高鐵路基減振有限元分析

魏秋晨

(天津國土資源和房屋職業學院 300270)

高鐵路基減振有限元分析

魏秋晨

(天津國土資源和房屋職業學院 300270)

本文利用大型有限元軟件 ABAQUS，對高速鐵路常用的樁板結構路基進行有限元分析，首先通過動三軸試驗對有限元參數進行確定，然后分別對空溝隔振和排樁隔振兩種隔振方法進行研究，根據不同方案得到的結果提出合理且相適應的減隔振措施。

高鐵減振有限元

隨著社會經濟的快速發展，對連接全國各大城市和各大城市內部的高速交通網的需求日益增長。在高速鐵路、城際快速列車、地鐵和輕軌等軌道交通不斷發展的今天，交通引起的振動對城市生活環境和工作環境產生極大的影響。目前，國際上已經把由振動引起的不良影響列為七大環境公害之一，并開始研究分析振動的產生原因、污染規律、對人體的危害、傳播途徑以及控制方法。[1]

截止2016年底，已召開了十二屆 International Workshop on Railway Noise會議，專門研究相關問題。該會議收集了大量的涉及鐵路軌道振動以及其造成的噪聲污染等問題的論文，這些研究論文的出發點是研究討論出一種能夠全面分析由鐵路軌道振動引發路基表面振動的數學模型，并在分析這些數學模型的基礎上研究開發出相應的有限元分析軟件和程序。

由此可見，關于軌道振動的研究及其相應的減隔振措施的研究已經引起了全球的廣泛關注。本文通過有限元軟件ABAQUS對高速鐵路路基振動的減隔振措施進行分析，提出了相應的計算方法和結果，為未來同類鐵路軌道交通的建設和既有同類軌道的分析提供了一定的參考。

1 有限元分析參數的確定

在進行有限元分析的過程中，動模量和阻尼比是影響計算準確度的重要參數，本文對某擬建鐵路干線沿線取得的原狀土進行動三軸試驗。在列車動荷載作用下，研究土樣的動應變范圍為10-4—10-2，研究該動應變范圍內的動模量、阻尼比隨動應變的變化規律。同時由于列車的速度不同，所以引起的振動頻率也有一定的范圍，本次試驗對不同頻率的動荷載作用下的動彈模和阻尼比進行了試驗研究，研究動模量、阻尼比與頻率之間的關系。動模量、阻尼比的影響因素有13～15個之多，許多專家學者都進行過研究。本次試驗以沿鐵路干線取得的原狀土的室內動力特性試驗資料為背景研究了動應變、圍壓、動應力比、頻率對動模量、阻尼比的影響。通過研究動模量與阻尼比，為高鐵路基隔振方案的有限元分析參數的選取提供依據。

本文針對這種情況進行了頻率為1Hz、3Hz、5Hz的動三軸試驗，通過動三軸試驗研究在排水條件下地基土的動模量和阻尼比的變化情況。試驗儀器采用的是英國的動態循環剪切設備GDS（Global Digital System，以下簡稱GDS）。這是一套數字化的試驗設備，具有的特點是：實時監控整個試驗過程、高速采集并儲存數據、精度高、結果可靠。該系統主要有加壓系統、量測系統和控制系統三個系統組成。其工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

通過室內動三軸試驗對土體在動荷載作用下的動彈模量和阻尼比進行了研究，得出了原狀土樣的動彈模量和阻尼比，計算結果如表 1所示。同時對動彈模量和阻尼比與土體的動應變的關系進行了研究總結，通過研究得出以下結論：

（1）對于本實驗的試樣而言，在排水的情況下動彈模量隨著頻率的增加而有一定程度的增加，增加的幅度因不同性質的土體而不同。

（2）對于本實驗的試樣而言，在排水的情況下，阻尼比隨著頻率的增加阻尼比不斷增加，但增加的幅度也是因土的性質而異。

（3）在有限元分析中按照本文得出的動模量和阻尼比進行分析，根據實際情況和土質情況選用排水或不排水試驗得出的動模量和阻尼比。當頻率較高時，利用動彈模量、阻尼比隨頻率的變化規律進行相應的調整。調整幅度按照本文給出的規律進行。

動彈模量與阻尼比計算匯總表

2 空溝隔振方法有限元分析

空溝隔振具有施工方便、隔振效果相對較好等特點，所以在實際工程中有一定的應用。許多國內外學者對空溝隔振進行了分析研究： 在國外，Woods和Haupt通過一系列實驗研究了空溝的隔振效果；Hung等采用2.5D有限/無限元研究空溝的隔振性能；在國內，劉奉喜等[2]對多年凍土地區鐵路兩側設置隔振溝的減振效果進行了研究，分析了隔振溝的位置及深度，提出了相應的工程意見；侯德軍、雷曉燕[3]等對空溝的隔振進行了較深入的研究，找到了空溝尺寸和位置對空溝隔振效果的影響規律，但對邊界的處理不夠準確，使得土體的振動在模型邊界處加劇。

在進行高鐵空溝隔振數值分析時，模型邊界條件的準確處理以及隔振效果的正確評價方法選取具有重要意義，本文利用有限元軟件ABAQUS強大的前處理功能，通過建立粘彈性邊界和無限元來近似的模擬土體“半無限”空間狀態，對空溝的尺寸和位置進行了研究，取得較好的計算結果。

2.1 空溝隔振設計方案

空溝是隔振設計中經常采用的方法，經濟且簡便，但是由于空溝會引起建筑地基的不穩定，所以實際工程中空溝不宜過深、過寬，距離建筑物不宜過近。高速鐵路的建筑用地范圍為路堤坡腳兩側各延伸5m，所以在進行隔振設計中，我們將空溝位置確定為距坡腳5m處，主要研究不同寬度、不同深度對空溝隔振效果的影響。空溝作為連續屏障可以作為平面應變問題來進行計算，本文主要對空溝隔振系統進行二維有限元分析。無砟軌道雙線路基空溝隔振系統的有限元模型圖見2。

