原创《高铁路基减振模型试验》
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铁路交通包括高速铁路、城际快速列车、地铁和轻轨等轨道交通,因具有明显的优势而在国家建设中得到了迅猛发展.高速列车作为一种大运量、安全、快捷、准时、方便、舒适的理想交通工具,在解决客运交通问题中有着特殊的地位和作用,使得各种高速列车轨道在国内外被不断的兴建.
尽管铁路对国家的发展有巨大贡献,给居民的生活带来很大方便,但与此同时,由铁路交通运输给人们带来的不良振动和噪音污染等环境问题一直以来受到大家的广泛关注[1].由于铁路轨道在高速列车的不断振动激励下会产生许多随机的振动激励,这些随机的振动激励通过铁路下面的轨道基础、轨枕、高铁路基、地面构筑物等介质传递到地面及其上面的建筑物,从而引发该建筑物发生激励振动,当这些随机的激励振动产生不良的振动时,会造成高速铁路路基表面处的构筑物和建筑物以及生产厂房和设备发出不和谐的振动异常的声音,从而产生二次振动噪音污染的环境问题.所以对高铁路基减振的研究变得势在必行.
一、研究现状
在以往的高铁路基减振研究中,研究者多采用数学计算模型模拟振动.李世军、李克钏[2] 通过建立有限元假定模型对高速铁路路基动力反应进行了有限元分析研究,其有限元模型为：1）假设列车无限长,2）车辆竖向振动引起的振动荷载简化成为关于振动频率与幅值的指数函数,3）列车每组轮载视为用傅立叶级数形式表示的周期性的移动荷载, 4）运用波传播的叠加性原理,将3）中的所有车轮动荷载予以叠加.罗雁云等[3] 依据随机振动的基本理论和轨道不平顺谱效应,建立了车轮与轨道相互作用的分析模型；同时假定车轮与轨道之间的接触为线,从而通过上述分析模型建立相应的运动方程；其又以半车体为研究对象,采用傅里叶级数变换出簧下质量振动引起的动荷载均方差,以建立起车体振动的运动方程,再运用线性叠加的方法得出簧上质量振动引起的动荷载均方差.
但是只用数学计算模型进行模拟,没有实测数据作为依据,不能证明其可靠性,而采用现场试验所要具备的必要条件非常难满足.所以,本文中选取一块场地对其进行处理,开展了模型试验,试验中采用激振器对地基土施加不同频率的动荷载,使其产生振动,利用加速度传感器测试其振动幅值,模拟高铁路基振动.
二、试验内容
城市轨道交通系统产生的振动主要是以波的形式通过结构和周围地层传播到振动影响的区域或个人,为了减振隔振可以从振源和传播途径两方面入手.从振源上讲,采用合适的道床和轨道结构形式,增加轨道的弹性能有效的降低车辆、轨道和附近环境的振动.从传播途径上讲,通常运用在振动波传播途径上设置减隔振动甚至切断振动传播途径的工程措施来削弱振动表面波的传播和激励,比如通过挖空沟、构建挡墙、打设排桩、蜂窝桩等减振措施皆能获得良好的隔振效果,上述技术便是常说的屏障隔振技术,屏障隔振技术依据其是否连续又可分为连续屏障和非连续屏障.
本文中主要从传播途径下手,采取不同的隔振措施,包括空沟、填充沟、排桩等等,将采集到的加速度结果与无屏障情况下的结果进行对比,同时将不同隔振措施的测试结果也相互比较,得到其规律性.
1. 试验设备.在本次测试中,采用激振器对地基土体进行激振,动态信号采集分析系统CRAS 对测试信号进行采集,具体试验设备包括激振器、功率放大器、任意波信号发生器、数据采集箱、信号调理仪、力传感器、加速度传感器.
2. 试验方案.在本次试验分为四大类工况,分别为无波障、空沟、填充沟、混凝土桩四类.其中,空沟又分为不同深度、不同宽度几种工况,混凝土桩又分为不同桩长、不同桩距、多排桩等不同工况.采集信号共八个,第一个为激振力,第二至八个分别为地表不同位置的加速度值.为了得到更好的试验结果,我们对地基土进行了处理,开挖一个宽3m,长6m,深1m 的基坑,将不均匀的石块、树根等从土体中筛分出去,再将剩余的好土分三层夯实.
