刘晶磊 王一峰 冯桂帅 张瑞恒 侯恩品 赵 敏

(河北建筑工程学院土木工程学院,河北 张家口 075000)

橡胶颗粒填充沟减隔振措施模型试验研究

刘晶磊 王一峰 冯桂帅 张瑞恒 侯恩品 赵 敏

(河北建筑工程学院土木工程学院,河北 张家口 075000)

为了研究橡胶颗粒填充沟对高速列车产生的振动波能的减隔振效果，通过进行室内模型试验，探究了橡胶颗粒填充沟宽度、深度对近场填充沟减隔振效果的影响.在本试验条件下，结果表明：橡胶颗粒填充沟对沟后土体有一定的减隔振作用，其减隔振效果在15.83%～37.36%之间；填充沟深度变化对减隔振效果影响显著，且填充沟越深对沟后土体减振效果越好；填充沟宽度变化对填充沟的减隔振效果不显著.

填充沟；铁路路基；减隔振；模型试验

高速铁路是一种能耗低、效率高的交通运输方式，随着近几年国内高速铁路的大力建设，我国已经建成了世界上最大规模的高速铁路网.但随着列车运营速度提高、轴重增大、行车密度提高以及铁路里程增多，由高速铁路运营而引发的环境振动问题突显出来，给人们的生产生活带来了许多不利影响[1-3].针对上述问题，各种减隔振措施应运而生.目前，在高速铁路减隔振措施中，最普遍的是在振源和建筑物之间设置空沟、填充沟、排桩等波阻屏障.根据隔振方式的不同，可将屏障隔振分为两种，一种是将波阻屏障设置在振源附近，阻止波能输出的主动隔振，另一种是将波阻屏障设置在建筑物附近，阻止波能输入的被动隔振[4-6].本文采用室内模型试验，主要研究近场主动隔振措施中，橡胶颗粒填充沟对高速列车产生的振动波能的减隔振效果.

目前，国内外很多学者对于高速铁路振动问题的产生机理以及各种减隔振措施的工作原理做了深入的研究，并获得了大量的研究成果.国外早在1968年就对屏障减隔振措施进行了研究，Woods[7-8]首先通过试验分析了空沟的减隔振效果，提出了振幅衰减系数的概念来评价减隔振效果，并在空沟减隔振措施研究的基础上在1974年进行了混凝土排桩的减隔振试验研究；韦红亮等[9]研究了单排桩对铁路环境振动的减隔振效果，利用有限元软件ANSYS建立了列车——大地——排桩分析模型运用动态分析法分析了排桩截面尺寸、排桩深度、排桩材料等参数对隔振效果的影响.谭燕[10]通过高、中、低频结合的模拟荷载，利用有限差分法对高速铁路运行时引发的场地振动规律进行了研究，并引入了比传统隔振措施效果更好的新型隔振实体措施H-WIB.罗锟等[11]通过有限元软件，对夹心墙、刚性墙体、空沟、列状排桩和多排蜂窝桩等屏障的减隔振措施效果进行对比，研究表明以上材料中多排蜂窝桩的减隔振效果最好.冯桂帅等[12]通过进行砂土填充沟室内减隔振模型试验，分析了不同粒径、含水率以及不同密度状态下砂土填充沟的减振效果，结果表明，砂土填充沟中填充砂粒径的变化对填充沟减隔振效果影响不显著，含水率和密度的变化对填充沟减隔振效果影响显著，且填料不宜选用级配优良的砂土.

基于以上的研究可知，对于填充沟减隔振措施，由于其施工简便且效果显著，在实际工程中得到了大量应用.但大部分学者的研究局限于有限元分析方法，由于其对材料参数的设定与实际工程存在较大差异，导致其计算结果并不十分可靠，且对填充材料的选用也局限于砂土、碎石、排桩等材料.针对以上问题，本文采用1g条件下的室内模型试验，研究了橡胶颗粒填充沟减隔振效果及影响其效果的因素.

1 试验概况

本试验采用长、宽、高分别为2 m、1.5 m、1.5 m的钢制模型试验箱，箱内装填粉质粘土颗粒，控制其粒径小于5 mm，含水率在10%左右.粉质粘土共分三次装入箱体，并分层夯实，夯实后平整土体表面.另外，填土过程中始终控制土体湿密度在1600 kg·m-3～1700 kg·m-3之间.由于钢制箱体对振动波的反射作用会对传感器的数据采集过程产生干扰，因而在试验箱内部四周及底部分别铺设50 mm和100 mm厚挤塑式聚苯乙烯板，并确保挤塑式聚苯乙烯板与箱体紧密接触，以此来保证传感器采集数据的准确性.简谐荷载模拟及数据采集使用WS-Z30型振动台控制系统，该系统包括信号发生器、激振器、电荷放大器、功率放大器、加速度传感器，数据采集控制仪、加速度计放大器等，设备详图见图1.

图1 试验设备详图

试验采用了5个加速度传感器，均匀布置在箱体短边方向的中轴线上.其中1#传感器布置在填充沟前，距离激振器100 mm，2#～5#传感器布设在填充沟后侧，距离激振器分别为550 mm、750 mm、950 mm、1250 mm.填充沟长度为1200 mm，垂直于传感器轴线，位于1#与2#之间，且填充沟左侧边缘与1#传感器距离固定为150 mm.传感器布置图见图2及图3.

图2 传感器布置图图3 传感器布置图(无减隔振措施)

为研究橡胶颗粒填充沟深度与宽度变化对填充沟减隔振效果的影响，本文共进行七个试验工况进行试验，控制橡胶颗粒密度在391.67 kg·m-3～421.35 kg·m-3各之间，各工况详情见表1.图4为试验工况现场图.

