高速铁路单排封闭式PVC空井减隔振效果的数值分析

刘晶磊，马玉涛，张立群，宋绪国，赵敏

(1．河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口075000;2．铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

高速铁路单排封闭式PVC空井减隔振效果的数值分析

刘晶磊1，马玉涛1，张立群1，宋绪国2，赵敏1

(1．河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口075000;2．铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

高速铁路列车在运行过程中产生的振动，严重影响沿线居民的生活和科研院所的工作，需采取有效措施加以控制。通过无限元边界的有限元分析方法对高速铁路单排封闭式PVC(Polyvinyl Chloride)空井减隔振措施进行了研究，结果表明:列车荷载产生的振动波在土体的传播过程中，中、高频段的振动波衰减很快，低频段的振动波是引起土体振动的主要原因;随着空井深度的增加，减隔振效果增强但影响能力有限，建议空井深度设置为10～15 m;当空井直径在400 mm之内时，随着空井直径的增加减隔振效果显著增强，超过400 mm后，对减隔振效果的影响较小，建议空井直径设置为400～500 mm;随着空井间距的增加，减隔振效果明显减弱，建议空井间距设置在0.10 m以内。

高速铁路;单排封闭式PVC空井;减隔振;无限元边界;数值分析

高速铁路列车在运行过程中产生的振动，不仅对沿线居民的正常生活造成了干扰，而且对周边科研院所的精密仪器产生了严重的影响［1-4］。目前，高速铁路的减隔振措施主要有振源控制、振动传播控制和建筑物结构控制。已有研究表明，列车运行时产生的振动波是以表面波为主的复杂波动，因此，切断其传播途径是较为有效的方法［5］。而在振动传播控制中，PVC空井作为近年来一种新型的减隔振措施逐渐受到关注。

侯德军等［6］建立了铁路隔振沟减振措施的力学模型，对不同深度及宽度隔振沟的隔振效果进行了数值模拟，发现隔振沟的深度是影响减振效果的主要因素，而宽度对其影响不大。韦红亮等［7］建立了列车-大地-排桩耦合动力分析模型，并通过瞬态动力学方法，对不同桩深、桩径、截面形式及材料的单排桩的隔振效果进行了分析，结果表明桩深、桩径及材料的变化对隔振效果的影响较大，而桩身截面形式对隔振效果的影响较小。罗锟等［8］建立了由铁路交通引起的大地振动分析模型，对新型铁路沟屏障进行了分析，发现其隔振效果优于传统沟屏障，并且通过改变屏障的形状可以达到增加隔振效果的目的。刘奉喜等［9］研究了多年冻土地区铁路两侧隔振沟的隔振效果，通过数值模拟分析了隔振沟设置的位置及深度，并提出了相应的工程意见。肖世伟等［10］使用无限元和黏弹性边界模拟半无限空间，发现空沟的近场隔振优于远场隔振。

本文通过采用无限元边界的有限元数值分析方法对高速铁路单排封闭式PVC空井的减隔振效果进行研究，在明确土中振动波传播特性的基础上，分析单排封闭式PVC空井减隔振措施的减隔振效果，以及影响减隔振效果的因素。

1　封闭式PVC空井减隔振措施

封闭式PVC空井，是一种设置在振源与被保护建筑物之间的减隔振结构，井身为上下封口的PVC管［11］，其施工便捷，造价低廉。主要功能:防止由于地下水渗入而造成整体结构的损坏;阻止因杂物落入而导致减隔振效果降低，同时保护了铁路检修人员和周围居民的安全。施工前，先对PVC管进行强度检测，符合强度要求后，用钢板制作锥形桩尖，套在PVC管入土的一端。然后，采用全液压振动插管机进行插管施工，即先将带有桩尖的PVC管插入契合度较好的钢管中，再用插管机将钢管压入土中设计深度处，最后拔出钢管。封闭式PVC空井示意如图1。

图1　封闭式PVC空井示意

2建立数值计算模型

2.1模型尺寸及材料参数

本文采用三维数值模型进行计算，模型断面尺寸见图2［12］。计算分析过程中钢轨、轨道板、底座、基床表层、基床底层、基床底层下部土体均采用弹性模型，模型材料参数见表1。

图2　单线路基横断面(单位:m)

表1　模型材料参数

由于振动波在土体传播过程中不断衰减，故要对土体进行阻尼赋予，该模型使用ABAQUS的瑞利阻尼定义土体的阻尼，质量阻尼系数α为0.03，刚度阻尼系数β为0.002［13］。

