孫立強(qiáng)， 李 嘉， 劉 彬， 樊繼良

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津市濱麗建設(shè)開(kāi)發(fā)投資有限公司，天津 300301； 3.天津市勘察院，天津 300191)

空溝、碎石填充溝和排樁隔振效果試驗(yàn)研究①

孫立強(qiáng)1， 李 嘉1， 劉 彬2， 樊繼良3

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津市濱麗建設(shè)開(kāi)發(fā)投資有限公司，天津 300301； 3.天津市勘察院，天津 300191)

高速鐵路、地鐵、輕軌等軌道交通迅速發(fā)展深入城市內(nèi)部人群密集地區(qū)，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)影響不容忽視?？諟?、碎石填充溝和排樁是三種常用的軌道交通隔振措施。通過(guò)大比例尺試驗(yàn)，采用加速度作為振動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別研究空溝、碎石填充溝和排樁的隔振效果。各組試驗(yàn)除隔振措施外其他條件均完全相同，使不同隔振措施的隔振效果具有較強(qiáng)的可比性，通過(guò)比較三種隔振措施與無(wú)隔振措施下影響區(qū)的加速度衰減率，評(píng)價(jià)其隔振效果，同時(shí)通過(guò)三種隔振措施下距離振源不同位置處的加速度比較其隔振效果。研究成果可為軌道交通隔振措施及方案的選取提供依據(jù)。

隔振； 空溝； 碎石填充溝； 排樁； 模型試驗(yàn)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，高速鐵路、城際快速列車、城市地鐵和輕軌等軌道交通由于其方便、快捷、安全、準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展，已深入到城市建筑和人群密集區(qū)域。軌道交通引起的振動(dòng)對(duì)城市生活環(huán)境和工作環(huán)境產(chǎn)生的影響引起人們的高度重視，軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)及控制研究成為一個(gè)重要的研究課題[1]。

國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)軌道交通引起的周圍環(huán)境的振動(dòng)進(jìn)行了理論研究，研究表明，當(dāng)列車運(yùn)行速度較高時(shí)，將引起周邊環(huán)境的強(qiáng)烈振動(dòng)，尤其當(dāng)列車運(yùn)行速度接近地基表面波速時(shí)，將引起列車與地基的共振[2]，需要采取一定的隔振措施來(lái)降低軌道交通振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。

空溝(又稱隔振溝)、碎石填充溝和排樁是三種常見(jiàn)的軌道交通隔振措施。卜建清[3]定性簡(jiǎn)述了設(shè)置地下隔振溝和隔振墻減振效果。曹志剛等[4]從理論上運(yùn)用飽和半空間模型來(lái)研究地基上隔振溝對(duì)高速列車的隔振效果，表明隨著列車運(yùn)行速度的提高，空溝的隔振效果明顯提高。李志毅等[5]基于瑞利波散射的積分方程法，研究了瑞利波作用下彈性土體中排樁隔振效果。為避免理論模型假設(shè)造成的誤差，一些學(xué)者用有限元方法對(duì)隔振措施進(jìn)行了研究，馮牧等[6]通過(guò)有限元方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了隔振溝對(duì)地鐵周邊建筑的隔振效果；肖世偉等[7]運(yùn)用無(wú)限元和黏彈性邊界模擬土體的半無(wú)限空間狀態(tài)對(duì)空溝隔振進(jìn)行了數(shù)值分析。

以上研究能夠從經(jīng)驗(yàn)上或者理論上得到某種隔振措施的隔振效果，但是在建立理論模型或數(shù)值模型的過(guò)程中進(jìn)行了相當(dāng)程度的簡(jiǎn)化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際有一定差距，且計(jì)算結(jié)果未能得到試驗(yàn)的驗(yàn)證。同時(shí)上述研究多圍繞某一種隔振措施展開(kāi)研究，不同隔振措施的效果之間難以相互比較。因此，本文通過(guò)幾組可供對(duì)比的模型試驗(yàn)，分別進(jìn)行不設(shè)置障礙、空溝、碎石填充溝和排樁的試驗(yàn)，除隔振措施外其他條件相同，使不同的隔振措施具有真實(shí)的可比性。

