橡膠混凝土道床動(dòng)力特性的足尺試驗(yàn)分析

金 浩，田清榮，李 政

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 211189；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

根據(jù)振動(dòng)傳播規(guī)律，可將地鐵減隔振措施分為軌道減振、地層隔振以及受振體(沿線建筑結(jié)構(gòu)等)隔振三大類。其中，軌道減振措施種類最多，在國(guó)內(nèi)主要有鋼彈簧浮置板軌道[1]、橡膠(聚氨酯)浮置板軌道[2]、梯式軌道[3]以及各類型軌道減振器[4]等。種類繁多的減振措施在一定程度上緩解了軌道振動(dòng)帶來(lái)的影響，但同時(shí)也導(dǎo)致建設(shè)成本提高、軌道結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)等問(wèn)題。

橡膠混凝土是一種采用廢舊橡膠作為集料配制而成的水泥混凝土，一方面可以消耗大量的廢舊橡膠；另一方面橡膠集料摻入使混凝土具備良好的動(dòng)力性能[5-9]。通過(guò)調(diào)配橡膠粒徑以及橡膠摻入量，可以調(diào)節(jié)橡膠混凝土的剛度和阻尼等物理參數(shù)[10-14]。鑒于橡膠混凝土在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、工程方面的優(yōu)越性，個(gè)別學(xué)者在高速公路路面等工程進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。

在軌道振動(dòng)控制方面，金浩[15]最早提出了橡膠混凝土道床(橡膠混凝土隔振基礎(chǔ))。并通過(guò)Periodic-Fourier方法，分析了橡膠混凝土道床物理參數(shù)對(duì)軌道減振的影響。孫曉靜等[16]通過(guò)地層-隧道-道床的三維有限元模型對(duì)三種斷面形狀的橡膠混凝土道床進(jìn)行了減振性能評(píng)價(jià)，研究表明橡膠混凝土道床在低頻具有明顯的減振效果。李彬[17]在C40混凝土中摻入橡膠顆粒，進(jìn)行橡膠混凝土的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上分析了不同摻量下橡膠混凝土道床的減振性能，研究表明橡膠摻量不超過(guò)23%能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。譚詩(shī)宇[18]通過(guò)建立車輛-軌道-隧道的動(dòng)力模型，研究了橡膠混凝土道床的減振性以及對(duì)行車的影響，研究表明橡膠混凝土道床在保證列車運(yùn)行平穩(wěn)前提下，最大減振量可達(dá)10.3 dB。

上述研究都表明，橡膠混凝土道床較普通混凝土具備更好的減振性能。但是，所有關(guān)于橡膠混凝土道床的研究都是通過(guò)商業(yè)有限元軟件建立動(dòng)力學(xué)模型來(lái)進(jìn)行，并未通過(guò)動(dòng)力試驗(yàn)對(duì)橡膠混凝土道床的減振性能進(jìn)行研究。

為此，本文作者專門建立了道床足尺試驗(yàn)平臺(tái)。在平臺(tái)上澆筑橡膠混凝土道床和普通混凝土道床。通過(guò)道床足尺試驗(yàn)對(duì)比兩種普通混凝土道床和橡膠混凝土道床的動(dòng)力性能。以道床測(cè)點(diǎn)和隧道壁測(cè)點(diǎn)的時(shí)程、頻譜、振動(dòng)加速度級(jí)、振級(jí)差值等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)橡膠混凝土道床的動(dòng)力性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

東南大學(xué)道路與鐵道工程實(shí)驗(yàn)室的道床足尺試驗(yàn)平臺(tái)，包含橡膠混凝土道床以及普通混凝土道床等，如圖1所示。為與實(shí)際情況相符，道床澆筑于盾構(gòu)隧道之內(nèi)。盾構(gòu)隧道縱向設(shè)置三環(huán)(非整環(huán))，共由六塊管片(標(biāo)準(zhǔn)塊)構(gòu)成。管片來(lái)自南京地鐵，并由專業(yè)施工隊(duì)完成拼裝作業(yè)。

圖1 道床足尺試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Full scale experimental platform of tunnel invert

南京地鐵盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，環(huán)寬1.2 m。管片厚度0.35 m，采用錯(cuò)縫拼裝方式進(jìn)行拼裝，如圖2所示。管片塊與塊之間采用2根環(huán)向螺栓連接，相鄰兩環(huán)管片之間每隔22.5°設(shè)置一根縱向螺栓。螺栓均采用強(qiáng)度等級(jí)5.8級(jí)M30彎螺栓。管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)S10。

圖2 錯(cuò)縫拼裝示意圖Fig.2 Staggered joint assembly of segments

1.2 分析工況

本次試驗(yàn)共分析兩種道床，分別為普通混凝土道床和橡膠混凝土道床。為避免管片錯(cuò)縫拼裝帶來(lái)的影響，普通混凝土道床和橡膠混凝土道床分別澆筑于平臺(tái)的第一環(huán)管片和第三環(huán)管片。

