高铁路基减振有限元分析

2017-10-16魏秋晨

四川水泥 2017年10期

关键词：排桩阻尼比模量

魏秋晨

(天津国土资源和房屋职业学院 300270)

高铁路基减振有限元分析

魏秋晨

(天津国土资源和房屋职业学院 300270)

本文利用大型有限元软件 ABAQUS，对高速铁路常用的桩板结构路基进行有限元分析，首先通过动三轴试验对有限元参数进行确定，然后分别对空沟隔振和排桩隔振两种隔振方法进行研究，根据不同方案得到的结果提出合理且相适应的减隔振措施。

高铁减振有限元

随着社会经济的快速发展，对连接全国各大城市和各大城市内部的高速交通网的需求日益增长。在高速铁路、城际快速列车、地铁和轻轨等轨道交通不断发展的今天，交通引起的振动对城市生活环境和工作环境产生极大的影响。目前，国际上已经把由振动引起的不良影响列为七大环境公害之一，并开始研究分析振动的产生原因、污染规律、对人体的危害、传播途径以及控制方法。[1]

截止2016年底，已召开了十二届 International Workshop on Railway Noise会议，专门研究相关问题。该会议收集了大量的涉及铁路轨道振动以及其造成的噪声污染等问题的论文，这些研究论文的出发点是研究讨论出一种能够全面分析由铁路轨道振动引发路基表面振动的数学模型，并在分析这些数学模型的基础上研究开发出相应的有限元分析软件和程序。

由此可见，关于轨道振动的研究及其相应的减隔振措施的研究已经引起了全球的广泛关注。本文通过有限元软件ABAQUS对高速铁路路基振动的减隔振措施进行分析，提出了相应的计算方法和结果，为未来同类铁路轨道交通的建设和既有同类轨道的分析提供了一定的参考。

1 有限元分析参数的确定

在进行有限元分析的过程中，动模量和阻尼比是影响计算准确度的重要参数，本文对某拟建铁路干线沿线取得的原状土进行动三轴试验。在列车动荷载作用下，研究土样的动应变范围为10-4—10-2，研究该动应变范围内的动模量、阻尼比随动应变的变化规律。同时由于列车的速度不同，所以引起的振动频率也有一定的范围，本次试验对不同频率的动荷载作用下的动弹模和阻尼比进行了试验研究，研究动模量、阻尼比与频率之间的关系。动模量、阻尼比的影响因素有13～15个之多，许多专家学者都进行过研究。本次试验以沿铁路干线取得的原状土的室内动力特性试验资料为背景研究了动应变、围压、动应力比、频率对动模量、阻尼比的影响。通过研究动模量与阻尼比，为高铁路基隔振方案的有限元分析参数的选取提供依据。

本文针对这种情况进行了频率为1Hz、3Hz、5Hz的动三轴试验，通过动三轴试验研究在排水条件下地基土的动模量和阻尼比的变化情况。试验仪器采用的是英国的动态循环剪切设备GDS（Global Digital System，以下简称GDS）。这是一套数字化的试验设备，具有的特点是：实时监控整个试验过程、高速采集并储存数据、精度高、结果可靠。该系统主要有加压系统、量测系统和控制系统三个系统组成。其工作原理如图1所示。

图1 工作原理图

通过室内动三轴试验对土体在动荷载作用下的动弹模量和阻尼比进行了研究，得出了原状土样的动弹模量和阻尼比，计算结果如表 1所示。同时对动弹模量和阻尼比与土体的动应变的关系进行了研究总结，通过研究得出以下结论：

（1）对于本实验的试样而言，在排水的情况下动弹模量随着频率的增加而有一定程度的增加，增加的幅度因不同性质的土体而不同。

（2）对于本实验的试样而言，在排水的情况下，阻尼比随着频率的增加阻尼比不断增加，但增加的幅度也是因土的性质而异。

（3）在有限元分析中按照本文得出的动模量和阻尼比进行分析，根据实际情况和土质情况选用排水或不排水试验得出的动模量和阻尼比。当频率较高时，利用动弹模量、阻尼比随频率的变化规律进行相应的调整。调整幅度按照本文给出的规律进行。

动弹模量与阻尼比计算汇总表

2 空沟隔振方法有限元分析

空沟隔振具有施工方便、隔振效果相对较好等特点，所以在实际工程中有一定的应用。许多国内外学者对空沟隔振进行了分析研究：在国外，Woods和Haupt通过一系列实验研究了空沟的隔振效果；Hung等采用2.5D有限/无限元研究空沟的隔振性能；在国内，刘奉喜等[2]对多年冻土地区铁路两侧设置隔振沟的减振效果进行了研究，分析了隔振沟的位置及深度，提出了相应的工程意见；侯德军、雷晓燕[3]等对空沟的隔振进行了较深入的研究，找到了空沟尺寸和位置对空沟隔振效果的影响规律，但对边界的处理不够准确，使得土体的振动在模型边界处加剧。

