高速铁路连续隔振措施减隔振效果试验研究

毕全超，赵倩，刘晶磊，宋绪国

(1. 河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000；2. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

近年来，高速铁路因运量大、效率高、低能耗等优点而在国家交通运输中得到迅速发展，尽管高速铁路对经济发展做出贡献，给人民生活带来便利，但由高速铁路引起的振动问题(地表振动和建筑振动)也受到广泛关注[1−3]。对振源处理措施可以归结为：针对振源隔振，可以把隔振垫浮置道床板上[4]；针对传播路径隔振，可以在建筑物与振源间设置隔振措施[5]；针对建筑物隔振，可以在建筑物下设置隔振支座[6]。然后根据类型又分为连续隔振措施和非连续隔振措施，本文旨在土体中设置不同连续隔振措施，研究其减隔振效果。连续型结构是土木工程中常见结构，阻挡振动波传播措施中连续隔振措施减隔振效果明显，对其进行研究也有很多报道。陈炜昀等[7]分析P1波在非饱和土地基表面的反射特性，根据上述波在土体中的传播及衰减规律，设计空沟作为减隔振措施并对其进行了深入研究。肖世伟等[8]通过无限元方式设置黏弹性边界模拟波传到无限远对空沟进行数值分析，发现空沟对高频波具有很好的阻隔效果。孙立强等[9]通过模型试验方式对空沟、填充沟及排桩减隔振效果进行研究，得出空沟减隔振效果要优于其他 2种。陈昆等[10]采用振幅降低比Ar来评价空沟减隔振效果，分析不同空沟尺寸与不同频率荷载之间的关系。以上研究成果都能从理论上以及经验上得到隔振措施的减隔振效果，但是，现在对其研究方面还是停留在有限元阶段，通过有限元对模型进行简化的方式，使其结果与实际工程中相差较大，而且结果不能得到试验验证。本文采用可供对比的模型试验对几种连续隔振措施进行研究，分析其减隔振效果影响因素并得出其之间的优越性。

1 试验概况

钢制试验箱长×宽×高为2 m×1.5 m×1.5 m，粒径小于5.0 mm粉质黏土置于箱内，土体含水率控制在 9%~10%，分层夯实土体，密度控制为1 800~1 900 kg/m3[11]。为了防止振动波遇到钢制箱体会发生反射对试验结果产生影响，故把5 cm厚挤塑式聚苯乙烯板布设箱体内侧四周，并确保其与箱体内壁紧密接触。边界处理方式如图1所示。该试验采用WS-Z30型振动台控制系统，设备主要包括数据采集控制仪、功率放大器、电荷放大器、激振器、信号发生器、加速度计放大器、加速度传感器(灵敏度为 4 PC/ms−2，频率响应为 0.2~8 000 Hz，测量范围为50 m/s2，质量28.5 g)，为了让加速度传感器与土体要紧密贴合，本试验在传感器底部安装一个外径为60 mm，厚度为2 mm，质量为55 g的金属垫片，形成一个底座，加速度传感器详图如 2所示。

图1 边界处理方式及隔振井和传感器布置图Fig. 1 Layout of vibration isolation wells and sensor and the treatment of boundary

图2 加速度传感器详图Fig. 2 Detail of acceleration sensor

2 试验方案

试验中采用7个加速度传感器，其中1号~5号放置在土体表面并以此排列在箱体顶面的中轴线上，用于对土体本身竖向加速度值进行采集，连续隔振措施布置在1号传感器与2号传感器之间，连续隔振措施及传感器布置如图1，6号~7号传感器布置在箱体侧面，用于检测在试验中箱体产生共振的程度，减少箱体的振动对土体内部振动的叠加(见表1)保证了试验数据有效性。相似理论要求实际工程现象要在模型试验中体现出来，振动频率范围为高频、中频、低频，基于此，在试验过程中选定激振频率范围为1~200 Hz的正弦波进行激振，采样频率为5 000次/s，采样时间为10 s，在此期间电荷放大器数值要保持一致[11]。

表1 无隔振措施下2号，3号，4号数值比较Table 1 Numerical comparison of No.2, No. 3, No.4 under no vibration isolation

3号~4号传感器贴于箱体四周外壁上，通过表1可知边沿设置挤塑式聚苯乙烯板具有很好的隔振效果，箱体振动足够小，则说明激振器发出的振动波在路径中即被吸收、反射对传感器扰动较小，从而保证得到数据的准确性。

3 不同工况及试验结果

3.1 无隔振措施试验结果

为了体现减隔振效果，其他工况必须与无隔振措施试验结果相比较，故先在不设置隔振措施情况下进行试验，试验工况如图3所示，采集距离振源不同测点处的垂直加速度，数据如表2所示，并在不同频率条件下绘制加速度随距离变化的衰减曲线如图4所示。从图表可知：随着距离振源增加加速度不断减小，2号传感器加速度相对1号加速度衰减范围在25%~53.5%，并随着距离增加加速度衰减变缓。各点加速度随着频率增加而减小，高频情况下，振动波衰减越剧烈。

