橡膠混凝土道床動力特性的足尺試驗分析

金 浩，田清榮，李 政

(1.東南大學 交通學院，南京 211189；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

根據(jù)振動傳播規(guī)律，可將地鐵減隔振措施分為軌道減振、地層隔振以及受振體(沿線建筑結(jié)構(gòu)等)隔振三大類。其中，軌道減振措施種類最多，在國內(nèi)主要有鋼彈簧浮置板軌道[1]、橡膠(聚氨酯)浮置板軌道[2]、梯式軌道[3]以及各類型軌道減振器[4]等。種類繁多的減振措施在一定程度上緩解了軌道振動帶來的影響，但同時也導致建設成本提高、軌道結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)等問題。

橡膠混凝土是一種采用廢舊橡膠作為集料配制而成的水泥混凝土，一方面可以消耗大量的廢舊橡膠；另一方面橡膠集料摻入使混凝土具備良好的動力性能[5-9]。通過調(diào)配橡膠粒徑以及橡膠摻入量，可以調(diào)節(jié)橡膠混凝土的剛度和阻尼等物理參數(shù)[10-14]。鑒于橡膠混凝土在環(huán)保、經(jīng)濟、工程方面的優(yōu)越性，個別學者在高速公路路面等工程進行了應用試驗。

在軌道振動控制方面，金浩[15]最早提出了橡膠混凝土道床(橡膠混凝土隔振基礎)。并通過Periodic-Fourier方法，分析了橡膠混凝土道床物理參數(shù)對軌道減振的影響。孫曉靜等[16]通過地層-隧道-道床的三維有限元模型對三種斷面形狀的橡膠混凝土道床進行了減振性能評價，研究表明橡膠混凝土道床在低頻具有明顯的減振效果。李彬[17]在C40混凝土中摻入橡膠顆粒，進行橡膠混凝土的靜力學和動力學試驗，在此基礎上分析了不同摻量下橡膠混凝土道床的減振性能，研究表明橡膠摻量不超過23%能滿足設計規(guī)范要求。譚詩宇[18]通過建立車輛-軌道-隧道的動力模型，研究了橡膠混凝土道床的減振性以及對行車的影響，研究表明橡膠混凝土道床在保證列車運行平穩(wěn)前提下，最大減振量可達10.3 dB。

上述研究都表明，橡膠混凝土道床較普通混凝土具備更好的減振性能。但是，所有關于橡膠混凝土道床的研究都是通過商業(yè)有限元軟件建立動力學模型來進行，并未通過動力試驗對橡膠混凝土道床的減振性能進行研究。

為此，本文作者專門建立了道床足尺試驗平臺。在平臺上澆筑橡膠混凝土道床和普通混凝土道床。通過道床足尺試驗對比兩種普通混凝土道床和橡膠混凝土道床的動力性能。以道床測點和隧道壁測點的時程、頻譜、振動加速度級、振級差值等指標來評價橡膠混凝土道床的動力性能。

1 試驗概況

1.1 試驗平臺

東南大學道路與鐵道工程實驗室的道床足尺試驗平臺，包含橡膠混凝土道床以及普通混凝土道床等，如圖1所示。為與實際情況相符，道床澆筑于盾構(gòu)隧道之內(nèi)。盾構(gòu)隧道縱向設置三環(huán)(非整環(huán))，共由六塊管片(標準塊)構(gòu)成。管片來自南京地鐵，并由專業(yè)施工隊完成拼裝作業(yè)。

圖1 道床足尺試驗平臺Fig.1 Full scale experimental platform of tunnel invert

南京地鐵盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，環(huán)寬1.2 m。管片厚度0.35 m，采用錯縫拼裝方式進行拼裝，如圖2所示。管片塊與塊之間采用2根環(huán)向螺栓連接，相鄰兩環(huán)管片之間每隔22.5°設置一根縱向螺栓。螺栓均采用強度等級5.8級M30彎螺栓。管片混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級S10。

圖2 錯縫拼裝示意圖Fig.2 Staggered joint assembly of segments

1.2 分析工況

本次試驗共分析兩種道床，分別為普通混凝土道床和橡膠混凝土道床。為避免管片錯縫拼裝帶來的影響，普通混凝土道床和橡膠混凝土道床分別澆筑于平臺的第一環(huán)管片和第三環(huán)管片。