2.2列车荷载条件

本文用一个激振力函数来模拟列车荷载，其中包括静荷载和由一系列正弦函数叠加而成的动荷载，表达式如下。

式中:F(t)为列车荷载;P0为车轮静载;P1，P2，P3分别为与钢轨圆频率ω1，ω2，ω3对应的振动荷载峰值; t为时间。

令列车簧下质量为M0，则相应的振动荷载幅值Pi为

式中，ai为与钢轨圆频率ωi对应的振幅。圆频率为

式中:V为列车的运行速度;Li为相应于高、中、低频3种情况下的典型波长。

不同频段振动波的波长及振幅见表2。

表2　不同频段振动波的波长及振幅

计算时选取V=350 km/h，将其代入式(1)得:

2.3设定模型边界

为更好地模拟振动波在土体中的传播，避免由于设置固定边界造成振动波的反射，采用有限元和无限元边界相结合的方法处理无限区域动力问题的边界条件。即模型两侧及底部采用CIN3D8无限元单元，其他部分采用C3D8R三维应力单元。有限元模型见图3。

图3　有限元模型

3　数值模拟计算结果分析

3.1振动波在土体中的传播特性

当无减隔振措施时，通过计算，得到时域条件下的土体加速度曲线。将时域条件下的土体加速度曲线进行傅立叶变换，得出频域条件下的土体加速度曲线，如图4所示。

图4　频域条件下的土体加速度曲线

可以看出，测点在距路基边坡坡脚4 m和10 m处，土体加速度的峰值均出现在低频频段范围内。这说明，列车荷载虽然由低、中、高3个频段的激振力组成，但是在土体的传播过程中，中、高频段的振动波衰减很快，低频频段的振动波是引起土体振动的主要原因。因此，在土体中设置减隔振措施应针对低频频段的振动波展开分析。在后续的减隔振措施分析中，列车荷载可设置为

3.2空井深度对减隔振效果的影响分析

为了研究空井的深度对减隔振效果的影响，对深度分别为5，10，15和20 m的空井进行数值模拟计算。不同空井深度条件下距离路基边坡坡脚7 m处土体的加速度对比见表3，其中加速度相对值为相同测点有无减隔振措施时加速度的比值。

表3　不同空井深度条件下土体的加速度对比

由表3可知，与无减隔振措施时相比，当空井深度为5 m时，距离路基边坡坡脚7 m处土体加速度衰减了48.55%;当空井深度为10 m时，加速度衰减了53.03%;当空井深度为15 m时，加速度衰减了53.95%;当空井深度为20 m时，加速度衰减了54.34%。空井深度由5 m增加到10 m时，加速度衰减值增加了4.48%;空井深度由10 m增加到15 m时，加速度衰减值增加了0.92%;空井深度由15 m增加到20 m时，加速度衰减值仅增加0.39%。可见，相同测点处不同深度空井条件下土体的加速度值均发生了一定程度的衰减，且随着空井深度的增加，加速度衰减量逐渐增大，但衰减幅度逐渐降低，趋于平缓。由此可以说明，增加空井的深度可以提高减隔振效果，但其影响能力有限。综合考虑实际工程中PVC空井的施工难度、施工投入及减隔振效果，建议空井深度设置为10～15 m。

3.3空井直径对减隔振效果的影响分析

为了研究空井直径对减隔振效果的影响，对直径分别为200，400和500 mm的空井进行数值模拟计算。不同空井直径条件下距离路基边坡坡脚7 m处土体的加速度对比见表4。

表4　不同空井直径条件下土体的加速度对比

由表4可知，当空井直径为200 mm时，距离路基边坡坡脚7 m处土体加速度衰减了28.29%;当空井直径为400 mm时，加速度衰减了51.84%;当空井直径为500 mm时，加速度衰减了53.95%。空井直径由200 mm增加到400 mm时，加速度衰减值增加了23.55%;空井直径由400 mm增加到500 mm时，加速度衰减值仅增加了2.11%。可见，与无减隔振措施时相比，相同测点处不同直径空井条件下土体的加速度值均发生了一定程度的衰减，且随着空井直径的增加，加速度衰减量增大，但衰减幅度减小，当空井直径≥400 mm时，则逐渐趋于平缓。由此可以说明，当空井直径＜400 mm时，增加空井的直径可有效提高其减隔振效果。因此，在综合考虑实际工程中PVC空井的施工投入及减隔振效果后，建议空井直径设置为400～500 mm。

3.4空井间距对减隔振效果的影响分析

为了研究空井间距对减隔振效果的影响，对间距分别为0.10，0.25，0.50 mm的空井进行数值模拟计算。不同空井间距条件下距离路基边坡坡脚7 m处土体的加速度对比见表5。

表5　不同空井间距条件下土体的加速度对比

由表5可知，与无减隔振措施时相比，当空井间距为0.10 m时，距离路基边坡坡脚7 m处土体加速度衰减了68.42%;当空井间距为0.25 m时，加速度衰减了53.95%;当空井间距为0.50 m时，加速度衰减了26.71%。当空井直径由0.10 m增加到0.25 m时，加速度衰减值下降了14.47%;空井直径由0.25 m增加到0.50 m时，加速度衰减值下降了27.24%。可见，相同测点处不同间距空井条件下土体的加速度值均发生了一定程度的衰减，且随着空井间距的增加，加速度衰减量减小。由此可以说明，增加空井的间距将减弱其减隔振效果。因此，根据本文的数值模拟计算结果，建议空井间距设置在0.10 m以内。