表1 全部试验工况

图4 试验现场图

相似理论要求室内模型试验应能够模拟出实际工况，李志毅等[13]通过实际测量和理论计算得出，高速列车引起地面振动的频率在100 Hz左右，因此，本试验分别采用100 Hz激振频率进行试验，以模拟轨道交通荷载引起的土体振动，传感器采样频率为5000 Hz，采样时间为3 s.

2 试验结果分析

为合理描述橡胶颗粒填充沟沟后土体的振动情况，本试验采用时域曲线上有限个振动曲线加速度幅值的平均值来描述土体的振动情况.

2.1 橡胶颗粒填充沟沟后土体减振效果分析

本文共进行了七个试验工况，试验结果显示对于填充沟沟后的2#传感器的振幅衰减在15.83%～37.36%.

图5 工况一与无减隔振措施竖向加速度对比

图5描述了工况一与无减隔振措施各个传感器采集的土体竖向振动加速度值变化曲线，由图所得，橡胶颗粒填充沟对于填充沟沟后土体有一定的减隔振效果，工况一中2#传感器与无减隔振措施相比降低了15.83%，而超过一定距离后土体的振动趋于平缓，如图中所示工况一中3#、4#、5#传感器相对于无减隔振措施分别降低了15.42%、17.30%、14.43%，从竖向加速度数值上比较3#、4#、5#传感器在数值上逐渐趋于一致，并逐渐与无减隔振措施靠近，所以橡胶颗粒填充沟减隔振作用有一定范围，距离填充沟越远的位置其减隔振作用越不明显.

2.2 填充沟深度对沟后土体减隔振效果的影响

为了研究橡胶颗粒填充沟深度对沟后土体减隔振效果的影响，本文采用表1中工况一、工况二、工况三、工况四，四种工况的2#传感器竖向加速度值分别与无减隔振措施2#传感器竖向加速度值做比，得到各自的相对加速度，表2为四种工况下2#传感器加速度比较.

表2 深度变化时加速度比较

由表中数据得出，随着填充沟深度从200 mm增加到500 mm，振幅衰减率从15.83%增加到了37.36%，因此，对于橡胶颗粒填充沟来说，填充沟深度的变化对其减隔振效果有很大的影响.

2.3 填充沟宽度度对沟后土体减隔振效果的影响

为研究橡胶颗粒填充沟深度对沟后土体减隔振效果的影响，本文采用表1中工况五、工况六、工况三、工况七，四种工况的2#传感器竖向加速度值分别与无减隔振措施2#传感器竖向加速度值做比，得到各自的相对加速度，表2为四种工况下2#传感器加速度比较.

由表中数据得出，随着填充沟宽度从50 mm增加到200 mm，振幅衰减率变化很小，仅仅上升了4%，因此，对于橡胶颗粒填充沟来说，填充沟宽度的变化对其减隔振效果影响很小.

表3 宽度变化时加速度比较

3 结 论

通过进行1g条件下的橡胶颗粒填充沟室内减隔振模型试验，本文分析了橡胶颗粒填充沟不同深度、不同宽度条件下的试验数据，探究橡胶颗粒填充沟宽度和深度对于沟后土体振动的影响，限于本文实验条件，得出了以下一些结论：

(1)在近场主动隔振中，橡胶颗粒填充沟对于沟后土体有一定的减隔振效果，振幅衰减率最高可到37.36%，且填充沟边沿处减隔振效果最为显著，距填充沟越远减隔振效果越弱.

(2)橡胶颗粒填充沟深度的变化对于沟后土体减隔振效果的影响并显著，且填充沟越深减隔振效果越好.

(3)橡胶颗粒填充沟宽度的变化对于沟后土体减隔振效果的影响不显著.

[1]盛涛,张善莉,单伽锃,等.地铁振动的传递及对建筑物的影响实测与分析[J].同济大学学报(自然科学版),2015(1):54～59

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[10谭燕.铁路交通引发场地振动的传播规律与隔振措施研究[D].武汉:华中科技大学,2011

[11]罗锟,雷晓燕,刘庆生.地屏障在铁路环境振动治理工程中的应用研究[J].铁道工程学报,2009,(1):1～6

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The Research on the Model Test of Vibration Isolation Effect of Rubber-article-filled Trench

LIUJing-lei,WANGYi-feng,FENGGui-shuai,ZHANGRui-heng,HOUEn-pin,ZHAOMin

(School of Civil Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000)

In order to explore the vibration reduction effect of rubber-particle-filled trench on vibration wave energy produced by high-speed train,the influence of the width and depth of rubber particles on the vibration isolation effect of near-field filling ditch was studied by carrying out indoor model test.Under the present test conditions,the results indicate that the rubber-particle-filled trench has a certain effect on the trench soil behind,and the vibration isolation effect is between 15.83% and 37.36%;the effect of the depth of the filled trench on the vibration reduction effect is noticeable,and the deeper the filled trench,the better the damping effect of the trench soil behind;the effect of the width of the filled trench on the filled trench is not obvious.

filled trench;railway subgrade;vibration reduction;model test

2016-11-17

河北省青年拔尖人才计划项目(项目编号：BJ2016018)；张家口市科技局科技计划项目(项目编号：1511074B)；河北建筑工程学院校级科研基金项目(博士科研启动基金项目)(项目编号：B-201601)

刘晶磊(1981-)，男，副教授，博士.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.003

TU 435

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