高速鐵路路堤中WIB減隔振效果研究

陳洪運(yùn), 孫樹禮, 宋緒國(guó), 郭帥杰

(1. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 天津 300251;2. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)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)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展,人民群眾對(duì)辦公、生活環(huán)境的要求也越來越高,高速鐵路線路帶來的既有居住區(qū)、廠房、古跡等環(huán)境振動(dòng)問題愈發(fā)被人關(guān)注。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[1-3]。為有效治理環(huán)境振動(dòng),學(xué)者們對(duì)不同措施的減隔振效果進(jìn)行了大量研究?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是驗(yàn)證不同措施實(shí)際減隔振效果最有效的手段,但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所需費(fèi)用極高,相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的超大體量與高昂費(fèi)用,模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真則更為簡(jiǎn)便易行。鑒于此,一些學(xué)者開展了相關(guān)研究,但研究?jī)?nèi)容基本都是基于Woods[4]的空溝屏障參數(shù)原位試驗(yàn)開展的針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)被動(dòng)減隔振屏障措施的研究[5-7]。研究發(fā)現(xiàn)基巖上的土體振動(dòng)存在截止頻率,當(dāng)振動(dòng)荷載的頻率小于截止頻率時(shí),土體中沒有振動(dòng)波;當(dāng)振動(dòng)荷載的頻率大于截止頻率時(shí),土體中才會(huì)有振動(dòng),基于此,Schmid等[8]提出了WIB的概念,在土體中人為設(shè)置基巖進(jìn)行減隔振,可有效削弱低頻振動(dòng)。高廣運(yùn)等[9-13]圍繞WIB開展了大量研究,結(jié)果表明,在靠近振源底部的地基中設(shè)置WIB有顯著的近場(chǎng)主動(dòng)減隔振效果,通過采取增加WIB厚度、提高WIB彈性模量、減小WIB埋深等措施可以有效提高WIB的減隔振效果。不過其研究?jī)?nèi)容均是WIB位于地基中的情況,沒有對(duì)WIB在鐵路路基中常見的路堤結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。為對(duì)緊鄰振源的鐵路路堤中WIB的主動(dòng)減隔振效果進(jìn)行研究,開展了模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真分析,對(duì)比分析了WIB底面與路堤頂面垂直間距不同時(shí)的減隔振效果。

1 模型試驗(yàn)

根據(jù)自身具備的試驗(yàn)設(shè)備條件,制定了鐵路路堤中WIB近場(chǎng)主動(dòng)減隔振效果的原理性模型試驗(yàn)方案,通過共同的原理(而非相似比)建立試驗(yàn)與實(shí)際工程的聯(lián)系,不必完全按照比例復(fù)制實(shí)際結(jié)構(gòu)[14]。試驗(yàn)具體流程如下。

1.1 模型施作

模型槽位于地面以下,尺寸為長(zhǎng)5 m×寬2 m×深1.5 m,周邊場(chǎng)地空曠,地下無建筑物基礎(chǔ)。原土層為雜填土,為消除不均勻土層與大顆粒雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾,需先施作模型槽。將模型槽內(nèi)原有雜填土挖出,整平模型槽底部及周邊,鋪設(shè)防水塑料布,防止降雨等因素引起的地下水位變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響;將挖出的原狀土過1 cm網(wǎng)篩,與粉砂1:1拌合回填,每回填20 cm分層夯實(shí);模型槽周邊挖排水溝,降雨時(shí)在模型槽表面鋪設(shè)防水塑料布,防止雨水進(jìn)入模型槽內(nèi)。

在模型槽內(nèi)堆土,形成一方臺(tái)形路堤,路堤高30 cm,路堤頂面邊長(zhǎng)70 cm,底面邊長(zhǎng)120 cm(圖1)。由于路堤頂面土質(zhì)松散,傳感器無法固定,故在路堤頂面放置剛性板(本試驗(yàn)中剛性板采用厚2 cm的大理石板,邊長(zhǎng)略大于路堤頂面),可以方便地將傳感器固定在剛性板頂面。當(dāng)激振系統(tǒng)直接放置在剛性板頂面時(shí),其強(qiáng)烈且高頻的振動(dòng)容易導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn),故在剛性板與激振系統(tǒng)之間設(shè)置土墊層,可起到緩沖作用,避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

