铁路排桩隔振效果实测分析

孙成龙，高　亮(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京　100081;.北京交通大学土木建筑工程学院，北京　100044)



铁路排桩隔振效果实测分析

孙成龙1，2，高亮2
(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京100081;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

摘要:利用排桩隔振屏障隔离列车运行产生的振动是治理铁路环境振动的有效手段。本文结合排桩隔振的工程实例，实测了距离铁路不同距离处排桩的隔振效果，分析了隔振效率和隔振特性，同时对排桩排数对减振效果的影响进行了实测和分析。研究成果可为通过排桩隔振屏障治理铁路环境振动的相关工程提供技术参考。

关键词:铁路排桩隔振屏障隔振效果实测

在铁路环境振动传播途径上设置隔振沟、隔振墙或隔振桩是铁路环境振动被动治理的有效措施。隔振沟的设置可能对铁路路基的安全造成影响;隔振墙的设置一般需要开挖沟槽，工程难度大，不易实施，工程成本较高;而隔振桩则克服了上述缺点，其施工简单，造价较低，且对路基安全影响较小，因此近年来得到了广泛应用。

国内外学者主要通过解析和数值的方法研究了排桩隔振的机理及排桩相关参数对减振效果的影响，并研究了排桩隔振应用于铁路环境振动的可行性。Aviles等［1-2］、Boroomand等［3］、高广运等［4-5］、李志毅等［6］采用解析法，Kattis等［7］、Tsai等［8］采用三维边界元法研究了单排或多排桩的桩径、桩长、桩间距等对隔振效果的影响。上述研究通常假定大地为均匀弹性半空间，而实际上大地多为层状结构，不同土层土的参数会有所变化;另外铁路环境振动呈宽频分布，不同频率的振动波在不同土层和桩之间发生多次反射、投射及折射。基于铁路引起的振动波在桩土之间传播的复杂性，相关研究更宜采用有限元和边界元等数值方法。韦红亮［9］、罗锟等［10］采用有限元软件Ansys建立了列车—大地—排桩耦合动力分析模型，研究了排桩桩深、桩径、截面形式、材料等结构参数对隔振效果的影响。但上述有限元模型均做了相当程度的简化，模型中的参数的取值也不一定能够完全反应工程实际情况，隔振的计算结果有可能与实际隔振工程减振效果不相符。

为了验证排桩隔振在典型工况下的实际减振效果，本文在北京东郊环形铁道试验线排桩隔振治理工程的基础上，实测了排桩隔振的减振效果，研究了相应的隔振特性，研究成果可为通过排桩隔振治理铁路环境振动的工程提供技术参考。

1　测试概况

1.1测试条件

测试全部在北京东郊环形铁道试验线进行，采用直接法测试排桩隔振屏障设置前后的减振效果。测试前后的测点布置、铁路线路条件、试验车型和列车速度均保持不变。排桩设置为4排，桩的深度为14 m，沿铁路线路布置长度为50 m。

线路及车辆条件:路堤线路，采用60 kg/m钢轨，无缝线路，Ⅱ型扣件，Ⅲ型轨枕，有砟轨道，地层为黏性土。试验车型采用和谐号动车组(4辆编组)，轴重21 t，测试试验速度120 km/h。

1.2测试仪器

采用891-2型拾振器，测试数据由DASP动态信号采集记录系统进行采集和记录。891-2型拾振器的加速度档指标:量程40 m/s2，频率范围0.5～80 Hz，分辨率1×10－5m/s2，温度范围－10～50℃。

1.3测点布置

在隔振工程段桩前和桩后分别布置测点，测试列车运行引起的环境振动源，主要用于比对不同频次列车所产生的环境振动源的变化。具体测点布置:沿垂直线路方向，在隔振桩前方距离线路中心线10 m处布置1个测点(V1);在隔振桩后方距离线路中心线35，40 m处布置2个测点(V2，V3)。测点布置如图1所示。

图1　环境振动测点布置示意(单位:m)

1.4测试方法

采用直接法进行测试，即在排桩隔振实施前后分别在对应测点进行测量。具体为在工程实施前，测试各测点环境振动水平;为了测试排桩排数对减振效果的影响，分别在1排桩、2排桩、3排桩和4排桩实施后，混凝土强度达到强度要求时，测试环境振动。测试现场如图2所示。测量频次为每次测试10趟车。现场采样频率为512 Hz。

图2　测试现场

2　测试结果分析

2.1分析指标

根据《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)［11］和《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071—1988)［12］，铁路交通引起的环境振动采用铅垂向Z振级最大值VLZmax进行评价。为了比较整个时域内的环境振动变化情况，同时采用VLZ进行评价。根据GB 10070—1988的关注频率，本文研究频率范围为1～80 Hz。