3. 测试结果.由于高速铁路产生的振动由多种频率的波组合而成,所以在试验过程中,分别对各种工况施加20hz-80hz 的波进行激振,得到不同频率下各测点位置的加速度曲线.由于施加的力由功率放大器调节,无法控制其值的具体大小,所以在进行结果对比时,采用加速度峰值除以力峰值的结果来比较更为合理.以下为不同工况的测试结果.
（1） 无波障情况下各测点位置结果.为了比较各种隔振措施的不同效果,首先要先测试在无波障情况下,不同频率激振力作用下各测点的加速度值,结果如图1 所示,基本符合振动波在地基土中的传播规律,各测点的竖向加速度随距振源距离增大而减小,距振源较近处衰减快,距振源较远处衰减慢.各点的加速度响应随输入波频率增大而增大,频率越高,沿距离衰减越快,偶尔在2.5 米处有跳跃现象,并不影响其整体规律.
（2） 空沟情况下各测点位置结果.空沟是隔振最简单有效的方法,我们针对不同深度、不同宽度空沟的隔振效果进行了测试.工况一：开挖宽20cm、深25cm 的空沟； 工况二：开挖宽20cm、深50cm 的空沟；工况三：开挖宽60cm、深50cm 的空沟.比较不同尺寸的空沟对振动波的影响,选取不同工况在不同频率下的最大响应,见图2,由图可知,在空沟前加速度有不同程度的增大,空沟后各测点加速度值显示,空沟能起到有效的隔振作用,空沟深度越大隔振效果越好,而空沟宽度对加速度影响不大.
（3） 碎石填充沟情况下各测点位置结果.在宽20cm、深50cm 的空沟内均匀的放入碎石,我们先将土工布垫在沟的底部和四周,然后将碎石逐层置入土工布中.比较碎石填充沟的隔振效果,由图3 可知,碎石填充沟也有一定的隔振作用,但效果不明显.
（4） 排桩情况下各测点位置结果.排桩隔振可以分为很多情况,不同桩间距,不同桩长,不同形状,单排或多排桩等等,对于多排桩又有不同排间距、不同排列形式等等,我们在这次试验中准备了长0.5m、1m 两种混凝土方桩,分以下5 种工况进行试验.
工况一：在宽20cm、深50cm 的空沟内等间距置入单排桩4 根,桩长0.5m,桩间土分层夯实；工况二：在宽20cm、深50cm 的空沟内等间距置入单排桩3 根,桩长0.5m,桩间土分层夯实；工况三：在宽20cm、深1.0m 的空沟内等间距置入单排桩4 根,桩长1.0m,桩间土分层夯实；工况四：在宽60cm、深50cm 的空沟内等间距置入双排桩,平行放置,每排各四根桩,共八根,桩长0.5m,桩间土分层夯实；工况五：在宽60cm、深50cm 的空沟内等间距置入双排桩,交叉放置,第一排三根桩,第二排四根桩,共七根,桩长0.5m,桩间土分层夯实.
对于不同的排桩情况,从图4 可以看到,排桩可以起到很好的减振作用,并且符合桩距越小隔振越好的规律.1m桩较0.5m 桩的隔振效果没有明显提高,可以得知当桩长大于一定范围,桩长对隔振效果影响不大.双排桩相对单排桩,隔振效果略有提高,对于不同的排列形式,交叉排列更为合理.
三、小结
本文主要针从高铁路基振动的传播途径下手,用激振器模拟地基振动,进行模型试验.采取不同的隔振措施,包括空沟、填充沟、排桩等等,将采集到的加速度结果与无屏障情况下的结果进行对比,通过对不同工况进行试验,使隔振更为直观的呈现出来,比对不同工况的隔振效果,空沟的隔振效果最好,排桩其次,碎石填充沟的效果最差.H
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