橡膠混凝土道床和普通混凝土道床的厚度均為0.6 m。普通混凝土道床采用商品混凝土，強度等級C35。橡膠混凝土道床以C35混凝土為基礎，摻入3～5 mm橡膠顆粒，橡膠摻量2%。

1.3 橡膠混凝土中橡膠界面改性

將橡膠混凝土道床所用的橡膠顆粒采用5% NaOH溶液浸泡。待24 h后取出，用清水沖洗，并進行晾曬處理，如圖3所示。

圖3 橡膠顆粒界面改性處理Fig.3 Surface modification of rubber particles

1.4 試驗設備及參數(shù)設置

本試驗通過測試道床和隧道壁的振動加速度來分析橡膠混凝土道床和普通混凝土道床的動力性能差異。

NV3062C網(wǎng)絡分布式采集儀如圖4所示，采用24位AD、32位DA和25 MHz轉(zhuǎn)速一體化設計，可8個通道并行處理，單個通道最高采樣頻率216 kHz，典型動態(tài)范圍120 dB。本試驗力信號采樣頻率5 120 Hz，振動加速度信號采樣頻率640 Hz。

圖4 采集儀Fig.4 Acquisition instrument

圖5為典型的INV9828系列振動加速度傳感器，量程10g，頻率范圍0.5～1.0 kHz。本試驗共使用該類型傳感器4個。

圖5 振動加速度傳感器Fig.5 Vibration acceleration sensor

IEPE型力棒如圖6所示。內(nèi)置的力傳感器量程100 kN，靈敏度0.05 mV/N。本次試驗，力棒采用鋁制錘頭，下落高度115 mm。

圖6 力棒Fig.6 Hammer

1.5 測點布置

力棒作用位置在道床正中心。振動加速度采集點分別在道床和隧道壁。由于管片左右不對稱，在道床上設置2個采樣測點，測點號為1、3，位于力棒作用點到道床邊緣2/3處；隧道壁設置2個采樣點，測點號為2、4，分別距離道床面35 mm和75 mm。每種分析工況共計4個采集點，采集5次，取平均值。激振點位于道床上表面中心點，如圖7所示。

圖7 試驗現(xiàn)場測點布置圖Fig.7 Layout of measuring points in test site

典型的落錘激勵力時程和頻譜圖如圖8所示。

圖8 典型的落錘激勵力Fig.8 Typical drop hammer excitation force

2 評價指標

2.1 振動加速度級

振動加速度級公式為

(1)

式中：a為道床或隧道壁的振動加速度，m/s2；a0為參考振動加速度，a0=1×10-6m/s2。

2.2 傳遞損失

傳遞損失公式為

VLab=VLa-VLb

(2)

式中：VLa為道床采樣點處振動加速度級，dB；VLb為隧道壁采樣點處振動加速度級，dB。

2.3 插入損失

插入損失公式為

IL=VLA-VLB

(3)

式中：VLA為普通混凝土道床工況下，隧道壁的振動加速度級，dB；VLB為橡膠混凝土道床工況下，隧道壁的振動加速度級，dB。

2.4 分頻振級均方根的差值

按照CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，減振效果測量的頻率范圍為1～200 Hz，測量的量為鉛垂向振動加速度。計算橡膠混凝土道床和普通整體道床的分頻振級均方根的差值ΔLz，公式為

(4)

式中：VLq(i)選擇普通混凝土道床作為參考系，其隧道壁測點振動加速度在1/3倍頻程第i個中心頻率的分頻振級,dB；VLh(i)采用橡膠混凝土道床的隧道壁，其振動加速度在1/3倍頻程第i個中心頻率的分頻振級,dB。

3 試驗結(jié)果

3.1 普通混凝土道床

圖9為普通混凝土道床工況下測點1～測點4的典型時程曲線。由圖9可知，普通混凝土道床測點1和測點3的振動加速度基本相當，大于隧道壁測點2和測點4的振動加速度。各測點在道床中心錘擊力作用下的最大振動加速度值為6.6 m/s2，發(fā)生在道床測點3。

圖9 普通混凝土道床測點典型時程Fig.9 Typical time history of common concrete tunnel invert

3.2 橡膠混凝土道床

圖10為橡膠混凝土道床工況下測點1～測點4的典型時程曲線。橡膠混凝土道床測點1和測點3的振動加速度基本相當，大于隧道壁測點2和測點4的振動加速度。各測點在道床中心錘擊力作用下的最大振動加速度值為6.7 m/s2，發(fā)生在道床測點1。

