陈洪运

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司轨道交通勘察设计工程实验室，天津　300251)



轨道交通路基段减隔振屏障的模型试验研究

陈洪运1，2

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司轨道交通勘察设计工程实验室，天津300251)

摘要：为了研究不同因素对屏障减隔振效果的影响，通过模型试验得到300 Hz内10 Hz整数倍的不同频率简谐荷载引起的振动波在地表的传播衰减规律，并对比分析无屏障及钢筋混凝土板、泡沫塑料板、非连续空井排、连续空井排、不同排距排桩、不同排数排桩等不同减隔振屏障措施的减隔振效果。试验结果表明：钢筋混凝土板屏障的减隔振效果最好；非连续空井排屏障与排桩屏障的减隔振效果无明显差异；当桩距固定为1.5倍桩径，调整排距至2.5倍桩径时，排桩屏障的减隔振效果最佳；排数越多，排桩屏障的减隔振效果越好；在各类减隔振屏障后均存在一定范围的振动隔离区，在振动隔离区范围外，屏障的减隔振效果消失。

关键词：轨道交通；模型试验；简谐荷载；减隔振屏障；传播衰减规律

1概述

轨道交通因其具有运量大、速度快、安全、准点、节能等优点，使得大量轨道交通线路在我国建设运营。但是，与此同时，轨道交通引起的周边环境振动问题也日益突出。振动被认定为七大环境公害之一，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]。减隔振屏障是一种在振动传播路径过程中起减隔振作用的工程措施，因其施工不影响既有线路的正常运营，故尤其适用于大量既有线路引起周边环境振动的治理。

国内外学者在这方面进行了大量研究，但现阶段的研究成果还主要集中在对轨道交通振动特性的现场实测分析[2-5]，借助数值仿真软件分析各类减隔振屏障的减隔振效果[6-9]，而对减隔振屏障在实际工程应用中的研究还比较缺乏，造成这一现象的主要原因是现场试验的消耗极大，较难开展。相对于现场试验，模型试验则更为简便易行，通过较少的投入，也可获得一些有用的成果。鉴于此，本文参考已有研究成果[10-12]，结合自身具备的试验设备条件，制定模型试验方案，对比分析不同型式减隔振屏障的减隔振效果，方便进行各类减隔振屏障的前期优选。

2试验方法

2.1模型槽施作

试验场地位于天津市西青区，模型槽尺寸为5 m×3 m×1.5 m。为使试验槽土质均匀、试验机制可控，挖出试验槽内原有杂填土后，将模型槽底部及周边整平，并铺设防水塑料布，将挖出的原状土过1 cm网筛，与粉砂1∶1拌和回填，每回填15 cm分层夯实。

2.2试验仪器

试验仪器包括激振系统与数据采集系统两部分。

激振系统中的信号发生器采用南京盛普仪器科技有限公司生产的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均由南京航空航天大学振动工程研究所与南京佛能科技实业有限公司联合生产。

不同轨道交通区段在运营期间引起的振动向周边环境辐射的路径不同，桥梁段的振源除位于地表的墩台外，还有部分位于地下的桩体，隧道段的振源主要位于地下与山体内，而路基段的振源仅位于地表，故本试验将激振器系统置于地面，使振动荷载直接作用于地表，施加荷载频率为300 Hz范围内、10 Hz的整数倍，即依次施加10、20、30 Hz……300 Hz等不同频率的简谐荷载。

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地面，从而将激振系统弹性地固定于地面，如图1所示。

图1　激振器系统

数据采集系统中的加速度传感器采用江苏联能电子技术有限公司生产的CA-YD-189型压电式加速度传感器(灵敏度100 mV/m·s-2，频率范围0.2～1 000 Hz，最大允许加速度50 m·s-2，质量110 g)，信号调理仪与数据采集箱包含于南京安正软件工程有限责任公司的振动及动态信号采集分析系统中，包括8通道AZ808-A信号调理仪与16通道AZ316 USB口数据采集箱。振动加速度数据采样频率为2 560 Hz，采样时长25.6 s。