图3 无隔振措施方案图Fig. 3 Scheme of no vibration isolation measures

图4 无隔振措施下加速度衰减曲线Fig. 4 Acceleration attenuation curve under no vibration isolation measures

表2 无隔振措施条件下加速度值Table 2 Acceleration value under the condition of no vibration isolation measures m/s2

3.2 空沟隔振措施试验结果

空沟形势简单施工方便在工程中得到普遍应用，为了了解空沟宽度及深度对减隔振效果的影响，本试验方案如图5所示，前边沿距离振源15 cm，空沟宽×深分别为5 cm×40 cm，5 cm×70 cm，10 cm×70 cm，传感器布置形式与无隔振措施时一样。空沟隔振措施条件下沟后各测点加速度值如表3所示，在不同频率条件下沟后4个传感器加速度衰减曲线如图6所示。从图表中可知：可知空沟减隔振效果良好，空沟深度对减隔振效果影响显著，而宽度对其影响不大。

图5 空沟隔振措施方案Fig. 5 Project of the isolation measures about empty trench

表3 不同频率下空沟隔振措施各测点加速度值Table 3 Acceleration value of measuring points about empty trench vibration isolation measures under different frequency m/s2

图6 不同频率下空沟隔振措施加速度衰减曲线Fig. 6 Acceleration attenuation curve of empty trench vibration isolation measures under different frequency

3.3 橡胶颗粒土填充沟隔振措施试验结果

为了弥补空沟隔振措施施工后安全问题，空沟中填充橡胶颗粒土得到工程者青睐，为了研究橡胶颗粒减隔振效果，本试验采用橡胶颗粒作为材料填充于10 cm×70 cm空沟内。试验方案如图7所示，沟后不同频率条件下加速度衰减曲线见图 8，距离振源不同位置处加速度值见表4所示。从图表中可知：以2号传感器为例，不同频率条件下加速度衰减范围在 9.1%~29.4%，可知橡胶颗粒填充沟减隔振效果不显著。

图7 橡胶颗粒填充沟试验方案Fig. 7 Testing scheme of rubber granular filling trench

图8 不同频率条件下橡胶颗粒填充沟加速度衰减曲线Fig. 8 Acceleration attenuation curve of rubber granular filling trench under different frequency

3.4 碎石填充沟隔振措施试验结果

碎石填充沟施工后安全性高，在工程中普遍应用。为了研究碎石填充沟减隔振效果，本试验采用粒径为10~15 mm、其密度为1.35 g/cm3的碎石作为材料填充于10 cm×70 cm空沟内。试验方案如图9所示，沟后不同频率条件下加速度衰减曲线见图10，距离振源不同位置处加速度值见表5所示。从图表中可知：以2号传感器为例，不同频率条件下加速度衰减范围在2%~6.3%，可知碎石填充沟减隔振效果不明显。

表4 不同频率下橡胶颗粒填充沟各测点加速度值Table 4 Acceleration value of rubber granular filling trench under different frequency m/s2

图9 碎石填充沟试验方案Fig. 9 Testing scheme of gravel filling trench

表5 不同频率下碎石填充沟各测点加速度值Table 5 Acceleration value of gravel filling trench filling trench under different frequency m/s2

图10 不同频率条件下碎石填充沟加速度衰减曲线Fig. 10 Acceleration attenuation curve of gravel filling trench under different frequency

3.5 沙填充沟隔振措施试验结果

为研究沙填充沟对振动波阻隔效果及其影响因素，本试验选用细(小于0.25 mm粒径)干砂砂样(含水率2%)作为材料填充于10 cm×70 cm空沟内，沙密度分别为1 184，1 393和1 641 kg/m3，用于研究沙密度对减隔振效果的影响。试验方案如图 11所示，沟后不同频率条件下加速度衰减曲线见图12，距离振源不同位置处加速度值见表7所示。从图表中可知沙填充沟减隔振效果良好，并且沙填充沟随着沙密度增加减隔振效果增大。

图11 沙填充沟试验方案Fig. 11 Testing scheme of sand filling trench

图12 不同频率条件下沙填充沟加速度衰减曲线Fig. 12 Acceleration attenuation curve of sand filoling grove under different frequency

3.6 不同隔振措施试验比较

为了比较不同连续隔振措施优良，本试验在40 Hz条件下，绘制加速度随距离衰减曲线如图13所示，以2号传感器为例可以看出：空沟减隔振效果最优，优劣依次为沙填充沟、纯橡胶颗粒填充沟，碎石填充沟减隔振效果不明显。

表7 不同频率下沙填充沟各测点加速度值Table 7 Acceleration value of sand filling grove under different frequency m/s2

