高速铁路路堤中WIB减隔振效果研究

陈洪运, 孙树礼, 宋绪国, 郭帅杰

(1. 中国铁路设计集团有限公司, 天津 300251;2. 中国铁路设计集团有限公司轨道交通勘察设计工程实验室, 天津 300251)

0 引言

随着我国国民经济水平发展,人民群众对办公、生活环境的要求也越来越高,高速铁路线路带来的既有居住区、厂房、古迹等环境振动问题愈发被人关注。频繁急剧的振动会严重影响人们的身心健康,干扰正常的工作生产,导致建筑结构物的损坏[1-3]。为有效治理环境振动,学者们对不同措施的减隔振效果进行了大量研究。现场试验是验证不同措施实际减隔振效果最有效的手段,但现场试验所需费用极高,相对于现场试验的超大体量与高昂费用,模型试验与数值仿真则更为简便易行。鉴于此,一些学者开展了相关研究,但研究内容基本都是基于Woods[4]的空沟屏障参数原位试验开展的针对远场被动减隔振屏障措施的研究[5-7]。研究发现基岩上的土体振动存在截止频率,当振动荷载的频率小于截止频率时,土体中没有振动波;当振动荷载的频率大于截止频率时,土体中才会有振动,基于此,Schmid等[8]提出了WIB的概念,在土体中人为设置基岩进行减隔振,可有效削弱低频振动。高广运等[9-13]围绕WIB开展了大量研究,结果表明,在靠近振源底部的地基中设置WIB有显著的近场主动减隔振效果,通过采取增加WIB厚度、提高WIB弹性模量、减小WIB埋深等措施可以有效提高WIB的减隔振效果。不过其研究内容均是WIB位于地基中的情况,没有对WIB在铁路路基中常见的路堤结构中的应用进行研究。为对紧邻振源的铁路路堤中WIB的主动减隔振效果进行研究,开展了模型试验与数值仿真分析,对比分析了WIB底面与路堤顶面垂直间距不同时的减隔振效果。

1 模型试验

根据自身具备的试验设备条件,制定了铁路路堤中WIB近场主动减隔振效果的原理性模型试验方案,通过共同的原理(而非相似比)建立试验与实际工程的联系,不必完全按照比例复制实际结构[14]。试验具体流程如下。

1.1 模型施作

模型槽位于地面以下,尺寸为长5 m×宽2 m×深1.5 m,周边场地空旷,地下无建筑物基础。原土层为杂填土,为消除不均匀土层与大颗粒杂质对试验结果的干扰,需先施作模型槽。将模型槽内原有杂填土挖出,整平模型槽底部及周边,铺设防水塑料布,防止降雨等因素引起的地下水位变化对试验结果造成影响;将挖出的原状土过1 cm网筛,与粉砂1:1拌合回填,每回填20 cm分层夯实;模型槽周边挖排水沟,降雨时在模型槽表面铺设防水塑料布,防止雨水进入模型槽内。

在模型槽内堆土,形成一方台形路堤,路堤高30 cm,路堤顶面边长70 cm,底面边长120 cm(图1)。由于路堤顶面土质松散,传感器无法固定,故在路堤顶面放置刚性板(本试验中刚性板采用厚2 cm的大理石板,边长略大于路堤顶面),可以方便地将传感器固定在刚性板顶面。当激振系统直接放置在刚性板顶面时,其强烈且高频的振动容易导致整个结构失稳,故在刚性板与激振系统之间设置土垫层,可起到缓冲作用,避免结构失稳。

图1 WIB近场主动减隔振试验模型Fig.1 Near-field active vibration isolation test model for WIB

1.2 试验仪器

试验仪器包括激振系统与数据采集系统两部分。

激振系统(图2)包括SPF05型DDS数字合成函数/任意波信号发生器、HEA-500G型功率放大器与HEV-500型高能电动式激振器。

图2 激振系统Fig.2 Excitation system

激振系统运作模式:信号发生器生成不同频率的简谐波,将该简谐波信号经功率放大器发送至激振器,使激振器动圈发出指定频率、波形、幅值的振动。另外,通过橡皮绳与金属弹簧将激振器与支架进行弹性连接,通过焊接在一起的连接杆与方形钢板基础将激振器动圈发出的简谐荷载传至模型表面,从而将激振系统弹性地固定于模型表面。激振荷载通过土垫层和刚性板传递至路堤表面,施加荷载频率为300 Hz范围内、5 Hz的整数倍,即依次施加5 Hz、10 Hz、15 Hz、…、300 Hz等不同频率的简谐荷载。

