不同樁間距對鐵路路基的減震效果分析

張文祥 胡子良 潘樂鵬 郁 雯* 張 宏 樊 英

(1.河北建筑工程學院土木工程學院,河北 張家口 075000;2.張家口市洋河河務管理處,河北 張家口 075000;3.張家口市清水河河務管理處,河北 張家口 075000)

0 引 言

我國是一個地震多發的國家,高烈度區覆蓋了一半的國土,在1995年后就發生了如四川地震、唐山地震、海城地震、邢臺地震等[1]多起造成嚴重破壞的7級及以上地震.2019年6月,四川宜賓長寧發生6.0級地震,此次地震疊加了隨后發生的5.1、5.3、5.4、5.6級4次強烈余震[2].初步評估結果,此次受災主要涉及宜賓長寧、珙縣等9個縣區,其中,宜賓至敘永龍頭至雙河約5 km路段受損嚴重,震害類型以路基開裂變形為主.

目前,由于地震具有突發性和不可預料性,通過現場監測路基相應的地震響應過程非常困難.因此建立在相似關系基礎上的模型試驗就成為抗震試驗研究最主要的一種手段.徐光興等[3]利用大型振動臺模型實驗以及有限差分數值模擬研究了地震作用下路基邊坡的響應規律,發現邊坡對于輸入地震波存在垂直放大和臨空面放大作用.葉爾豐等[4]通過對場地-樁基礎-路堤體系進行有限元建模,發現隨著土層深度的增加,峰值加速度基本處于下降趨勢,由于樁體的耗能效果更好,樁基礎外側土體的加速度反應相對更小.李金貝等以汶川地震災區典型填方路基為例[5],通過大型振動臺模型試驗模擬呈現了填方路基的地震動力響應及損傷破壞過程、地震動參數和動力響應的影響[6,7].門妮等[8]結合汶川地震實例分析發現,邊坡體對輸入地震波低頻部分存在放大作用,對高頻能量具有濾波作用,并且邊坡體臨空面對地震波存在反射等作用.林順等[9]研究發現路基在地震作用下的變形破壞主要體現為水平地震慣性力的作用過程.

綜上所述,對鐵路建設中受地震影響重大且關鍵的路基結構,開展抗震性能研究,在工程需求和技術需求兩方面,對地震高發區及高烈度區的鐵路建設質量與運行安全都具有非常重要的意義.由于地震波在傳播過程中經過不同土層或不同材料時,會發生折射、反射及散射現象.本文對鐵路路基隔樁對地震動的阻隔效果進行了研究.

1 實驗概況

本次實驗使用1:10的路堤縮尺模型,如表1所示,樁徑采用5cm的混凝土樁,樁長為30cm時,對比樁間距分別為5、10、15、20、25cm時的路基動力響應變化情況.

表1 工況明細表

邱長林等[10]研究發現路基邊坡對輸入的水平地震波具有明顯的放大作用,而對豎向地震波的放大作用不明顯.該實驗建立了激振器單自由度震動模型,安裝激振器時,激振器水平放置在地基表面,其中軸線對應路基單側線路中軸線.在激振實驗時,通過電腦將選取的20s地震波文件輸入到電腦,經電腦擬合后傳輸到激振器,激振器的震動來模擬地震波的震動,埋入土中的傳感器接收的水平向震動信號后,將信號傳輸到電腦,完成震動響應試驗,如圖1所示.

實驗中激振器中心位于樁前30cm,1號傳感器位于粘土層,2號傳感器位于坡底,3號傳感器位于坡中,4號傳感器位于坡頂,5號傳感器位于路堤頂部.實驗輸入波型為天津波,如圖2所示.

圖1 實驗裝置布置圖 圖2 天津波形圖

2 試驗結果分析

根據圖3中地震加速度峰值的變化情況可以推斷出,在不埋設混凝土隔樁的情況下各點地震動的響應整體要大于埋設隔樁的情況,且地震波的波動程度相對較大.埋設混凝土樁可以減小路堤各處對于地震的的地震動響應,起到較好的抗震效果.

圖3 土體加速度時程曲線對比

由圖4(a-e)可以得出,采用天津波時,路堤各測點處水平加速度響應隨高度的變化規律,地震加速度響應并不隨著路堤的高度單調增加,而是從坡底處開始沿高度開始逐漸遞增,于路肩處達到最大值,在路基頂面,隨震源距的變大,加速度逐漸減小.結果表明:路基對水平加速度的響應并不隨路基高度而單調增加,而是整體呈現先增大,后在路基頂面隨震源距離增大而減小的情況.

(a)工況1加速度時程曲線 (b)工況2加速度時程曲線

(c)工況3加速度時程曲線 (d)工況4加速度時程曲線

(e)工況5加速度時程曲線圖4 各工況下地震加速度時程曲線

如表2所示,在混凝土隔樁的樁徑以及樁長不變,采用樁間距分別為5、10、15、20、25cm的情況,為了說明不同樁間距對路基的隔震效果的影響,確定樁長為30cm,樁徑為5cm,加速度測點設為5點,分別測得路堤各處加速度進行并計算其平均值,進行了不同樁間距條件下土體加速度幅值平均值的比較,并設置了無樁情況進行對比.

表2 不同樁間距條件下土體加速度比較

根據圖5數據的變化,與無隔樁措施相比,當樁間距分別為5、10、15、20和25cm時,地震加速度分別衰減了69.25%、58.36%、32.37%、18.5%、13.78%,當樁間距處于10～15cm時衰減較快.由鐵路路基結構在水平方向上的頂層加速度,可知鐵路隔樁在地震作用下具有良好的減震性能,路基于頂層加速度的響應明顯減小.根據數據的變化可以判斷,隨著樁間距的增加,加速度的響應不斷升高,較小的樁間距能有效抑制地基對地震加速度的響應,加速度峰值隨著埋設混凝土隔樁的樁間距增加而增大,在實際工程設計中,最佳抗震樁間距需要根據實際情況進行具體的分析.

圖5 不同樁間距條件下土體加速度相對值

3 結 論

根據本次實驗所得結果,分析了鐵路路基隔樁對于地震動的阻隔作用,在該實驗中可以得出如下結論:

(1)設置混凝土隔樁這種剛性材料能夠有效抑制路基對于地震加速度的響應,地震加速度最大衰減了69.25%,有效阻隔了地震波傳播.

(2)鐵路路基震動加速度隨路基高度而單調增加,在路肩達到最大,后隨震源距的增大,地震加速度在路基頂面逐漸減小.

(3)隨著路基埋設隔樁的樁間距增大,路基對于地震動的響應呈現增大趨勢,在實際工程設計中,最佳抗震樁間距需要根據實際情況進行具體的分析確定.