圖2 無砟軌道雙線路基空溝隔振系統的有限元模型圖

2.2 空溝隔振系統有限元分析結果

分析時先固定空溝的寬度，改變空溝的深度，分別為0m、2m、4m、6m、8m、10m。深度越大，空溝后側衰減越大，前側反射越大，當空溝為2米深時，其曲線和無屏障基本相同，2米之內影響都不大，當空溝深度為10m的時候，空溝后側加速度急劇減小，不過由于空溝深度不宜過大，故不建議采用。溝深為 4米時，溝后15米左右豎向加速度能夠降到0.01m/s2，基本可以滿足振級要求。

然后固定空溝的深度，改變空溝的寬度，對空溝的隔振效果進行分析。通過對比發現，空溝寬度對隔振效果基本沒有影響。

3 排樁隔振方法有限元分析

3.1 排樁隔振設計方案

排樁隔振主要分為單排和多排樁屏障，為了能夠真實地研究排樁隔振對高鐵地基的隔振效果，分別對排樁隔振進行了有限元分析。假設樁間距很小的情況下，可以將排樁隔振近似的作為二維平面應變問題來進行計算，這樣可以比較完整地反映系統特性又不太過復雜，同時還可以大大節約運算時間。無砟軌道雙線路基排樁隔振系統的有限元模型見圖3。

圖3 無砟軌道雙線路基排樁隔振系統的有限元模型

3.2 排樁隔振系統有限元分析結果

3.2.1 樁長的影響

由于高速列車產生的振動波非常劇烈，排樁作為隔振屏障，其隔振的原理是利用排樁的反射、散射、衍射等，所以，適當的增加排樁的樁長會對隔振效果產生較積極的影響。

根據工程實際和理論研究，對路基進行有限元分析，樁長分別為 5m、10m、15m、20m，以此來分析樁長對隔振效果的影響。由分析結果可知，隨著排樁長度的增加，隔振效果也有顯著增長，但是，當排樁長度達到某一特定值之后，隔振效果的增長逐漸變得不明顯。當排樁長度取為20m時，樁后15米處豎向加速度降為0.01m/s2，可以滿足要求。3.2.2 樁間距的影響

高廣運等[4]的研究分析顯示，增加排樁列數可以取得更好的隔振效果。改變雙排樁之間的距離，樁間距分別為一倍、二倍、三倍、四倍的樁徑，對雙排樁隔振的模型進行有限元分析。分析結果顯示，隨著排樁樁間距的減小，隔振效果逐漸增加，但是增加幅度并不顯著。

3.2.3 樁體材料的影響

當樁體材料發生變化，理論上作用于排樁體上的振動荷載會發生相應的改變，同時周圍土體承擔的振動也會發生相應的改變。所以，本文對路堤進行有限元分析計算，研究樁體材料的對其隔振效果的影響。由分析結果可知，隨著樁體材料強度的增大，其隔振效果增加幅度非常小，從經濟角度而言，可以選用較為廉價的材料作為樁體材料。

3.2.4 多列排樁屏障的影響

高廣運等[4]的研究分析顯示，由于打設超大直徑樁在實際工程中操作十分困難，因此，為了達到相同的隔振效果，可適當增加排樁的列數進行隔振。對路基進行有限元分析，分別設置為單、雙、三列排樁，由分析結果見知，當設置三列排樁進行隔振時，其隔振效果不太明顯，只能一定程度地消除列車荷載引起的不良影響，因為，相對于近場隔振，主要是針對體波，而不是瑞利波，屏障深度是影響隔振效果的主要因素，盲目地增加排樁的列數并不能受到更好的隔振效果。

4 小結

本文通過室內動三軸試驗對土體在動荷載作用下的動彈模量和阻尼比進行了研究，得出了原狀土樣的動彈模量和阻尼比，為有限元模擬提供了重要參數。通過對空溝隔振和排樁隔振兩種隔振措施進行二維有限元模擬計算，得出了以下結論：

（1）采用隔振溝進行隔振時，空溝的深度和寬度對隔振效果有著一定的影響，當空溝深度在 2m～4m之間時對隔振效果影響顯著。和空溝的深度相比，空溝的寬度對隔振效果影響不大。

（2）樁長是影響排樁隔振的主要因素，隔振效果隨樁長的增加而增大，但是當樁長增加到某一特定值時，其隔振效果變化不明顯。

（3）排樁排數的增加及樁間距的適當減小不會引起隔振效果顯著增張。

（4）樁體材料的改變對隔振效果沒有顯著影響。

總之，針對具體的工程可以從技術和經濟上進行綜合考慮和擇優而施，例如選用較為廉價的材料作為樁體材料。除了選擇單一的隔振措施外，還可以在一定的經濟、環境、技術條件允許的情況下選擇合適的多重的隔振措施。

[1]夏禾，吳管，于大明. 城市軌道交通系統引起的環境振動問題.北方交通大學學報，1999，23(4):l-7.

[2]劉奉喜，劉建坤，防建宏等.多年凍土區鐵路隔振溝隔振效果的數值分析.中國鐵道科學，2003，24 (5) :48-51.

[3]侯德軍，雷曉燕，羅信偉.鐵路隔振溝減振的數值分析. 鐵道科學與工程學報，2006，3 (2) :48-52.

[4]高廣運，楊先健，王貽蓀等.排樁隔振的理論與應用.建筑結構學報，1997 , 18(4) :58-69.

U45

B

1007-6344（2017）10-0055-02