圖1 WIB近場(chǎng)主動(dòng)減隔振試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Near-field active vibration isolation test model for WIB

1.2 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)(圖2)包括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。

圖2 激振系統(tǒng)Fig.2 Excitation system

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)諧荷載傳至模型表面,從而將激振系統(tǒng)彈性地固定于模型表面。激振荷載通過土墊層和剛性板傳遞至路堤表面,施加荷載頻率為300 Hz范圍內(nèi)、5 Hz的整數(shù)倍,即依次施加5 Hz、10 Hz、15 Hz、…、300 Hz等不同頻率的簡(jiǎn)諧荷載。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括加速度傳感器與數(shù)據(jù)采集儀。加速度傳感器采用丹麥Brüel & Kj?r公司生產(chǎn)的4507B-001型單軸壓電加速度計(jì):靈敏度10 mV/g,頻率范圍0.1～6 kHz,質(zhì)量4.8 g。加速度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)通過LMS公司的數(shù)據(jù)采集儀采集并存儲(chǔ),設(shè)置采樣頻率為4 096 Hz,采樣時(shí)長(zhǎng)30 s。

考慮到傳感器體型小、重量輕,自身難以穩(wěn)固地與地面貼合,制作了傳感器工裝(圖3)。先將傳感器底座與鐵釘?shù)尼斆蹦z結(jié),再將傳感器底部卡入底座中,試驗(yàn)時(shí)將做好的工裝鐵釘豎直地壓入土中固定。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)作模式:將振動(dòng)加速度傳感器布設(shè)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嬷付y(cè)點(diǎn)位置處(圖4),監(jiān)測(cè)該點(diǎn)位的振動(dòng)加速度信號(hào),監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)加速度信號(hào)通過數(shù)據(jù)線傳遞至LMS數(shù)據(jù)采集儀,LMS數(shù)據(jù)采集儀與電腦通過網(wǎng)線連接,在電腦界面打開LMS數(shù)據(jù)采集程序,將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位:cm)Fig.4 Schematic diagram of measuring point arrangement (Unit:cm)

1.3 試驗(yàn)工況與結(jié)果分析

為對(duì)比研究WIB位于路堤中不同高度處的減隔振效果,分別制作了2塊厚度為5 cm的方形鋼絲混凝土板,邊長(zhǎng)分別為80 cm、100 cm。模型施作時(shí),WIB底面分別距離路堤頂面10 cm、20 cm,使WIB剛好貫穿路堤(圖1)。

振動(dòng)加速度傳感器的布置如圖3所示,測(cè)點(diǎn)①作為基準(zhǔn)點(diǎn),固定在剛性板頂面邊緣;其他各測(cè)點(diǎn)固定于模型槽地表,且間隔隨距離增大。為避免傳感器工裝反復(fù)插拔導(dǎo)致工裝與土體的緊實(shí)度不一致,進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成干擾,故施作不同工況時(shí),地表傳感器仍留在原位,不必因?yàn)楣r的調(diào)整而反復(fù)拆裝傳感器。

對(duì)測(cè)得的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得到相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù),在頻域數(shù)據(jù)中讀取施加的激振荷載對(duì)應(yīng)頻率的加速度幅值,然后在每組指定頻率激振荷載工況中對(duì)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)頻譜中指定頻率的加速度幅值相對(duì)于測(cè)點(diǎn)①作歸一化處理。將不同激振頻率對(duì)應(yīng)的歸一化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主動(dòng)減隔振措施作用時(shí)的振動(dòng)傳播衰減曲線,對(duì)比分析不同減隔振措施針對(duì)地表振幅的減隔振效果以及減隔振特點(diǎn)。