圖10 橡膠混凝土道床測點典型時程Fig.10 Typical time history of rubberized concrete tunnel invert

4 試驗結(jié)果分析

由于地鐵振動對環(huán)境影響的主要關心頻段為1～200 Hz。因此，本文各測點數(shù)據(jù)處理都只給出1～200 Hz結(jié)果。

4.1 振動加速度頻譜

圖11為普通混凝土道床和橡膠混凝土道床的隧道壁測點頻譜圖。由圖11可知，與普通混凝土道床相比較，橡膠混凝土道床在低頻區(qū)域的表現(xiàn)較好。對于測點2，橡膠混凝土道床在1～63 Hz頻段的加速度峰值普遍小于普通混凝土道床。對于測點4，橡膠混凝土道床在1～80 Hz頻段的加速度峰值普遍小于普通混凝土道床。

圖11 普通混凝土道床和橡膠混凝土道床管片測點頻譜圖Fig.11 Frequency spectrum of common concrete tunnel invert and rubberized concrete tunnel invert

4.2 振動加速度級

圖12為隧道壁測點在1/3倍頻程下的振動加速度級。由圖12可知，在隧道壁測點2和測點4，橡膠混凝土道床在低頻段表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，減振頻段基本和頻譜結(jié)果相同。

圖12 普通混凝土道床和橡膠混凝土道床的隧道壁測點加速度1/3倍頻程Fig.12 Third octave of common concrete tunnel invert and rubberized concrete tunnel invert

4.3 傳遞損失

計算測點1～測點2的傳遞損失，如圖13所示。從圖13可知，橡膠混凝土道床的傳遞損失在1～50 Hz頻段大于普通混凝土道床的傳遞損失，在50～200 Hz頻段略小于普通混凝土道床的傳遞損失。

圖13 測點1～測點2的傳遞損失Fig.13 Transfer loss from point 1 to point 2

計算測點3～測點4的傳遞損失，如圖14所示。由圖14可知，橡膠混凝土道床的傳遞損失總是大于普通混凝土道床的傳遞損失，最大值為27 dB，發(fā)生在80 Hz中心頻段。

圖14 測點3～測點4的傳遞損失Fig.14 Transfer loss from point 3 to point 4

4.4 插入損失

普通混凝土道床為無減振工況，橡膠混凝土道床為減振工況。計算普通混凝土道床與橡膠混凝土道床的插入損失，如圖15所示。

圖15 測點2和測點4的插入損失Fig.15 Insertion loss of measuring point 2 and point 4

插入損失為正表明該頻段下橡膠混凝土道床有較好的減振性能，插入損失為負則表明該頻段下橡膠混凝土道床無明顯減振效果。在管片測點2處，在2～5 Hz和10～50 Hz的中心頻段范圍內(nèi)，插入損失為正值；在管片測點4處，在1～100 Hz的中心頻段范圍內(nèi)，插入損失為正值。橡膠混凝土道床相對于普通混凝土道床的最大插入損失為19.6 dB，位于隧道壁測點2。

4.5 分頻振級均方根的差值

1～200 Hz中心頻段內(nèi)，采用橡膠混凝土道床的隧道壁測點2，分頻振級均方根的差值為1.87 dB；采用橡膠混凝土道床的隧道壁測點4，分頻振級均方根的差值為1.9 dB。

5 結(jié) 論

依托道床足尺試驗平臺，獲得2%橡膠混凝土道床和普通混凝土道床在落錘激勵下的振動加速度時程，分析測點的頻譜、振動加速度級、傳遞損失、插入損失、分頻振級均方根的差值，評價橡膠混凝土道床的動力性能，得出：

(1)頻譜及1/3倍頻程譜都表明，橡膠混凝土道床主要減振頻段為1～63 Hz低頻段。

(2)1～200 Hz頻段，采用橡膠混凝土道床的傳遞損失普遍大于普通混凝土道床，最大傳遞損失27 dB。

(3)1～100 Hz頻段，采用橡膠混凝土道床的隧道壁插入損失普遍為正值，表明發(fā)揮減振作用，最大插入損失19.6 dB。

(4)采用橡膠混凝土道床的隧道壁測點，分頻振級均方根的差值約1.9 dB。