1 試驗(yàn)原理和設(shè)備

針對(duì)空溝、碎石填充溝和排樁三種隔振措施分別進(jìn)行模型試驗(yàn)，其中空溝又對(duì)不同深度、不同寬度等工況，混凝土樁又對(duì)不同樁長(zhǎng)、不同樁距等工況分別進(jìn)行試驗(yàn)。各組試驗(yàn)除隔振措施外其他條件均完全相同，使不同隔振措施的隔振效果具有較強(qiáng)的可比性。不同隔振措施的試驗(yàn)結(jié)果和不設(shè)置隔振措施的試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比可分析該種措施的隔振效果，不同隔振措施的試驗(yàn)結(jié)果之間進(jìn)行對(duì)比可分析不同隔振措施的隔振效果，從而使評(píng)價(jià)更客觀。

試驗(yàn)使用的設(shè)備主要包括激振器、功率放大器、任意波信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集箱、信號(hào)調(diào)理儀、力傳感器和加速度傳感器。激振器的四端分別用四根彈簧與鐵架的四個(gè)角點(diǎn)連接，如圖1所示；將傳感器固定在與地面水平貼合良好的角鐵上，保證其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖2所示。傳感器測(cè)試到的信號(hào)采用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)CRAS進(jìn)行采集。

圖1 試驗(yàn)采用的激振器Fig.1 The vibration exciter used in the test

圖2 加速度傳感器固定Fig.2 The accelerometer fixed on the angle iron

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)儀器布置如圖3所示，其中激振器位置處設(shè)置力傳感器，1～6為六個(gè)加速度傳感器，圖中已標(biāo)明它們和振源的距離。其中為準(zhǔn)確測(cè)試振動(dòng)波經(jīng)過(guò)隔振結(jié)構(gòu)后距離隔振措施距離較近位置處的變化情況，設(shè)置1、2、3三個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果取平均值以減小試驗(yàn)誤差影響，和振源的距離可近似認(rèn)為均為2.0 m。

圖3 試驗(yàn)儀器布置平面圖Fig.3 Test instrument layout plan

為得到更好的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)地基土進(jìn)行處理，開(kāi)挖一個(gè)長(zhǎng)6 m、寬3 m、深0.6 m的基坑，將土體中不均勻的石塊、樹(shù)根等雜物篩除后分三層夯實(shí)。

李志毅[8]通過(guò)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算指出，高速列車引起地面振動(dòng)的主頻在100 Hz左右，屬于高頻范圍，在距軌道近處出現(xiàn)，隨距軌道距離增大衰減為中頻(40～100 Hz)，距軌道15 m以上時(shí)主要由低頻控制。因此，本試驗(yàn)分別對(duì)不同工況采用不同頻率的波激振，激振波的頻率范圍為20～80 Hz，屬于中低頻的范圍，以模擬軌道交通荷載引起的路基的振動(dòng)，分別得到不同頻率下各測(cè)點(diǎn)位置的加速度。

3 不同試驗(yàn)工況方案和試驗(yàn)結(jié)果

通常采用振級(jí)作為對(duì)振動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，振級(jí)系由加速度得到，我國(guó)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]規(guī)定了振動(dòng)加速度級(jí)的計(jì)算方法：

(1)

式中：VAL為振級(jí)，單位為dB；a為振動(dòng)加速度有效值；a0為基準(zhǔn)加速度。

各國(guó)對(duì)振級(jí)的規(guī)定基本按式(1)計(jì)算，但稍有差異，體現(xiàn)在對(duì)振動(dòng)加速度有效值anms進(jìn)行一定的修正和基準(zhǔn)加速度a0取值的差異。

本試驗(yàn)使用的激振設(shè)備功率有一定的限制，產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度和列車荷載引起的振動(dòng)有一定的差距，因此采用加速度作為振動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。激振器施加的力由功率放大器調(diào)節(jié)，無(wú)法精確控制其大小，所以在進(jìn)行結(jié)果對(duì)比時(shí)，采用加速度峰值除以力峰值作為測(cè)試結(jié)果，消除激振器施加力大小不同引起的結(jié)果差異。以下為不同工況的試驗(yàn)詳細(xì)方案和測(cè)試結(jié)果。

3.1 不設(shè)置障礙的試驗(yàn)結(jié)果

為了比較各種隔振措施的不同效果，首先在不設(shè)置障礙情況下進(jìn)行試驗(yàn)，作為各種隔振措施試驗(yàn)的對(duì)照組，試驗(yàn)方案如圖3所示。試驗(yàn)得到不同頻率激振力作用下各測(cè)點(diǎn)的加速度值，經(jīng)過(guò)處理如表1所示。將不同頻率下各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值繪制成隨距離變化的曲線(圖4)。