在进行高铁空沟隔振数值分析时，模型边界条件的准确处理以及隔振效果的正确评价方法选取具有重要意义，本文利用有限元软件ABAQUS强大的前处理功能，通过建立粘弹性边界和无限元来近似的模拟土体“半无限”空间状态，对空沟的尺寸和位置进行了研究，取得较好的计算结果。

2.1 空沟隔振设计方案

空沟是隔振设计中经常采用的方法，经济且简便，但是由于空沟会引起建筑地基的不稳定，所以实际工程中空沟不宜过深、过宽，距离建筑物不宜过近。高速铁路的建筑用地范围为路堤坡脚两侧各延伸5m，所以在进行隔振设计中，我们将空沟位置确定为距坡脚5m处，主要研究不同宽度、不同深度对空沟隔振效果的影响。空沟作为连续屏障可以作为平面应变问题来进行计算，本文主要对空沟隔振系统进行二维有限元分析。无砟轨道双线路基空沟隔振系统的有限元模型图见2。

图2 无砟轨道双线路基空沟隔振系统的有限元模型图

2.2 空沟隔振系统有限元分析结果

分析时先固定空沟的宽度，改变空沟的深度，分别为0m、2m、4m、6m、8m、10m。深度越大，空沟后侧衰减越大，前侧反射越大，当空沟为2米深时，其曲线和无屏障基本相同，2米之内影响都不大，当空沟深度为10m的时候，空沟后侧加速度急剧减小，不过由于空沟深度不宜过大，故不建议采用。沟深为 4米时，沟后15米左右竖向加速度能够降到0.01m/s2，基本可以满足振级要求。

然后固定空沟的深度，改变空沟的宽度，对空沟的隔振效果进行分析。通过对比发现，空沟宽度对隔振效果基本没有影响。

3 排桩隔振方法有限元分析

3.1 排桩隔振设计方案

排桩隔振主要分为单排和多排桩屏障，为了能够真实地研究排桩隔振对高铁地基的隔振效果，分别对排桩隔振进行了有限元分析。假设桩间距很小的情况下，可以将排桩隔振近似的作为二维平面应变问题来进行计算，这样可以比较完整地反映系统特性又不太过复杂，同时还可以大大节约运算时间。无砟轨道双线路基排桩隔振系统的有限元模型见图3。

图3 无砟轨道双线路基排桩隔振系统的有限元模型

3.2 排桩隔振系统有限元分析结果

3.2.1 桩长的影响

由于高速列车产生的振动波非常剧烈，排桩作为隔振屏障，其隔振的原理是利用排桩的反射、散射、衍射等，所以，适当的增加排桩的桩长会对隔振效果产生较积极的影响。

根据工程实际和理论研究，对路基进行有限元分析，桩长分别为 5m、10m、15m、20m，以此来分析桩长对隔振效果的影响。由分析结果可知，随着排桩长度的增加，隔振效果也有显著增长，但是，当排桩长度达到某一特定值之后，隔振效果的增长逐渐变得不明显。当排桩长度取为20m时，桩后15米处竖向加速度降为0.01m/s2，可以满足要求。3.2.2 桩间距的影响

高广运等[4]的研究分析显示，增加排桩列数可以取得更好的隔振效果。改变双排桩之间的距离，桩间距分别为一倍、二倍、三倍、四倍的桩径，对双排桩隔振的模型进行有限元分析。分析结果显示，随着排桩桩间距的减小，隔振效果逐渐增加，但是增加幅度并不显著。

3.2.3 桩体材料的影响

当桩体材料发生变化，理论上作用于排桩体上的振动荷载会发生相应的改变，同时周围土体承担的振动也会发生相应的改变。所以，本文对路堤进行有限元分析计算，研究桩体材料的对其隔振效果的影响。由分析结果可知，随着桩体材料强度的增大，其隔振效果增加幅度非常小，从经济角度而言，可以选用较为廉价的材料作为桩体材料。

3.2.4 多列排桩屏障的影响

高广运等[4]的研究分析显示，由于打设超大直径桩在实际工程中操作十分困难，因此，为了达到相同的隔振效果，可适当增加排桩的列数进行隔振。对路基进行有限元分析，分别设置为单、双、三列排桩，由分析结果见知，当设置三列排桩进行隔振时，其隔振效果不太明显，只能一定程度地消除列车荷载引起的不良影响，因为，相对于近场隔振，主要是针对体波，而不是瑞利波，屏障深度是影响隔振效果的主要因素，盲目地增加排桩的列数并不能受到更好的隔振效果。