4　结论

1)列车荷载产生的振动波在土体的传播过程中，中、高频段的振动波衰减很快，低频频段的振动波是引起土体振动的主要原因。

2)随着空井深度的增加，减隔振效果增强，但影响能力有限。综合考虑实际工程中PVC空井的施工难度、施工投入及减隔振效果，建议空井深度设置为10～15 m。

3)当空井直径在400 mm之内时，随着空井直径的增加，减隔振效果显著增强;超过400 mm后，对减隔振效果的影响较小。综合考虑实际工程中PVC空井的施工投入及减隔振效果，建议空井直径设置为400～500 mm。

4)随着空井间距的增加，减隔振效果明显减弱。根据本文的数值模拟计算结果，建议空井间距设置在0.10 m以内。

［1］薛强，邱慧，马琳．钢轨阻尼器减振降噪效果试验研究［J］．铁道建筑，2012(12):121-124．

［2］刘海涛，王继军，赵勇，等．城市用减振型无砟轨道的研发［J］．铁道建筑，2016(1):59-62．

［3］马龙，辜小安．高速铁路列车运行振动对邻近精密仪器设备的影响分析综述［C］//2007年全国环境声学学术讨论会论文汇编．北京:中国声学学会，2007:87-90．

［4］孙成龙，高亮．铁路排桩隔振效果实测分析［J］．铁道建筑，2016(3):163-167．

［5］宗军良，刘涛，宫全美，等．既有线提速路基动力响应特性研究［J］．中国铁道科学，2007，28(4):7-11．

［6］侯德军，雷晓燕，罗信伟．铁路隔振沟减振的数值分析［J］．铁道科学与工程学报，2006，3(2):48-52．

［7］韦红亮，吕绍棣．铁路环境振动单排桩隔振数值分析［J］．华东交通大学学报，2008，25(2):10-15．

［8］罗锟，雷晓燕．新型铁路沟屏障隔振数值分析［J］．噪声与振动控制，2010(1):67-71．

［9］刘奉喜，刘建坤，房建宏．多年冻土区铁路隔振沟隔振效果的数值分析［J］．中国铁道科学，2003，24(5):48-51．

［10］肖世伟，雷长顺，郭超，等．高速铁路空沟隔振数值分析［J］．铁道工程学报，2011(8):23-29．

［11］张立群，马玉涛，刘晶磊，等．一种封闭式铁路减隔振空井结构:ZL 2015 2 0370273.5［P］.2015-11-25．

［12］国家铁路局．TB 10621—2014高速铁路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2015．

［13］蒋英礼，赵伯明，胡晓勇．软土地铁车站中柱在强震作用下的响应研究［J］．防灾减灾工程学报，2009(4):405-410．

(责任审编 郑冰)

Numerical Analysis of Effect of Vibration Isolation Provided by A Single Row of Em pty W ells Enclosed with Polyvinyl Chloride Material Used for High Speed Railway

LIU Jinglei1，MA Yutao1，ZHANG Liqun1，Song Xuguo2，ZHAO Min1
(1．School of Civil Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075000，China; 2．The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

It is indispensible to adopt effective measures to control the serious vibration to ambient environment during the operation of high speed railway，because it severely influences surrounding residents'daily life and work of research in the institutes．Them easure of a single row of empty wells enclosed with polyvinyl chloride(PVC)used for high speed railway was studied by adopting the finite element method based on in finite elements boundary．The results show that as for vibration wave produced by train load in the soil，the middle and high frequency vibration waves reduce rapidly when they spread，and the low frequency vibration wave is the main cause of soil vibration．With the increasing of the depth of empty wells，the effect of vibration isolation is enhanced，however，it is still limited．It is recommended that the depth of empty wells is set to 10～15 m．When the diameter of empty wells is within 400 mm，with the diameter increasing，the effect of vibration reduction is enhanced evidently．It is recommended that the diameter of empty wells is set to 400～500 mm．When it is more than 400 mm，the effect is unapparent．With the increasing of distance between empty wells，the effect of vibration isolation is declined obviously．It is recomm ended that the distance between empty wells is set to less than 0.10 m．

High speed railway;A single row of empty wells enclosed with PVC;Vibration isolation;Infinite elements boundary;Numerical analysis

U215

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．36

1003-1995(2016)11-0137-04

2016-07-30;

2016-09-07

张家口市科技局科技计划(1511074B);河北建筑工程学院科研基金(B-201601)

刘晶磊(1981—)，男，副教授，博士。