数据采集系统运作模式：将加速度计布设于试验槽地表指定测点位置处，监测该点位的振动信号，将监测到的信号通过信号调理仪进行转换，再传递至数据采集箱，借由USB接口将数据采集箱与电脑联结，通过电脑中的“CRAS振动及动态信号采集分析系统”将数据导出。

单排屏障时试验仪器尺寸规格及布置如图2所示，多排屏障时会根据屏障的排数调整测点在中轴线上的位置，振源中心(激振器连接杆)距最近一排屏障中心线0.9 m。

图2　测点布置平面示意(单位：cm)

2.3试验工况

为对比研究不同减隔振屏障的减隔振效果，分别施作了无屏障与泡沫塑料板、混凝土板、连续空井排、非连续空井排、排桩等减隔振屏障的试验模型，各试验模型的具体施作方式如下。

(1)无屏障：在未施作屏障的情况下，沿中轴线测试振动加速度的传播衰减规律，方便与施作屏障时的振动加速度传播衰减规律进行对比，分析屏障的减隔振效果。

(2)泡沫塑料板：选用尺寸为10 cm×180 cm×90 cm的泡沫塑料板，将图2中所示屏障位置周边的土体挖开，将泡沫塑料板放入挖开的坑中，逐层夯实回填屏障周边土体，最后形成1道宽180 cm、深90 cm、厚10 cm的泡沫塑料板屏障。

(3)混凝土板：选用预制的钢筋混凝土板，其尺寸规格及施作过程与泡沫塑料板一样。

(4)连续空井排[13]：选用外径10 cm、长90 cm的钢丝软管18根，在屏障位置处挖好的坑中单排密布，形成1道宽180 cm、深90 cm的连续空井排。因钢丝软管在土体回填过程中不容易维持整齐、直立，故在土体回填过程中要一边回填夯实，一边调整钢丝软管的位置与形态。

(5)非连续空井排[14]：参考连续空井排的施作流程，将钢丝软管按一定间隔布置2排，第1排的位置如图 2所示，第2排按指定排距向远离振源的方向布置。管间距离参考《隔振设计规范》[15]，设置管距为管径的1.5倍，排距为管径的2.5倍，排间交错布置，整体形成宽180 cm、深90 cm的非连续空井排屏障。

(6)排桩：制备好若干尺寸为10 cm×10 cm×90 cm的钢筋混凝土方桩，施作2组模型：①桩距恒定为1.5倍桩径，排距分别为1.5、2、2.5倍(布置间隔同非连续空井排)、3倍的桩径；②设置桩距与排距均为2倍桩径，分别布置1、2、3排屏障。施作流程同非连续空井排，排间交错布置，整体形成宽180 cm、深90 cm的排桩屏障。

3试验结果

对测得的不同频率简谐荷载作用下的不同测点的加速度时域数据进行FFT快速傅里叶变换，得到相应的频域数据，在频域数据中读取激振荷载频率对应的加速度幅值。

由于所用设备没有对输出功率精确定量控制的途径，另外方形钢板基础下土体在反复激振荷载作用下，会出现土体与方形钢板基础接触不紧密、甚至脱离的情况，使得实际作用于土体上的振源荷载大小难以控制，并且也难以准确获得其实际的荷载大小，故对前面获得的各测点加速度频域数据中振源频率对应的加速度幅值作归一化处理，将各测点振源频率对应的加速度幅值均除以图2中2号测点振源频率对应的加速度幅值。

将同一测点在不同激振荷载频率下的加速度幅值取平均值，用各测点的加速度平均值绘制各类屏障作用时的振动传播衰减曲线，对比分析不同屏障针对地表振幅的减隔振效果以及减隔振特点。