圖4 不設(shè)障礙時(shí)加速度峰值/力的峰值隨距離變化曲線Fig.4 Variation curve of peak acceleration / peak force with distance when no obstacle was installed

表1 不設(shè)障礙時(shí)不同頻率下加速度峰值/力的峰值測(cè)試結(jié)果(單位：(m/s2)/N)

Table1 The test results of peak acceleration / peak force at different frequencies when no obstacle was installed (unit：(m/s2)/N)

距振源距離/m激振頻率/Hz203040506070802．00．00840．00710．01980．01630．02330．03450．03212．50．00580．00600．01240．01230．01330．01850．01973．00．00660．00630．00760．01390．01280．01610．01513．50．00340．00300．00420．00360．01020．01870．0062

3.2 設(shè)置空溝的試驗(yàn)結(jié)果

空溝是一種常見(jiàn)的簡(jiǎn)單隔振措施，對(duì)不同寬度和深度的空溝隔振效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)設(shè)置的空溝如圖5所示，試驗(yàn)方案如圖6所示?？諟蠈挕辽罘謩e為0.2 m×0.25 m、0.2 m×0.5 m、0.6 m×0.5 m，其他儀器在圖1試驗(yàn)儀器布置平面圖中已有標(biāo)示，沒(méi)有變動(dòng)不再重新標(biāo)示。試驗(yàn)得到不同頻率激振力作用下各測(cè)點(diǎn)的加速度值，經(jīng)過(guò)處理如表2所示，將不同頻率下各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值繪制成隨距離變化的曲線(圖7)。

圖5 試驗(yàn)設(shè)置的空溝Fig.5 The open trench installed in the test

3.3 設(shè)置碎石填充溝的試驗(yàn)結(jié)果

碎石填充溝也是一種常見(jiàn)的隔振措施，在寬×深為0.2 m×0.5 m的空溝內(nèi)填入碎石，如圖8所示，試驗(yàn)方案如圖9所示。同樣進(jìn)行上述試驗(yàn)，得到不同頻率激振力作用下各測(cè)點(diǎn)的加速度值，經(jīng)過(guò)處理如表3所示，將不同頻率下各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值繪制成隨距離變化的曲線(圖10)。

圖6 設(shè)置空溝的試驗(yàn)方案布置Fig.6 Test program of installing open trenches

圖7 設(shè)置空溝時(shí)加速度峰值/力的峰值隨距離變化曲線Fig.7 Variation curve of peak acceleration / peak force with distance when open trenches were installed

表2 設(shè)置空溝時(shí)不同頻率下加速度峰值/力的峰值測(cè)試結(jié)果(單位：(m/s2)/N)

3.4 設(shè)置混凝土排樁方案和試驗(yàn)結(jié)果

排樁隔振也是工程中較為常見(jiàn)的隔振措施，本次試驗(yàn)制作了邊長(zhǎng)0.2 m，長(zhǎng)0.5 m和1 m兩種混凝土方樁，試驗(yàn)布置的排樁如圖11所示，具體方案見(jiàn)圖12。試驗(yàn)得到不同頻率激振力作用下各測(cè)點(diǎn)的加速度值，經(jīng)過(guò)處理如表4所示，將不同頻率下各測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值繪制成隨距離變化的曲線(圖13)。

表3 設(shè)置碎石填充溝時(shí)不同頻率下加速度峰值/力的峰值測(cè)試結(jié)果(單位：(m/s2)/N)

圖8 試驗(yàn)設(shè)置的碎石填充溝Fig.8 The gravel-filled trench installed in the test

圖9 設(shè)置碎石填充溝的實(shí)驗(yàn)方案Fig.9 Test program of installing gravel-filled trench

圖10 設(shè)置碎石填充溝時(shí)加速度峰值/力的峰值隨距離變化曲線Fig.10 Variation curve of peak acceleration / peak force with distance when gravel-filled trench was installed

圖11 試驗(yàn)設(shè)置的排樁Fig.11 The piles in row installed in the test

圖12 設(shè)置混凝土排樁的試驗(yàn)方案Fig.12 Test program of installing piles in row

4 結(jié)果分析和建議

為了比較不同隔振措施的隔振效果，以激振頻率為40 Hz為例，將不設(shè)隔振措施連同不同隔振措施下各測(cè)點(diǎn)的加速度峰值/力峰值試驗(yàn)值隨距震源距離曲線繪制在同一坐標(biāo)系中(圖14)，比較不同激振頻率下不同隔振措施的隔振效果。通過(guò)試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

