空溝、碎石填充溝和排樁隔振效果試驗研究①

孫立強， 李 嘉， 劉 彬， 樊繼良

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津市濱麗建設開發投資有限公司，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研究①

孫立強1， 李 嘉1， 劉 彬2， 樊繼良3

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津市濱麗建設開發投資有限公司，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展深入城市內部人群密集地區，對環境產生的振動影響不容忽視。空溝、碎石填充溝和排樁是三種常用的軌道交通隔振措施。通過大比例尺試驗，采用加速度作為振動的評價指標，分別研究空溝、碎石填充溝和排樁的隔振效果。各組試驗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的可比性，通過比較三種隔振措施與無隔振措施下影響區的加速度衰減率，評價其隔振效果，同時通過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。

隔振； 空溝； 碎石填充溝； 排樁； 模型試驗

0 引言

隨著城市化進程的加快，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、準時等優點迅速發展，已深入到城市建筑和人群密集區域。軌道交通引起的振動對城市生活環境和工作環境產生的影響引起人們的高度重視，軌道交通引起的環境振動及控制研究成為一個重要的研究課題[1]。

國內外已有很多學者對軌道交通引起的周圍環境的振動進行了理論研究，研究表明，當列車運行速度較高時，將引起周邊環境的強烈振動，尤其當列車運行速度接近地基表面波速時，將引起列車與地基的共振[2]，需要采取一定的隔振措施來降低軌道交通振動對周邊環境的影響。

空溝(又稱隔振溝)、碎石填充溝和排樁是三種常見的軌道交通隔振措施。卜建清[3]定性簡述了設置地下隔振溝和隔振墻減振效果。曹志剛等[4]從理論上運用飽和半空間模型來研究地基上隔振溝對高速列車的隔振效果，表明隨著列車運行速度的提高，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造成的誤差，一些學者用有限元方法對隔振措施進行了研究，馮牧等[6]通過有限元方法結合現場測試，分析了隔振溝對地鐵周邊建筑的隔振效果；肖世偉等[7]運用無限元和黏彈性邊界模擬土體的半無限空間狀態對空溝隔振進行了數值分析。

以上研究能夠從經驗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值模型的過程中進行了相當程度的簡化，導致計算結果和實際有一定差距，且計算結果未能得到試驗的驗證。同時上述研究多圍繞某一種隔振措施展開研究，不同隔振措施的效果之間難以相互比較。因此，本文通過幾組可供對比的模型試驗，分別進行不設置障礙、空溝、碎石填充溝和排樁的試驗，除隔振措施外其他條件相同，使不同的隔振措施具有真實的可比性。

1 試驗原理和設備

針對空溝、碎石填充溝和排樁三種隔振措施分別進行模型試驗，其中空溝又對不同深度、不同寬度等工況，混凝土樁又對不同樁長、不同樁距等工況分別進行試驗。各組試驗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的可比性。不同隔振措施的試驗結果和不設置隔振措施的試驗組進行對比可分析該種措施的隔振效果，不同隔振措施的試驗結果之間進行對比可分析不同隔振措施的隔振效果，從而使評價更客觀。

試驗使用的設備主要包括激振器、功率放大器、任意波信號發生器、數據采集箱、信號調理儀、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角點連接，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，保證其測量結果的準確性，如圖2所示。傳感器測試到的信號采用動態信號采集分析系統CRAS進行采集。

圖1 試驗采用的激振器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 試驗方案

試驗儀器布置如圖3所示，其中激振器位置處設置力傳感器，1～6為六個加速度傳感器，圖中已標明它們和振源的距離。其中為準確測試振動波經過隔振結構后距離隔振措施距離較近位置處的變化情況，設置1、2、3三個測點。測試結果取平均值以減小試驗誤差影響，和振源的距離可近似認為均為2.0 m。