Z振级实质为加速度级的计权值。加速度级按GB 10071—1988规定的方法，采用各中心频率的有效值(RMS)，按式(1)计算。频率范围为1～80 Hz。

式?中:VAL为加速度振级，dB;a为振动加速度的有效值，m/s2;aref为基准振动加速度，取为1×10－6m/s2。

隔振屏障的隔振效率一般用振幅衰减系数A［11］

RF来表示。本文中采用加速度指标评价隔振效率，定义ARF为设置隔振屏障后屏蔽区内的垂向加速度与无屏障时的垂向加速度之比。定义为

式中:a'为设置隔振屏障后屏蔽区内观测点的垂向加速度;a'0为无屏障时观测点的垂向加速度。

现场实测数据表明，隔振桩设置前后，在各趟测试列车车辆、线路、速度等工况完全一致的条件下，V1测点所测得的各项数据基本一致，因此，本文中隔振桩设置前后V1测点数据可直接对比。以下重点对V2和V3测点的各项数据进行对比分析。

2.2时程分析

隔振桩设置前后V2和V3测点的加速度时程和列车通过时段内测点处的Z振级见图3—图6。

图3　隔振桩实施前后V2测点处加速度时域信号对比

图4　隔振桩实施前后V3测点处加速度时域信号对比

图5　列车通过时V2测点处Z振级对比

图6　列车通过时V3测点处Z振级对比

由图3、图4的振动加速度时程可以看出，在列车通过期间，排桩隔振实施后的振动信号比实施前有明显的衰减。由图5和图6可以看出，列车通过期间(车头～车尾通过测点断面)Z振级最大，其隔振效果也最明显。当列车逐渐远离排桩后，由于排桩隔振区段为有限长度，此时减振效果不能显现。

2.3隔振效率分析

由于铁路轨道的振动是一个随机振动，环境振动加速度最大值的测试结果有较大的偶然性和局限性，因此本部分参考使用振动加速度的有效值来分析排桩的隔振效率。

距线路35，40 m处测点在排桩隔振前后的垂向振动加速度有效值(平均功率)及隔振效率统计如表1。

表1　垂向振动加速度有效值(平均功率)及隔振效率统计

由表1可以看出，35 m处排桩平均隔振效率达到0.43，最大隔振效率达到0.34;40 m处平均隔振效率为0.59，最大隔振效率达到0.42。

2.4不同排数隔振桩的隔振效果

针对隔振桩的排数对隔振效果的影响进行了现场测试分析，所测得的隔振效果见表2。

表2　不同排数隔振桩隔振插入损失　dB

从表2可以看出，1排桩的隔振效果不明显，3排桩和4排桩的隔振效果相当，说明隔振效果并不是随着隔振桩排数的增加而无限增加。对于类似本试验场地典型的地质情况，设置3排桩隔离铁路环境振动是合理的。

2.5频谱分析

当列车以速度v通过时，由于其轴重荷载的规则性排列，会对线路产生周期性的动力作用，列车对线路的竖向加载频率主要取决于列车速度v和转向架轴距、轨枕间距、车距d等。其通过频率为v/(3.6d)。通过快速傅里叶变换FFT谱(见图7、图8)可以看出，V2和V3测点处的主要振动频率集中于10～60 Hz，其中，在转向架轴距通过频率(12.5 Hz)振动加速度有一明显峰值。排桩隔振屏障对＞16 Hz频率的振动有较好的屏蔽作用，对12.5 Hz以下的振动隔振效果不明显。

图7　排桩设置前后V2测点处振动加速度傅里叶谱对比

图8　排桩设置前后V3测点处振动加速度傅里叶谱对比

采取排桩隔振屏障后，转向架轴距通过频率对应的振动加速度没有得到有效衰减。考虑到试验场地波速介于150～220 m/s，转向架轴荷载加载频率对应地面振动波波长为12～17.6 m，因此，如果不考虑各层土的相互作用，隔振桩的深度要至少大于振动波一个波长，方能有效减小移动轴荷载的影响。

图9和图10给出了排桩设置前后V2和V3测点处列车通过时段Z振级的1/3倍频程谱的变化情况。

图9　排桩设置前后V2测点处Z振级的1/3倍频程谱对比

图10　排桩设置前后V3测点处Z振级的1/3倍频程谱对比

由图9和图10可见，采取隔振桩屏障以后，4 Hz以下的振动能量衰减很小，4～12.5 Hz的振动能量有一定衰减，12.5～50 Hz的中高频振动衰减明显。对于50 Hz以上的振动成分，没有有效衰减，这可能是由于桩的顶面覆土和桩间隙的原因，高频成分直接透射，且此频域范围不提供主要振动能量，对总的隔振效果影响不大。在各个频段，35 m处测点的隔振效果明显优于40 m处的隔振效果。采取隔振桩屏障后，振动主要能量集中于10～20 Hz。