(1) 各測(cè)點(diǎn)的豎向加速度隨測(cè)點(diǎn)距振源距離的增大而減小，距振源較近處衰減快，距振源較遠(yuǎn)處衰減慢。各點(diǎn)的加速度響應(yīng)隨輸入波頻率增大而增大，頻率越高隨距振源距離衰減越快，基本符合波在地基土中的傳播規(guī)律。

(2) 比較不設(shè)置障礙和設(shè)置空溝兩組試驗(yàn)結(jié)果的加速度峰值和力峰值的比值，空溝后該測(cè)點(diǎn)值明顯小于不設(shè)置障礙時(shí)，表明空溝能起到有效的隔振作用；對(duì)比不同深度和寬度的空溝試驗(yàn)結(jié)果可知，空溝深度越大隔振效果越好，而空溝寬度對(duì)加速度影響不大。

表4 設(shè)置混凝土排樁時(shí)不同頻率下加速度峰值/力的峰值測(cè)試結(jié)果(單位：(m·s-2)/N)

Table4 Test results of peak acceleration/peak force at different frequencies when piles in row were installed

排樁類型(長(zhǎng)×間距)/(m×m)距振源距離/m激振頻率/Hz203040506070800．5×0．22．00．00220．00220．00420．00670．01000．01070．02082．50．00210．00190．00240．00660．00680．00670．01213．00．00160．00190．00190．00440．00620．01040．00723．50．00170．00160．00280．00420．00640．00490．01220．5×0．42．00．00490．00510．00710．01280．00790．01740．03382．50．00380．00440．00350．01180．00810．01030．01013．00．00450．00550．00520．01400．01440．01690．01583．50．00220．00270．00320．00420．00710．01230．01201．0×0．42．00．00490．00450．00400．00660．01090．01470．02152．50．00210．00140．00160．00450．00460．00960．01303．00．00290．00250．00180．00570．01570．02290．01833．50．00210．00140．00250．00250．00460．01260．0085

圖14 激振頻率40 Hz下不同隔振措施效果Fig.14 Vibration- isolation effects of different measures at a frequency of 40 Hz

(3) 比較不設(shè)置障礙和設(shè)置碎石填充溝的試驗(yàn)結(jié)果，碎石填充溝也有一定的隔振作用，但效果不明顯。

(4) 比較不設(shè)置障礙和設(shè)置混凝土排樁的試驗(yàn)結(jié)果，排樁可以起到很好的減振作用，并且符合樁距越小隔振效果越好的規(guī)律，而增加樁的長(zhǎng)度隔振效果沒(méi)有明顯提高。

該結(jié)果通過(guò)大比尺試驗(yàn)得到，與實(shí)際情況符合較好，可以真實(shí)比較不同隔振措施的隔振效果，為軌道交通隔振措施的合理選用提供一定的依據(jù)。

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Experimental Study on Vibration-isolation Effects of Open Trench, Gravel-filled Trench, and Piles in a Row

SUN Li-qiang1， LI Jia1， LIU Bin2，F(xiàn)AN Ji-liang3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety，TianjinUniversity，Tianjin300072，China；2.TianjinBinliConstructionDevelopmentInvestmentCo.，Ltd，Tianjin300301，China；3.TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigation&Surveying，Tianjin300191，China)

Rail transportation such as high-speed railways，metros，and skytrains develop fast and go deep into the densely populated inner cities，where its vibration impact on the environment cannot be ignored.Open trenches，gravel-filled trenches，and piles in a row are three common vibration-isolation measures.We established a model test，which uses the acceleration as the evaluation index of vibration，and studied the vibration-isolation effects of open trenches，gravel-filled trenches，and piles in a row.Test conditions among each group of tests are the same except for the isolation measure.Each isolation measure’s isolation effect can be analyzed by contrasting the results between this isolation measure and the test group without an isolation measure；the effects of different isolation measures can be analyzed by contrasting the results between test groups without different isolation measures，so the effects of different vibration-isolation measures can be objectively evaluated.

vibration isolation； open trench； gravel-filled trench； piles in a row； model test

2014-08-20

天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(13JCZDJC35300)

孫立強(qiáng)(1979-)，男，山東青島人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事軟土地基處理及巖土工程等方面的教學(xué)和科研.E-mail:slq0532@126.com

通迅作者：李 嘉(1986-)，男，博士研究生，主要從事巖土工程方面的研究.E-mail:li_jia@tju.edu.cn

TU43

A

1000-0844(2015)02-0342-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0342