圖3 試驗儀器布置平面圖Fig.3 Test instrument layout plan

為得到更好的試驗結果，對地基土進行處理，開挖一個長6 m、寬3 m、深0.6 m的基坑，將土體中不均勻的石塊、樹根等雜物篩除后分三層夯實。

李志毅[8]通過實測和理論計算指出，高速列車引起地面振動的主頻在100 Hz左右，屬于高頻范圍，在距軌道近處出現，隨距軌道距離增大衰減為中頻(40～100 Hz)，距軌道15 m以上時主要由低頻控制。因此，本試驗分別對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，分別得到不同頻率下各測點位置的加速度。

3 不同試驗工況方案和試驗結果

通常采用振級作為對振動的評價指標，振級系由加速度得到，我國相關國家標準[9]規定了振動加速度級的計算方法：

(1)

式中：VAL為振級，單位為dB；a為振動加速度有效值；a0為基準加速度。

各國對振級的規定基本按式(1)計算，但稍有差異，體現在對振動加速度有效值anms進行一定的修正和基準加速度a0取值的差異。

本試驗使用的激振設備功率有一定的限制，產生的振動強度和列車荷載引起的振動有一定的差距，因此采用加速度作為振動的評價指標。激振器施加的力由功率放大器調節，無法精確控制其大小，所以在進行結果對比時，采用加速度峰值除以力峰值作為測試結果，消除激振器施加力大小不同引起的結果差異。以下為不同工況的試驗詳細方案和測試結果。

3.1 不設置障礙的試驗結果

為了比較各種隔振措施的不同效果，首先在不設置障礙情況下進行試驗，作為各種隔振措施試驗的對照組，試驗方案如圖3所示。試驗得到不同頻率激振力作用下各測點的加速度值，經過處理如表1所示。將不同頻率下各測點試驗值繪制成隨距離變化的曲線(圖4)。

圖4 不設障礙時加速度峰值/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 不設障礙時不同頻率下加速度峰值/力的峰值測試結果(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 設置空溝的試驗結果

空溝是一種常見的簡單隔振措施，對不同寬度和深度的空溝隔振效果進行試驗研究，試驗設置的空溝如圖5所示，試驗方案如圖6所示。空溝寬×深分別為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試驗儀器布置平面圖中已有標示，沒有變動不再重新標示。試驗得到不同頻率激振力作用下各測點的加速度值，經過處理如表2所示，將不同頻率下各測點試驗值繪制成隨距離變化的曲線(圖7)。

圖5 試驗設置的空溝Fig.5 The open trench installed in the test

3.3 設置碎石填充溝的試驗結果

碎石填充溝也是一種常見的隔振措施，在寬×深為0.2 m×0.5 m的空溝內填入碎石，如圖8所示，試驗方案如圖9所示。同樣進行上述試驗，得到不同頻率激振力作用下各測點的加速度值，經過處理如表3所示，將不同頻率下各測點試驗值繪制成隨距離變化的曲線(圖10)。

圖6 設置空溝的試驗方案布置Fig.6 Test program of installing open trenches

圖7 設置空溝時加速度峰值/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 設置空溝時不同頻率下加速度峰值/力的峰值測試結果(單位：(m/s2)/N)

3.4 設置混凝土排樁方案和試驗結果

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

表3 設置碎石填充溝時不同頻率下加速度峰值/力的峰值測試結果(單位：(m/s2)/N)

圖8 試驗設置的碎石填充溝Fig.8 The gravel-filled trench installed in the test

圖9 設置碎石填充溝的實驗方案Fig.9 Test program of installing gravel-filled trench

圖10 設置碎石填充溝時加速度峰值/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 試驗設置的排樁Fig.11 The piles in row installed in the test

圖12 設置混凝土排樁的試驗方案Fig.12 Test program of installing piles in row

4 結果分析和建議

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，將不設隔振措施連同不同隔振措施下各測點的加速度峰值/力峰值試驗值隨距震源距離曲線繪制在同一坐標系中(圖14)，比較不同激振頻率下不同隔振措施的隔振效果。通過試驗得到以下結論：

