Hz激振時地表振級

(c) 120 Hz激振時地表振級圖14 地表振級圖Fig.14 The picture of vibration levels of ground surface

表10不同激振頻率下的地表振級

Tab.10ThevibrationlevelsofgroundsurfaceunderdifferentexcitationfrequenciesdB

橡膠顆粒、泡沫塑料顆粒等阻尼材料與空心樁結(jié)合后不僅沒有提高空心樁的隔振性能，反而降低了其隔振性能。分析出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因，可能與試驗中所采用填充料的物理狀態(tài)有直接關(guān)系。由于填料是顆粒狀的，并不是一個整體，且試驗中松散填充，顆粒之間并沒有有效的接觸，當(dāng)振動波透過樁壁到達填料處時，振動能量使顆粒產(chǎn)生振動，顆粒之間、顆粒與樁壁之間相互碰撞，進而產(chǎn)生次生振動，空心樁空腔內(nèi)形成了一個新的振源，樁后地表振級提高。

因此，在本文試驗條件下，可認為：填充散體阻尼材料并不適用于提高空心樁的隔振性能，加強整體性阻尼材料的研究在填充樁隔振研究方面是一個值得探索的研究方向。另外，將原場土內(nèi)填空心樁制成填充樁，就隔振效果較空心樁而言并非良策。

5 結(jié) 論

本文通過進行縮尺比例為1∶15的室內(nèi)模型試驗，對各種非連續(xù)隔振屏障的隔振效果進行了分析，并著重對影響空心樁隔振性能的因素進行了相關(guān)研究，在本文試驗條件下，得出了一些有益于工程實踐的規(guī)律與結(jié)論：

(1) 自由地基激振試驗表明：振動波在土體表面?zhèn)鞑r，同一激振頻率下，隨著與振源距離的增大，地表振動逐漸減弱；中低頻振動在土體中傳播距離較遠，土體自身對高頻振動有一定的阻尼效果。

(2) 混凝土樁的隔振性能優(yōu)于隔振井。PVC空井與空井的隔振性能相近，工程中宜使用PVC空井取代空井，以彌補空井安全性方面的缺陷；空心樁的隔振性能雖弱于實心樁(從隔振效果而言相差約1.10 dB)，但在考慮經(jīng)濟性要求的前提下，空心樁具有更高的應(yīng)用前景和科研價值。

(3) 空心率對空心樁隔振性能的影響表現(xiàn)在：空心率越大，隔振性能越差。也就是說，薄壁空心樁的隔振性能比厚壁空心樁差。工程隔振設(shè)計時，空心樁壁厚的設(shè)計既要考慮隔振要求也要考慮經(jīng)濟性要求。

(4) 截面類型對空心樁隔振性能的影響表現(xiàn)在：圓樁(包括環(huán)形和外圓內(nèi)方)的隔振性能強于方樁(包括回形和外方內(nèi)圓)。截面形式對空心樁隔振性能的影響在外不在內(nèi)，外部形狀的影響是主要的，內(nèi)部形狀的影響是次要的。

(5) 散粒阻尼材料，尤其是松散堆積于空心樁內(nèi)部構(gòu)成組合填充樁時，不會提高空心樁的隔振性能；相比較而言，填充質(zhì)輕的散粒泡沫比填充散粒橡膠時的隔振效果略差；加強整體性阻尼材料填充樁的研究很有必要。另外，將原場土作為填料構(gòu)成的填充樁隔振性能比空心樁差，密度對于回填土填充樁的隔振性能沒有影響。

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