图13 40 Hz条件下不同连续隔振措施比较分析Fig. 13 Different comparative analysis of different continuous vibration isolation measures under the condition of 40 Hz

4 结论

1) 无隔振条件下，随着距离振源增加加速度不断减小，2号传感器加速度相对1号加速度衰减范围在 25%~53.5%，并随着距离增加加速度衰减变缓。各点加速度随着频率增加而减小，高频情况下，振动波衰减越剧烈。

2) 空沟隔振措施与无隔振措施相比，以宽×深为5 cm×40 cm的空沟为例，2号传感器加速度值在不同频率条件下衰减率范围在17.8%~42.4%，可知空沟减隔振效果良好。空沟深度对减隔振效果影响显著，而宽度对其影响不大。

3) 橡胶颗粒、碎石填充沟隔振措施与无隔振措施对比，橡胶颗粒填充沟以2号传感器为例，不同频率条件下加速度衰减范围在 9.1%~29.4%，可知橡胶颗粒填充沟减隔振效果不显著。碎石填充沟以2号传感器为例，不同频率条件下加速度衰减范围在2%~6.3%，可知碎石填充沟减隔振效果不明显。但是橡胶颗粒填充沟减隔振效果优于碎石填充沟。

4) 沙填充沟减隔振效果良好，并且沙填充沟随着沙密度增加减隔振效果增大。在几种填充材料中，沙阻隔振动波效果最为显著，优劣依次为空沟、纯橡胶颗粒填充沟，碎石填充沟减隔振效果不明显。

参考文献：

[1] 刘卫丰, 刘维宁, 袁扬, 等. 地铁列车与道路车辆运行对环境的振动影响现场测试与分析[J]. 铁道学报,2013, 35(5): 80−84.LIU Weifeng, LIU Weining, YUAN Yang, et al. In-situ measurements of and analysis on environmental effects of vibrations induced by passage of metro trains and vehicles on the road[J]. Journal of the China Railway Society, 2013, 35(5): 80−84.

[2] 邬玉斌, 张斌, 刘应华, 等. 地铁车辆段库上建筑环境振动影响规律研究[J]. 铁道学报, 2015, 37(8): 98−103.WU Yubin, ZHANG Bin, LIU Yinghua, et al. Law of vibrations influence of subway on metro depot superstructure[J]. Journal of the China Railway Society,2013, 35(5): 80−84.

[3] Kattis S E, Polyzos D, Beskos D E. Vibration isolation by a row of piles using a 3-D frequency domain BEM[J]. Int J Numer Meth Eeg, 1999, 46(7): 13−28.

[4] Takemiya H. Field vibration mitigation by honeycomb WIB for piles foundations of a high-speed train viaduct[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2004, 24(1):69−87.

[5] Adam M, Estorff O. Reduction of train-induced building vibrations by using open and filled trenches[J]. Computer Structure, 2005, 83: 1−24.

[6] 盛涛, 李亚明, 张辉, 等. 地铁邻近建筑的厚层橡胶支座基础隔振试验研究[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(2):35−40.SHENG Tao, LI Yaming, ZHANG Hui, et al. Field experiment study of subway nearby building's base isolation by laminated thick rubber isolator[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(2): 35−40.

[7] 陈炜昀, 夏唐代, 黄睿, 等. P1波在非饱和土地基表面的反射特性[J]. 工程力学, 2013, 30(9): 56−62.CHEN Weiyun, XIA Tangdai, HUANG Rui, et al.Reflection characteristics of P1 waves at the free boundary of unsaturated soil[J]. Engineering Mechanics,2013, 30(9): 56−62.

[8] 肖世伟, 雷长顺, 郭超, 等. 高速铁路空沟隔振数值分析[J]. 铁道工程学报, 2011(8): 23−29.XIAO Shiwei, LEI Changshun, GUO Chao, et al.Numerical analysis of vibration reduction of open trench for high-speed railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2011(8): 23−29.

[9] 孙立强, 李嘉, 刘彬, 等. 空沟、碎石填充沟和排桩隔振效果试验研究[J]. 地震工程学报, 2015, 37(2):342−348.SUN Iiqiang, LI Jia, LIU Bin, et al. Experimental study on vibration isolation effects of open trench, grave-filled trench, and piles in a row[J]. China Earthquake Engineering Journal, 2015, 37(2): 342−348.

[10] 陈昆, 贾霄, 刘彬, 等. 高速铁路空沟隔振措施隔振效果的有限元分析[J]. 地震工程学报, 2014, 36(3): 575−579.CHEN Kun, JIA Xiao, LIU Bin, et al. Finite element analysis of reducing the high-speed railway vibration effect on the environment using open trenches[J]. China Earthquake Engineering Journal, 2014, 36(3): 575−579.

[11] 黄建坤. 周期性排桩和波屏障在土木工程减振中的应用研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2014.HUANG Jiankun. Application of periodic pile barriers and wave barriers to reduce vibration in civil engineering[J]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2014.