3　结论

1)试验数据表明，排桩隔振实施后，对列车产生的环境振动具有一定的隔振效果，最大隔振效率可达0.34～0.42。

2)排桩的隔振效果并不会随着排桩排数的增加而无限增加，3排桩和4排桩的隔振效果相当，对于类似本试验场地典型的地质情况，设置3排桩隔离铁路环境振动是合理的。

3)振动加速度傅里叶谱分析表明，移动轴荷载作用产生的振动是环境振动的主要频率成分，由于其频率较低，对应的环境振动波长接近或大于隔振排桩的长度，此时隔振排桩不能有效降低移动轴荷载周期作用的影响。若要取得理想的低频隔振效果，排桩深度要大于移动轴荷载作用下所产生振动波的长度。

4)Z振级的1/3倍频程谱分析表明，采取隔振桩屏障以后，4 Hz以下的振动能量衰减很小，4～12.5 Hz的振动能量有一定衰减，12.5～50 Hz的中高频振动衰减最为明显。采取隔振桩屏障后，环境振动主要能量集中于10～20 Hz。

参考文献

［1］AVILES J，SANCHEZ-SESMA F J.Piles as Barriers for Elastic Waves［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1983，109(9):1134-1146.

［2］AVILES J，SANCHEZ-SESMA F J.Foundation Isolation from Vibration using Piles as Barriers［J］.Journal of Engineering Mechanics，1988，114(11):1854-1870.

［3］BOROOMAND B，KAYNIA A M.Vibration Isolation by an Array of Piles［C］//Proceedings of the Soil Dynamics and Earthquake Engineering.Southampton:Computaional Mechanics Publication，1992:683-691.

［4］高广运，杨先健，王贻荪，等.排桩隔振的理论与应用［J］.建筑结构学报，1997，18(4):58-69.

［5］GAO G Y，LI Z Y.Three Dimensional Analysis of Rows of Piles as Passive Barriers for Ground Vibration Isolation［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2006，26(11):1015-1027.

［6］李志毅，高广运，邱畅，等.多排桩屏障远场被动隔振分析［J］.岩土力学与工程学报，2005，24(21):3990-3995.

［7］KATTIS S E，POLYZOS D，BESKOS D E.Vibration Isolation by a Row of Piles using a 3-D Frequency Domain BEM［J］.International Journal of Numerical Methods in Engineering，1999，46(5):713-728.

［8］TSAI P H，FENG Z Y，JEN T L.Three-dimensional Analysis of the Screening Effectiveness of Hollow Pile Barriers for Foundation-induced Vertical Vibration［J］.Computers and Geotechnics，2008，35(3):489-499.

［9］韦红亮.铁路环境振动单排桩隔振数值分析［J］.华东交通大学学报，2008，25(2):10-15.

［10］罗锟，雷晓燕.地屏障在铁路环境振动治理工程中的应用研究［J］.铁道工程学报，2009(1):1-6.

［11］国家环境保护局.GB 10070—1988城市区域环境振动标准［S］.北京:中国标准出版社，1989

［12］国家环境保护局.GB 10071—1988城市区域环境振动测量方法［S］.北京:中国标准出版社，1989.

(责任审编周彦彦)

Field Measurement and Analysis on Vibration Isolation Effects of Multi-rows of Piles for Railway Engineering

SUN Chenglong1，2，GAO Liang2

(1.Energy Saving＆Environmental Protection＆Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Abstract:Using the multi-rows of piles as vibration isolation barriers to isolate the vibration generated by train operation is one of the effective measures to control railway environmental vibration.Combining with engineering project of multi-rows of piles for vibration isolation，the vibration isolation effects of the multi-rows of piles at different distances from the railway were measured，the vibration isolation efficiency and vibration isolation characteristic were analyzed，and the influence of pile row number on the vibration damping effects was measured and discussed.T he results could provide a reference for the railway environmental vibration isolation control and management engineering with multi-rows of piles as vibration isolation barriers.

Key words:Railway;M ulti-rows of piles;Vibration isolation barrier;Vibration isolation effects;Field measurement

作者简介:孙成龙(1976—)，男，副研究员，博士。

基金项目:中国铁道科学研究院基金(1351HW0305)

收稿日期:2015-11-07;修回日期:2016-01-12

文章编号:1003-1995(2016)03-0163-05

中图分类号:TU112.5

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.39