通過對(duì)比WIB底面與路堤頂面垂直間距不同時(shí)的減隔振效果,分析WIB底面與路堤頂面垂直間距對(duì)周邊環(huán)境減隔振效果的影響。

如圖5所示,WIB底面距離路堤頂面遠(yuǎn)近不同時(shí)的模型試驗(yàn)結(jié)果表明:有/無WIB的各測(cè)點(diǎn)歸一化振幅差異明顯,說明WIB有明顯的減隔振效果;WIB位于路堤中不同高度時(shí)各測(cè)點(diǎn)歸一化振幅也差異明顯,且WIB越靠近路堤頂面效果越好。對(duì)于常規(guī)的梯形路堤而言,WIB距離路堤頂面越近,其寬度越小,所需的混凝土方量越少,反而減隔振效果越好,不會(huì)因?yàn)榭拷返痰酌娴腤IB體量更大而效果更好。因此在靠近路堤頂面的位置施作WIB,可以用較少的材料用量獲得更好的減隔振效果。

圖5 歸一化振幅隨距離變化曲線Fig.5 Normalized amplitude vs. distance

2 數(shù)值仿真

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型試驗(yàn)結(jié)論的合理性,采用FLAC3D構(gòu)建了高速鐵路路基三維模型,開展了高速鐵路路堤中WIB減隔振效果的三維動(dòng)力數(shù)值仿真分析。

2.1 數(shù)值仿真模型構(gòu)建

基于京滬高鐵廊坊站附近路基段,確定數(shù)值仿真模型尺寸(圖6)。模型沿軌道方向長(zhǎng)80.6 m,地基深60 m,一側(cè)長(zhǎng)20 m、另一側(cè)長(zhǎng)80 m;軌道板厚取軌道板、水泥乳化瀝青砂漿調(diào)整層、支承層厚度的總和為0.53 m,每側(cè)的板寬取支承層底面寬為3.25 m,雙線中心距5 m,軌距1.435 m,扣件間距0.65 m;路基面寬度13.6 m,路堤邊坡坡度1∶1.5,底面寬20.8 m;路堤高2.4 m,其中基床表層級(jí)配碎石厚0.4 m,基床底層A、B組土厚2 m;筏板寬20.8 m、厚0.5 m,樁頂墊層與筏板同寬、厚0.15 m;樁體底部深24 m,樁徑0.5 m,樁間距1.6 m。

圖6 數(shù)值仿真模型Fig.6 Numerical simulation model

采用FLAC3D建立上述尺寸的高速鐵路路基段三維動(dòng)力仿真分析模型,在權(quán)衡了計(jì)算時(shí)長(zhǎng)和網(wǎng)格尺寸后,設(shè)置模型主體中的土體網(wǎng)格尺寸約為1 m/格,網(wǎng)格均勻劃分,保證拾取的地表振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的頻率在1～80 Hz范圍內(nèi)均有響應(yīng);將2 m厚的基床底層等分為5層,每層厚0.4 m。

由于鐵路振動(dòng)造成的周邊土體的應(yīng)變量一般小于10-4,主要導(dǎo)致周邊結(jié)構(gòu)物的彈性變形,故模型中的材料可均按線彈性材料考慮,各部分的材料參數(shù)列于表1。其中軌道板混凝土等級(jí)為C15,WIB與筏板的混凝土等級(jí)為C30,樁體混凝土等級(jí)為C20。

表1 數(shù)值仿真模型材料參數(shù)

為反映模型的振動(dòng)阻尼特性,通過試算對(duì)比不同阻尼形式的計(jì)算效率與結(jié)果精度,確定模型采用的力學(xué)阻尼形式為局部阻尼,在振動(dòng)循環(huán)中通過在節(jié)點(diǎn)上增加或減小質(zhì)量的方法達(dá)到收斂,局部阻尼系數(shù)取0.35。

動(dòng)力分析模型周圍邊界上存在波的反射,會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。為防止模型邊界的振動(dòng)波反射,設(shè)置靜態(tài)邊界,其在模型的法向和切向分別設(shè)置自由的阻尼器從而實(shí)現(xiàn)吸收入射波、減少模型邊界上波的反射的目的。相對(duì)于其他邊界條件,靜態(tài)邊界的計(jì)算效率高,且精度滿足要求。