综上所述，本文所给出的各类工况下振动传播衰减规律的最终结果是对试验槽内地表各测点振动加速度的幅值进行归一化处理以后、在300 Hz频段内的一个综合效果。另外，实测试验槽波速v约为100 m/s，当频率f=300 Hz时，对应的波长λ=v/f=0.33 m，约为屏障深度的1/3，因此试验中的300 Hz频段内对应的是实际工程中波长大于1/3屏障深度的情况。

3.1不同材质连续屏障

通过对比无屏障及泡沫塑料板、连续空井排、混凝土板等连续屏障措施时的振动加速度传播衰减规律，分析不同材质对连续减隔振屏障减隔振效果的影响。

如图3所示的试验结果表明，混凝土板的隔振效果最好，连续空井排次之，泡沫塑料板无明显减隔振效果。分析其原因，泡沫塑料板为软质材料，对高频隔振效果较好，而对低频的隔振效果较差，但是高频随距离衰减快，低频随距离衰减慢，屏障前的振动以低频为主，故而泡沫塑料板的效果不明显。

图3　连续屏障的振动传播衰减规律

有减隔振效果的屏障措施实施后，在屏障后一定距离范围内会形成了一个振动隔离区，隔离区内的振动加速度幅值相对于没有施加减隔振屏障时有明显的减小，并且在振动隔离区内振动加速度幅值随距离衰减的趋势不明显；而在振动隔离区范围外，屏障的减隔振效果消失，振动加速度的幅值大小和传播衰减规律与无屏障时基本一致。

3.2不同材质非连续屏障

参考《隔振设计规范》[15]建议的桩距(1.5倍桩径)与排距(2.5倍桩径)布置2排钢丝软管与钢筋混凝土方桩，形成非连续空井排屏障与排桩屏障。通过对比无屏障及非连续空井排屏障、排桩屏障等非连续屏障措施时的振动加速度传播衰减规律，分析不同材质对非连续减隔振屏障减隔振效果的影响。

如图4所示的试验结果表明，按规范建议的桩距与排距布置钢丝软管和混凝土方桩形成的非连续空井排屏障与排桩屏障的减隔振效果无明显差异，并且在离开振动隔离区后，归一化加速度幅值及传播衰减规律就与无屏障措施时基本一致了。

图4　不同材质非连续屏障的振动传播衰减规律

3.3不同布置形式空井屏障

通过对比无屏障及连续空井排、非连续空井排等空井屏障措施时的振动加速度传播衰减规律，分析不同布置形式对空井排减隔振屏障减隔振效果的影响。

如图5所示的试验结果表明，紧邻非连续空井排第2排屏障后的测点与连续空井排对应测点的归一化加速度幅值相差不大；但距离屏障稍远处，非连续空井排的隔振效果要优于连续空井排；更远处，离开振动隔离区后，两者的归一化加速度幅值无屏障时基本一致，没有显示出明显的减隔振效果。

图5　不同布置形式空井排屏障的振动传播衰减规律

3.4不同布置形式混凝土屏障

通过对比无屏障及排桩屏障(2排，桩距为桩径的1.5倍，排距为桩径的2.5倍)、混凝土板屏障等钢筋混凝土屏障措施时的振动加速度传播衰减规律，分析不同布置形式对钢筋混凝土减隔振屏障减隔振效果的影响。

如图6所示的试验结果表明，混凝土板屏障的隔振效果要略优于排桩，混凝土板屏障后的归一化加速度值在振动隔离区范围内始终小于排桩屏障，远离振动隔离区后即都与无屏障时的归一化加速度重合。

图6　不同布置形式混凝土屏障的振动传播衰减规律

3.5不同排间距排桩屏障

设置2排方桩屏障，桩距恒定为1.5倍桩径，排距分别为1.5、2、2.5倍、3倍桩径，对比无屏障及不同排距的排桩屏障造成的地表振动加速度传播衰减规律，分析不同排距对排桩屏障减隔振效果的影响。