橡膠混凝土道床和普通混凝土道床的厚度均為0.6 m。普通混凝土道床采用商品混凝土，強(qiáng)度等級(jí)C35。橡膠混凝土道床以C35混凝土為基礎(chǔ)，摻入3～5 mm橡膠顆粒，橡膠摻量2%。

1.3 橡膠混凝土中橡膠界面改性

將橡膠混凝土道床所用的橡膠顆粒采用5% NaOH溶液浸泡。待24 h后取出，用清水沖洗，并進(jìn)行晾曬處理，如圖3所示。

圖3 橡膠顆粒界面改性處理Fig.3 Surface modification of rubber particles

1.4 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試道床和隧道壁的振動(dòng)加速度來(lái)分析橡膠混凝土道床和普通混凝土道床的動(dòng)力性能差異。

NV3062C網(wǎng)絡(luò)分布式采集儀如圖4所示，采用24位AD、32位DA和25 MHz轉(zhuǎn)速一體化設(shè)計(jì)，可8個(gè)通道并行處理，單個(gè)通道最高采樣頻率216 kHz，典型動(dòng)態(tài)范圍120 dB。本試驗(yàn)力信號(hào)采樣頻率5 120 Hz，振動(dòng)加速度信號(hào)采樣頻率640 Hz。

圖4 采集儀Fig.4 Acquisition instrument

圖5為典型的INV9828系列振動(dòng)加速度傳感器，量程10g，頻率范圍0.5～1.0 kHz。本試驗(yàn)共使用該類型傳感器4個(gè)。

圖5 振動(dòng)加速度傳感器Fig.5 Vibration acceleration sensor

IEPE型力棒如圖6所示。內(nèi)置的力傳感器量程100 kN，靈敏度0.05 mV/N。本次試驗(yàn)，力棒采用鋁制錘頭，下落高度115 mm。

圖6 力棒Fig.6 Hammer

1.5 測(cè)點(diǎn)布置

力棒作用位置在道床正中心。振動(dòng)加速度采集點(diǎn)分別在道床和隧道壁。由于管片左右不對(duì)稱，在道床上設(shè)置2個(gè)采樣測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)號(hào)為1、3，位于力棒作用點(diǎn)到道床邊緣2/3處；隧道壁設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)號(hào)為2、4，分別距離道床面35 mm和75 mm。每種分析工況共計(jì)4個(gè)采集點(diǎn)，采集5次，取平均值。激振點(diǎn)位于道床上表面中心點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Layout of measuring points in test site

典型的落錘激勵(lì)力時(shí)程和頻譜圖如圖8所示。

圖8 典型的落錘激勵(lì)力Fig.8 Typical drop hammer excitation force

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 振動(dòng)加速度級(jí)

振動(dòng)加速度級(jí)公式為

(1)

式中：a為道床或隧道壁的振動(dòng)加速度，m/s2；a0為參考振動(dòng)加速度，a0=1×10-6m/s2。

2.2 傳遞損失

傳遞損失公式為

VLab=VLa-VLb

(2)

式中：VLa為道床采樣點(diǎn)處振動(dòng)加速度級(jí)，dB；VLb為隧道壁采樣點(diǎn)處振動(dòng)加速度級(jí)，dB。

2.3 插入損失

插入損失公式為

IL=VLA-VLB

(3)

式中：VLA為普通混凝土道床工況下，隧道壁的振動(dòng)加速度級(jí)，dB；VLB為橡膠混凝土道床工況下，隧道壁的振動(dòng)加速度級(jí)，dB。

2.4 分頻振級(jí)均方根的差值

按照CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，減振效果測(cè)量的頻率范圍為1～200 Hz，測(cè)量的量為鉛垂向振動(dòng)加速度。計(jì)算橡膠混凝土道床和普通整體道床的分頻振級(jí)均方根的差值ΔLz，公式為

(4)

式中：VLq(i)選擇普通混凝土道床作為參考系，其隧道壁測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度在1/3倍頻程第i個(gè)中心頻率的分頻振級(jí),dB；VLh(i)采用橡膠混凝土道床的隧道壁，其振動(dòng)加速度在1/3倍頻程第i個(gè)中心頻率的分頻振級(jí),dB。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 普通混凝土道床

圖9為普通混凝土道床工況下測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的典型時(shí)程曲線。由圖9可知，普通混凝土道床測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3的振動(dòng)加速度基本相當(dāng)，大于隧道壁測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4的振動(dòng)加速度。各測(cè)點(diǎn)在道床中心錘擊力作用下的最大振動(dòng)加速度值為6.6 m/s2，發(fā)生在道床測(cè)點(diǎn)3。

圖9 普通混凝土道床測(cè)點(diǎn)典型時(shí)程Fig.9 Typical time history of common concrete tunnel invert

3.2 橡膠混凝土道床

圖10為橡膠混凝土道床工況下測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的典型時(shí)程曲線。橡膠混凝土道床測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3的振動(dòng)加速度基本相當(dāng)，大于隧道壁測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4的振動(dòng)加速度。各測(cè)點(diǎn)在道床中心錘擊力作用下的最大振動(dòng)加速度值為6.7 m/s2，發(fā)生在道床測(cè)點(diǎn)1。