数据采集系统包括加速度传感器与数据采集仪。加速度传感器采用丹麦Brüel & Kjær公司生产的4507B-001型单轴压电加速度计:灵敏度10 mV/g,频率范围0.1～6 kHz,质量4.8 g。加速度传感器测得的数据通过LMS公司的数据采集仪采集并存储,设置采样频率为4 096 Hz,采样时长30 s。

考虑到传感器体型小、重量轻,自身难以稳固地与地面贴合,制作了传感器工装(图3)。先将传感器底座与铁钉的钉帽胶结,再将传感器底部卡入底座中,试验时将做好的工装铁钉竖直地压入土中固定。

数据采集系统运作模式:将振动加速度传感器布设于试验模型表面指定测点位置处(图4),监测该点位的振动加速度信号,监测到的振动加速度信号通过数据线传递至LMS数据采集仪,LMS数据采集仪与电脑通过网线连接,在电脑界面打开LMS数据采集程序,将数据导出。

图4 测点布置示意图(单位:cm)Fig.4 Schematic diagram of measuring point arrangement (Unit:cm)

1.3 试验工况与结果分析

为对比研究WIB位于路堤中不同高度处的减隔振效果,分别制作了2块厚度为5 cm的方形钢丝混凝土板,边长分别为80 cm、100 cm。模型施作时,WIB底面分别距离路堤顶面10 cm、20 cm,使WIB刚好贯穿路堤(图1)。

振动加速度传感器的布置如图3所示,测点①作为基准点,固定在刚性板顶面边缘;其他各测点固定于模型槽地表,且间隔随距离增大。为避免传感器工装反复插拔导致工装与土体的紧实度不一致,进而对试验数据造成干扰,故施作不同工况时,地表传感器仍留在原位,不必因为工况的调整而反复拆装传感器。

对测得的时域数据进行快速傅里叶变换(FFT),得到相应的频域数据,在频域数据中读取施加的激振荷载对应频率的加速度幅值,然后在每组指定频率激振荷载工况中对各测点数据频谱中指定频率的加速度幅值相对于测点①作归一化处理。将不同激振频率对应的归一化加速度幅值取平均值,用各测点的加速度平均值绘制各主动减隔振措施作用时的振动传播衰减曲线,对比分析不同减隔振措施针对地表振幅的减隔振效果以及减隔振特点。

通过对比WIB底面与路堤顶面垂直间距不同时的减隔振效果,分析WIB底面与路堤顶面垂直间距对周边环境减隔振效果的影响。

如图5所示,WIB底面距离路堤顶面远近不同时的模型试验结果表明:有/无WIB的各测点归一化振幅差异明显,说明WIB有明显的减隔振效果;WIB位于路堤中不同高度时各测点归一化振幅也差异明显,且WIB越靠近路堤顶面效果越好。对于常规的梯形路堤而言,WIB距离路堤顶面越近,其宽度越小,所需的混凝土方量越少,反而减隔振效果越好,不会因为靠近路堤底面的WIB体量更大而效果更好。因此在靠近路堤顶面的位置施作WIB,可以用较少的材料用量获得更好的减隔振效果。

图5 归一化振幅随距离变化曲线Fig.5 Normalized amplitude vs. distance

2 数值仿真

为进一步验证模型试验结论的合理性,采用FLAC3D构建了高速铁路路基三维模型,开展了高速铁路路堤中WIB减隔振效果的三维动力数值仿真分析。

2.1 数值仿真模型构建

基于京沪高铁廊坊站附近路基段,确定数值仿真模型尺寸(图6)。模型沿轨道方向长80.6 m,地基深60 m,一侧长20 m、另一侧长80 m;轨道板厚取轨道板、水泥乳化沥青砂浆调整层、支承层厚度的总和为0.53 m,每侧的板宽取支承层底面宽为3.25 m,双线中心距5 m,轨距1.435 m,扣件间距0.65 m;路基面宽度13.6 m,路堤边坡坡度1∶1.5,底面宽20.8 m;路堤高2.4 m,其中基床表层级配碎石厚0.4 m,基床底层A、B组土厚2 m;筏板宽20.8 m、厚0.5 m,桩顶垫层与筏板同宽、厚0.15 m;桩体底部深24 m,桩径0.5 m,桩间距1.6 m。

图6 数值仿真模型Fig.6 Numerical simulation model

采用FLAC3D建立上述尺寸的高速铁路路基段三维动力仿真分析模型,在权衡了计算时长和网格尺寸后,设置模型主体中的土体网格尺寸约为1 m/格,网格均匀划分,保证拾取的地表振动加速度数据的频率在1～80 Hz范围内均有响应;将2 m厚的基床底层等分为5层,每层厚0.4 m。

