不同桩间距对铁路路基的减震效果分析

张文祥 胡子良 潘乐鹏 郁 雯* 张 宏 樊 英

(1.河北建筑工程学院土木工程学院,河北 张家口 075000;2.张家口市洋河河务管理处,河北 张家口 075000;3.张家口市清水河河务管理处,河北 张家口 075000)

0 引 言

我国是一个地震多发的国家,高烈度区覆盖了一半的国土,在1995年后就发生了如四川地震、唐山地震、海城地震、邢台地震等[1]多起造成严重破坏的7级及以上地震.2019年6月,四川宜宾长宁发生6.0级地震,此次地震叠加了随后发生的5.1、5.3、5.4、5.6级4次强烈余震[2].初步评估结果,此次受灾主要涉及宜宾长宁、珙县等9个县区,其中,宜宾至叙永龙头至双河约5 km路段受损严重,震害类型以路基开裂变形为主.

目前,由于地震具有突发性和不可预料性,通过现场监测路基相应的地震响应过程非常困难.因此建立在相似关系基础上的模型试验就成为抗震试验研究最主要的一种手段.徐光兴等[3]利用大型振动台模型实验以及有限差分数值模拟研究了地震作用下路基边坡的响应规律,发现边坡对于输入地震波存在垂直放大和临空面放大作用.叶尔丰等[4]通过对场地-桩基础-路堤体系进行有限元建模,发现随着土层深度的增加,峰值加速度基本处于下降趋势,由于桩体的耗能效果更好,桩基础外侧土体的加速度反应相对更小.李金贝等以汶川地震灾区典型填方路基为例[5],通过大型振动台模型试验模拟呈现了填方路基的地震动力响应及损伤破坏过程、地震动参数和动力响应的影响[6,7].门妮等[8]结合汶川地震实例分析发现,边坡体对输入地震波低频部分存在放大作用,对高频能量具有滤波作用,并且边坡体临空面对地震波存在反射等作用.林顺等[9]研究发现路基在地震作用下的变形破坏主要体现为水平地震惯性力的作用过程.

综上所述,对铁路建设中受地震影响重大且关键的路基结构,开展抗震性能研究,在工程需求和技术需求两方面,对地震高发区及高烈度区的铁路建设质量与运行安全都具有非常重要的意义.由于地震波在传播过程中经过不同土层或不同材料时,会发生折射、反射及散射现象.本文对铁路路基隔桩对地震动的阻隔效果进行了研究.

1 实验概况

本次实验使用1:10的路堤缩尺模型,如表1所示,桩径采用5cm的混凝土桩,桩长为30cm时,对比桩间距分别为5、10、15、20、25cm时的路基动力响应变化情况.

表1 工况明细表

邱长林等[10]研究发现路基边坡对输入的水平地震波具有明显的放大作用,而对竖向地震波的放大作用不明显.该实验建立了激振器单自由度震动模型,安装激振器时,激振器水平放置在地基表面,其中轴线对应路基单侧线路中轴线.在激振实验时,通过电脑将选取的20s地震波文件输入到电脑,经电脑拟合后传输到激振器,激振器的震动来模拟地震波的震动,埋入土中的传感器接收的水平向震动信号后,将信号传输到电脑,完成震动响应试验,如图1所示.

实验中激振器中心位于桩前30cm,1号传感器位于粘土层,2号传感器位于坡底,3号传感器位于坡中,4号传感器位于坡顶,5号传感器位于路堤顶部.实验输入波型为天津波,如图2所示.

图1 实验装置布置图 图2 天津波形图

2 试验结果分析

根据图3中地震加速度峰值的变化情况可以推断出,在不埋设混凝土隔桩的情况下各点地震动的响应整体要大于埋设隔桩的情况,且地震波的波动程度相对较大.埋设混凝土桩可以减小路堤各处对于地震的的地震动响应,起到较好的抗震效果.

图3 土体加速度时程曲线对比

由图4(a-e)可以得出,采用天津波时,路堤各测点处水平加速度响应随高度的变化规律,地震加速度响应并不随着路堤的高度单调增加,而是从坡底处开始沿高度开始逐渐递增,于路肩处达到最大值,在路基顶面,随震源距的变大,加速度逐渐减小.结果表明:路基对水平加速度的响应并不随路基高度而单调增加,而是整体呈现先增大,后在路基顶面随震源距离增大而减小的情况.

(a)工况1加速度时程曲线 (b)工况2加速度时程曲线

(c)工况3加速度时程曲线 (d)工况4加速度时程曲线

(e)工况5加速度时程曲线图4 各工况下地震加速度时程曲线

如表2所示,在混凝土隔桩的桩径以及桩长不变,采用桩间距分别为5、10、15、20、25cm的情况,为了说明不同桩间距对路基的隔震效果的影响,确定桩长为30cm,桩径为5cm,加速度测点设为5点,分别测得路堤各处加速度进行并计算其平均值,进行了不同桩间距条件下土体加速度幅值平均值的比较,并设置了无桩情况进行对比.

表2 不同桩间距条件下土体加速度比较

根据图5数据的变化,与无隔桩措施相比,当桩间距分别为5、10、15、20和25cm时,地震加速度分别衰减了69.25%、58.36%、32.37%、18.5%、13.78%,当桩间距处于10～15cm时衰减较快.由铁路路基结构在水平方向上的顶层加速度,可知铁路隔桩在地震作用下具有良好的减震性能,路基于顶层加速度的响应明显减小.根据数据的变化可以判断,随着桩间距的增加,加速度的响应不断升高,较小的桩间距能有效抑制地基对地震加速度的响应,加速度峰值随着埋设混凝土隔桩的桩间距增加而增大,在实际工程设计中,最佳抗震桩间距需要根据实际情况进行具体的分析.

图5 不同桩间距条件下土体加速度相对值

3 结 论

根据本次实验所得结果,分析了铁路路基隔桩对于地震动的阻隔作用,在该实验中可以得出如下结论:

(1)设置混凝土隔桩这种刚性材料能够有效抑制路基对于地震加速度的响应,地震加速度最大衰减了69.25%,有效阻隔了地震波传播.

(2)铁路路基震动加速度随路基高度而单调增加,在路肩达到最大,后随震源距的增大,地震加速度在路基顶面逐渐减小.

(3)随着路基埋设隔桩的桩间距增大,路基对于地震动的响应呈现增大趋势,在实际工程设计中,最佳抗震桩间距需要根据实际情况进行具体的分析确定.