列車荷載采用車軌耦合荷載,其中高速鐵路動(dòng)車型號(hào)為CRH380B,頭尾車長(zhǎng)25.850 m,中間車長(zhǎng)24.825 m,列車編組布置形式為M-T-M-T-T-M-T-M(M為動(dòng)車,T為拖車),每4節(jié)一個(gè)單元,車速300 km/h,車輛計(jì)算參數(shù)列于表2,CRTSⅡ型無砟板式軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)列于表3,軌道隨機(jī)不平順采用美國(guó)5級(jí)譜。通過車輛-軌道耦合模型的計(jì)算,即可得到各扣件受力大小隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。

表2 動(dòng)車車輛計(jì)算參數(shù)

構(gòu)建好模型后,在各步驟中將上述動(dòng)力計(jì)算參數(shù)賦予模型,將車軌耦合模型計(jì)算得到的各扣件力施加于模型中各扣件位置處,開展高速鐵路路基環(huán)境振動(dòng)的三維動(dòng)力數(shù)值仿真計(jì)算,同時(shí)在模型表面、垂直于高速鐵路線路的中軸線上設(shè)置一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn),記錄各測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)加速度。

表3 無砟軌道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.2 模擬工況與結(jié)果分析

分別設(shè)置基床各層為WIB,進(jìn)行高速鐵路路基主動(dòng)減隔振措施的三維動(dòng)力仿真分析,拾取地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)加速度,處理得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Z振級(jí),對(duì)比不同工況下各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)大小,分析WIB底面與路堤距離不同時(shí)對(duì)減隔振效果的影響。

如圖7所示,WIB底面與路堤頂面距離不同時(shí)對(duì)減隔振效果影響的高速鐵路路基三維動(dòng)力數(shù)值仿真分析結(jié)果表明:當(dāng)WIB底面距離路堤頂面2 m時(shí),地表不同位置處的減隔振效果約為2.5 dB;當(dāng)WIB底面距離路堤頂面1.2 m與1.6 m時(shí),地表不同位置處的減隔振效果約為5 dB;當(dāng)WIB底面距離路堤頂面0.8 m時(shí)(緊貼在基床表層下),距離線路外軌50 m范圍內(nèi)減隔振效果由7 dB逐漸增大至10 dB,距離線路外軌50～60 m范圍內(nèi),減隔振效果迅速地由10 dB增大至17 dB,后趨于穩(wěn)定;當(dāng)WIB底面距離路堤頂面0.4 m時(shí)(即基床表層為WIB),減隔振效果略優(yōu)于1.2 m與1.6 m,但差距不大,明顯不及0.8 m。綜上,WIB在基床底層中越靠近路堤頂面,減隔振效果越好,與模型試驗(yàn)結(jié)論基本一致,驗(yàn)證了模型試驗(yàn)方法的合理性與適用性。

圖7 Z振級(jí)隨距離的變化Fig.7 Z vibration level vs. distance

綜上,在高速鐵路路堤的基床底層的頂面設(shè)置WIB可起到有效的減隔振效果。對(duì)于新建線路,WIB按常規(guī)混凝土板施作即可;對(duì)于既有線,WIB可通過在路堤邊坡處連續(xù)施作水平旋噴樁來實(shí)現(xiàn),可有效降低對(duì)既有線正常運(yùn)營(yíng)的影響[15]。

3 結(jié)論

通過模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真分析,對(duì)WIB底面與路堤頂面垂直間距不同時(shí)的減隔振效果進(jìn)行了研究,主要結(jié)論如下:

(1) 構(gòu)建的鐵路路基主動(dòng)減隔振原理性試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蜉^好地反映WIB在鐵路路堤中的減隔振效果,采用該模型試驗(yàn)方案研究WIB底面與路堤頂面垂直間距對(duì)減隔振效果的影響是可行的。

(2) 模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果均表明,在路堤結(jié)構(gòu)中設(shè)置WIB有較好的減隔振效果。

(3) 模型試驗(yàn)結(jié)果表明,WIB越靠近路堤頂面,減隔振效果越好。

(4) 數(shù)值仿真結(jié)果表明,在高速鐵路路堤的基床底層中,WIB也是越靠近路堤頂面,減隔振效果越好;當(dāng)將WIB置于基床表層時(shí),雖然此時(shí)WIB更靠近路堤頂面,但其減隔振效果不及WIB位于基床底層頂面時(shí)。