由于铁路振动造成的周边土体的应变量一般小于10-4,主要导致周边结构物的弹性变形,故模型中的材料可均按线弹性材料考虑,各部分的材料参数列于表1。其中轨道板混凝土等级为C15,WIB与筏板的混凝土等级为C30,桩体混凝土等级为C20。

表1 数值仿真模型材料参数

为反映模型的振动阻尼特性,通过试算对比不同阻尼形式的计算效率与结果精度,确定模型采用的力学阻尼形式为局部阻尼,在振动循环中通过在节点上增加或减小质量的方法达到收敛,局部阻尼系数取0.35。

动力分析模型周围边界上存在波的反射,会对结果产生影响。为防止模型边界的振动波反射,设置静态边界,其在模型的法向和切向分别设置自由的阻尼器从而实现吸收入射波、减少模型边界上波的反射的目的。相对于其他边界条件,静态边界的计算效率高,且精度满足要求。

列车荷载采用车轨耦合荷载,其中高速铁路动车型号为CRH380B,头尾车长25.850 m,中间车长24.825 m,列车编组布置形式为M-T-M-T-T-M-T-M(M为动车,T为拖车),每4节一个单元,车速300 km/h,车辆计算参数列于表2,CRTSⅡ型无砟板式轨道结构计算参数列于表3,轨道随机不平顺采用美国5级谱。通过车辆-轨道耦合模型的计算,即可得到各扣件受力大小随时间变化的数据。

表2 动车车辆计算参数

构建好模型后,在各步骤中将上述动力计算参数赋予模型,将车轨耦合模型计算得到的各扣件力施加于模型中各扣件位置处,开展高速铁路路基环境振动的三维动力数值仿真计算,同时在模型表面、垂直于高速铁路线路的中轴线上设置一系列监测点,记录各测点的竖向振动加速度。

表3 无砟轨道结构计算参数

2.2 模拟工况与结果分析

分别设置基床各层为WIB,进行高速铁路路基主动减隔振措施的三维动力仿真分析,拾取地表各监测点的竖向振动加速度,处理得到各监测点的Z振级,对比不同工况下各测点的振级大小,分析WIB底面与路堤距离不同时对减隔振效果的影响。

如图7所示,WIB底面与路堤顶面距离不同时对减隔振效果影响的高速铁路路基三维动力数值仿真分析结果表明:当WIB底面距离路堤顶面2 m时,地表不同位置处的减隔振效果约为2.5 dB;当WIB底面距离路堤顶面1.2 m与1.6 m时,地表不同位置处的减隔振效果约为5 dB;当WIB底面距离路堤顶面0.8 m时(紧贴在基床表层下),距离线路外轨50 m范围内减隔振效果由7 dB逐渐增大至10 dB,距离线路外轨50～60 m范围内,减隔振效果迅速地由10 dB增大至17 dB,后趋于稳定;当WIB底面距离路堤顶面0.4 m时(即基床表层为WIB),减隔振效果略优于1.2 m与1.6 m,但差距不大,明显不及0.8 m。综上,WIB在基床底层中越靠近路堤顶面,减隔振效果越好,与模型试验结论基本一致,验证了模型试验方法的合理性与适用性。

图7 Z振级随距离的变化Fig.7 Z vibration level vs. distance

综上,在高速铁路路堤的基床底层的顶面设置WIB可起到有效的减隔振效果。对于新建线路,WIB按常规混凝土板施作即可;对于既有线,WIB可通过在路堤边坡处连续施作水平旋喷桩来实现,可有效降低对既有线正常运营的影响[15]。

3 结论

通过模型试验与数值仿真分析,对WIB底面与路堤顶面垂直间距不同时的减隔振效果进行了研究,主要结论如下:

(1) 构建的铁路路基主动减隔振原理性试验模型能够较好地反映WIB在铁路路堤中的减隔振效果,采用该模型试验方案研究WIB底面与路堤顶面垂直间距对减隔振效果的影响是可行的。

(2) 模型试验与数值仿真结果均表明,在路堤结构中设置WIB有较好的减隔振效果。

(3) 模型试验结果表明,WIB越靠近路堤顶面,减隔振效果越好。

(4) 数值仿真结果表明,在高速铁路路堤的基床底层中,WIB也是越靠近路堤顶面,减隔振效果越好;当将WIB置于基床表层时,虽然此时WIB更靠近路堤顶面,但其减隔振效果不及WIB位于基床底层顶面时。