如图7所示的试验结果表明，不同排距的排桩屏障的减隔振效果并不是与排距的大小呈单调递变关系，而是存在一个最优值，本次试验显示的这个排距最优值即为规范建议的2.5倍桩径。在该排距排桩屏障后的振动隔离区范围内，各测点的归一化加速度均低于其他排距的排桩屏障。

图7　不同排间距排桩屏障的振动传播衰减规律

3.6不同排数排桩屏障

方桩的桩距与排距均设置为2倍桩径，分别施作1排、2排、3排方桩屏障，对比无屏障及不同排数的排桩屏障造成的地表振动加速度传播衰减规律，分析不同排数对排桩屏障减隔振效果的影响。

如图8所示的试验结果表明，排数越多，靠近屏障处的振动隔离区范围内的减隔振效果越好，并且振动隔离区的范围随最后一排屏障的位置逐步向外推进，而振动隔离区范围外的归一化加速度与无屏障时基本一致，没有明显的减隔振效果。

图8　不同排数排桩屏障的振动传播衰减规律

4结论

通过构建不同减隔振屏障的试验模型，对比了无屏障及各类减隔振屏障实施造成的试验槽地表振动传播衰减规律，分析了不同因素对屏障减隔振效果的影响，得出主要结论如下。

(1)对于连续减隔振屏障，不同材质的减隔振效果依次为：钢筋混凝土板>钢丝软管排>泡沫塑料板。

(2)对于非连续减隔振屏障，不同材质(钢丝软管、钢筋混凝土方桩)的减隔振效果相差不大。

(3)对于以钢丝软管作材质的减隔振屏障，非连续布置(2排，管距为管径的1.5倍，排距为管径的2.5倍)时的减隔振效果要优于单排连续密布时的减隔振效果。

(4)对于以钢筋混凝土作材质的减隔振屏障，单块钢筋混凝土板屏障的减隔振效果要优于多根钢筋混凝土方桩非连续布置(2排，桩距为桩径的1.5倍，排距为桩径的2.5倍)时的减隔振效果。

(5)对于不同排间距(1.5～3倍桩径)的方桩屏障，当桩距恒定为1.5倍桩径时，调整排距至2.5倍桩径时，排桩屏障的减隔振效果最佳。

(6)对于不同排数(1～3排)的方桩屏障，排数越多，最后一排屏障后的减隔振效果越好。

(7)减隔振屏障后存在一定范围的振动隔离区，即在该范围内有明显的减隔振效果，而在振动隔离区范围外，屏障的减隔振效果消失。

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收稿日期：2016-01-29； 修回日期：2016-02-22

基金项目：铁道第三勘察设计院集团有限公司科技开发课题(721405)

作者简介：陈洪运(1984—)，男，工程师，2014年毕业于西南交通大学 岩土工程专业，工学博士，E-mail：278709407@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)06-0177-05

中图分类号：TU435

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.037

Model Test Investigation on Vibration Isolation Barriers Applied to Subgrade of Rail Transit

CHEN Hong-yun1，2

(1.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China; 2.Engineering Laboratory of Rail Traffic Survey and Design，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

Abstract：In order to study the effect of different factors on the function of vibration isolation barriers，model test is performed to obtain the transmission and attenuation rules of the vibration wave on the ground caused by harmonic loads of different frequencies with integral multiples of 10 Hz within 300 Hz. The functions of some vibration isolation barriers are compared and analyzed in the cases of barrier-free，reinforced concrete slab，foam plastic slab，discontinuous row wells，continuous row wells，row piles with different row spacing and different rows. The results show that reinforced concrete slab barrier works best. The functions of the discontinuous row wells barrier and row piles barrier are much the same. If the pile spacing is 1.5 times of the pile diameter and the row spacing is 2.5 times of the pile diameter.，row piles barrier work best，The more the rows of pile，the better effect of the row pile. There is vibration isolation zone behind each kind of barrier，and the barrier loses its function out of the zone．

Key words：Rail transit; Model test; Harmonic load; Vibration isolation barrier; Transmission and attenuation rule