圖10 橡膠混凝土道床測(cè)點(diǎn)典型時(shí)程Fig.10 Typical time history of rubberized concrete tunnel invert

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于地鐵振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的主要關(guān)心頻段為1～200 Hz。因此，本文各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理都只給出1～200 Hz結(jié)果。

4.1 振動(dòng)加速度頻譜

圖11為普通混凝土道床和橡膠混凝土道床的隧道壁測(cè)點(diǎn)頻譜圖。由圖11可知，與普通混凝土道床相比較，橡膠混凝土道床在低頻區(qū)域的表現(xiàn)較好。對(duì)于測(cè)點(diǎn)2，橡膠混凝土道床在1～63 Hz頻段的加速度峰值普遍小于普通混凝土道床。對(duì)于測(cè)點(diǎn)4，橡膠混凝土道床在1～80 Hz頻段的加速度峰值普遍小于普通混凝土道床。

圖11 普通混凝土道床和橡膠混凝土道床管片測(cè)點(diǎn)頻譜圖Fig.11 Frequency spectrum of common concrete tunnel invert and rubberized concrete tunnel invert

4.2 振動(dòng)加速度級(jí)

圖12為隧道壁測(cè)點(diǎn)在1/3倍頻程下的振動(dòng)加速度級(jí)。由圖12可知，在隧道壁測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4，橡膠混凝土道床在低頻段表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，減振頻段基本和頻譜結(jié)果相同。

圖12 普通混凝土道床和橡膠混凝土道床的隧道壁測(cè)點(diǎn)加速度1/3倍頻程Fig.12 Third octave of common concrete tunnel invert and rubberized concrete tunnel invert

4.3 傳遞損失

計(jì)算測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)2的傳遞損失，如圖13所示。從圖13可知，橡膠混凝土道床的傳遞損失在1～50 Hz頻段大于普通混凝土道床的傳遞損失，在50～200 Hz頻段略小于普通混凝土道床的傳遞損失。

圖13 測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)2的傳遞損失Fig.13 Transfer loss from point 1 to point 2

計(jì)算測(cè)點(diǎn)3～測(cè)點(diǎn)4的傳遞損失，如圖14所示。由圖14可知，橡膠混凝土道床的傳遞損失總是大于普通混凝土道床的傳遞損失，最大值為27 dB，發(fā)生在80 Hz中心頻段。

圖14 測(cè)點(diǎn)3～測(cè)點(diǎn)4的傳遞損失Fig.14 Transfer loss from point 3 to point 4

4.4 插入損失

普通混凝土道床為無(wú)減振工況，橡膠混凝土道床為減振工況。計(jì)算普通混凝土道床與橡膠混凝土道床的插入損失，如圖15所示。

圖15 測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4的插入損失Fig.15 Insertion loss of measuring point 2 and point 4

插入損失為正表明該頻段下橡膠混凝土道床有較好的減振性能，插入損失為負(fù)則表明該頻段下橡膠混凝土道床無(wú)明顯減振效果。在管片測(cè)點(diǎn)2處，在2～5 Hz和10～50 Hz的中心頻段范圍內(nèi)，插入損失為正值；在管片測(cè)點(diǎn)4處，在1～100 Hz的中心頻段范圍內(nèi)，插入損失為正值。橡膠混凝土道床相對(duì)于普通混凝土道床的最大插入損失為19.6 dB，位于隧道壁測(cè)點(diǎn)2。

4.5 分頻振級(jí)均方根的差值

1～200 Hz中心頻段內(nèi)，采用橡膠混凝土道床的隧道壁測(cè)點(diǎn)2，分頻振級(jí)均方根的差值為1.87 dB；采用橡膠混凝土道床的隧道壁測(cè)點(diǎn)4，分頻振級(jí)均方根的差值為1.9 dB。

5 結(jié) 論

依托道床足尺試驗(yàn)平臺(tái)，獲得2%橡膠混凝土道床和普通混凝土道床在落錘激勵(lì)下的振動(dòng)加速度時(shí)程，分析測(cè)點(diǎn)的頻譜、振動(dòng)加速度級(jí)、傳遞損失、插入損失、分頻振級(jí)均方根的差值，評(píng)價(jià)橡膠混凝土道床的動(dòng)力性能，得出：

(1)頻譜及1/3倍頻程譜都表明，橡膠混凝土道床主要減振頻段為1～63 Hz低頻段。

(2)1～200 Hz頻段，采用橡膠混凝土道床的傳遞損失普遍大于普通混凝土道床，最大傳遞損失27 dB。

(3)1～100 Hz頻段，采用橡膠混凝土道床的隧道壁插入損失普遍為正值，表明發(fā)揮減振作用，最大插入損失19.6 dB。

(4)采用橡膠混凝土道床的隧道壁測(cè)點(diǎn)，分頻振級(jí)均方根的差值約1.9 dB。