(1) 各測點的豎向加速度隨測點距振源距離的增大而減小，距振源較近處衰減快，距振源較遠處衰減慢。各點的加速度響應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律。

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

表4 設置混凝土排樁時不同頻率下加速度峰值/力的峰值測試結果(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×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) 比較不設置障礙和設置碎石填充溝的試驗結果，碎石填充溝也有一定的隔振作用，但效果不明顯。

(4) 比較不設置障礙和設置混凝土排樁的試驗結果，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律，而增加樁的長度隔振效果沒有明顯提高。

該結果通過大比尺試驗得到，與實際情況符合較好，可以真實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。

References)

[1] 夏禾，吳萱，于大明.城市軌道交通系統引起的環境振動問題[J].北方交通大學學報，1999，23(4)：1-7.XIA He，WU Xuan，YU Da-ming.Environmental Vibration Induced by UrbanRail Transit System[J].Journal of Northern Jiaotong University，1999，23(4)：1-7.(in Chinese)

[2] 陳建國，夏禾，陳樹禮，等.運行列車引起的周圍地面振動規律研究[J].工程力學，2010，27(1)：98-103.CHEN Jian-guo，XIA He，CHEN Shu-li，et al.Investigation on Running-train-induced Ground Vibrations Near Railway[J].Engineering Mechanics，2010，27(1)：98-103.(in Chinese)

[3] 卜建清，高勇利，袁向榮.減小鐵路振動與噪聲影響的方法[J].鐵道工程學報，2001(3)：42-47.BU Jian-qing，GAO Yong-li，YUAN Xiang-rong.Research on Methods to Reduce Influence of Vibration and Noise of Train[J].Journal of Railway Engineering Society，2001(3)：32-47.(in Chinese)

[4] 曹志剛，蔡袁強，徐長節.空溝對列車運行引起的地基振動隔振效果研究[J].巖土力學，2012，33(8)：2373-2382.CAO Zhi-gang，CAI Yuan-qiang，XU Chang-jie.Screening Efficiency of Open Trenches to Train-induced Ground Vibration[J].Rock and Soil Mechanics，2012，33(8)：2373-2382.(in Chinese)

[5] 李志毅，高廣運，邱暢，等.多排樁屏障遠場被動隔振分析[J].巖石力學與工程學報，2005，24(21)：3990-3995.LI Zhi-yi，GAO Guang-yun，QIU Chang，et al.Analysis of multi-row of Piles as Barriers for Isolating Vibration in Far Field[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(21)：3990-3995.(in Chinese)

[6] 馮牧，雷曉燕.列車引發建筑物振動試驗及數值隔振研究[J].噪聲與振動控制，2009(5)：80-87.FENG Mu，LEI Xiaoyan.Field Test of Train-Induced Building Vibrations and Investigation of Numerical Isolation[J].Noise and Vibration Control，2009(5)：80-87.(in Chinese)

[7] 肖世偉，雷長順，郭超，等.高速鐵路空溝隔振數值分析[J].鐵道工程學報，2011(8)：23-29.XIAO Shi-wei，LEI Chang-shun，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.(in Chinese)

[8] 李志毅，高廣運，馮世進，等.高速列車運行引起的地表振動分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2007，35(7)：909-914.LI Zhi-yi，GAO Guan-gyun，FENG Shi-jin，et al.Analysis of Ground Vibration Induced by High-Speed Train[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2007，35(7)：909-914.(in Chinese)

[9] 國家環境保護局.GB 10071-88 城市區域環境振動測量方法[S].北京：中國標準出版社，1998.Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China.GB 10071-88 Measurement Method of Environmental Vibration of Urban Area[S].Beijing：China Standards Press，1988.(in Chinese)

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

SUN Li-qiang1， LI Jia1， LIU Bin2，FAN 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

天津市自然科學基金重點項目(13JCZDJC35300)

孫立強(1979-)，男，山東青島人，副教授，碩士生導師，主要從事軟土地基處理及巖土工程等方面的教學和科研.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