樁板結(jié)構(gòu)減震性能分析

夏 彬 張伯揚(yáng) 張業(yè)榮 周瑋浩 劉佳凡 劉晶磊*

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

無砟軌道是指不用道砟鋪設(shè)的軌道結(jié)構(gòu)，具有軌道穩(wěn)定性高、剛度均勻性好、結(jié)構(gòu)耐久性好、維修工作量顯著減少等諸多特點(diǎn)[1]；王峰[2]提出了完善樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是動力設(shè)計理論和方法的意見，對推廣應(yīng)用樁板結(jié)構(gòu)路基具有重要的理論和工程意義；曲宏略[3]等針對樁板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，采用FLAC3D仿真計算軟件進(jìn)行模擬計算得出結(jié)構(gòu)動力特性對抗震效果影響顯著.根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，高速鐵路所穿越地區(qū)部分處在地震液化帶上.當(dāng)列車低速行駛時，地震危害不大[4]；蘇勇[5]通過研究大同至張家口高速鐵路沿線區(qū)域分布多條斷裂帶，通過對比繞行與穿越方案，提出了采用隧道穿越活動斷裂時相關(guān)的抗震、減震方法；李安洪[6]總結(jié)了廣岳鐵路在震后的破壞情況，全面研究了路基的破壞形式.他把路基的震害分為兩個部分：路基主體的結(jié)構(gòu)破壞和間接的地質(zhì)災(zāi)害.為鐵路路基的破壞規(guī)律提供了重要的參考；劉晶磊等[7]通過有限元軟件ABAQUS對距離振源一定遠(yuǎn)固定位置處的振動情況進(jìn)行了數(shù)值分析，并通過縮尺模型試驗(yàn)分析相似工況下空溝減隔振施的隔振效果以及影響其減隔震效果的因素，并得出了空溝深度對距離振源一定遠(yuǎn)固定位置處的減隔振效果影響顯著；Nasu,Makoto[8]大量地觀察和研究各地路基在地震過程中的破壞原因，并取得了一定成果.他為研究路基減震提供了基礎(chǔ)；趙濤[9]研究青藏高原高速公路在地震荷載作用下的動力響應(yīng)特征，為凍土區(qū)高等級公路抗震設(shè)計提供相應(yīng)參考.

綜上所述國內(nèi)外通過不同的方式對無砟軌道的地震響應(yīng)均有研究，但是研究路基和軌道結(jié)構(gòu)的較少，上述研究成果均值得借鑒參考，我國是地震災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)的減震顯得尤為重要，考慮到樁板結(jié)構(gòu)取材方便運(yùn)用范圍廣，增強(qiáng)樁板結(jié)構(gòu)的減震能力對我國高速鐵路的發(fā)展具有重大意義.

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)主要采用的儀器設(shè)備是一臺WZ-30振動臺控制系統(tǒng)，它由激振系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.其中，激振系統(tǒng)包括JZ-50電磁式激振器、GF-500型功率放大器和信號發(fā)生器(筆記本電腦)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4包括ICP壓電加速度傳感器、WS-592數(shù)據(jù)采集儀、ICP加速度放大器.開展試驗(yàn)的場地尺寸為4.0m×4.0m×1.2m(長×寬×深)，分兩層，砂土在最底層，厚為1m；黏土在表層，厚0.2m.其中砂土和黏土密度控制在1.70～1.80g/cm3之內(nèi)，含水率控制在12%～13%之間.

試驗(yàn)場地平面布置如圖1所示，將混凝土板(混凝土樁，板厚為5cm)埋置于場地正中間，激振器位于場地中線上，距離第一個傳感器50cm.場地剖面圖2所示.本試驗(yàn)用了5個加速度傳感器依次測出圖1所示5條線的加速度數(shù)值，加速度傳感器間距為25cm.

圖1 加速度傳感器平面布置圖 圖2 場地剖面示意圖

表1 樁板結(jié)構(gòu)因素變量表

為研究無砟軌道路基樁板結(jié)構(gòu)其減震性能，試驗(yàn)探究樁長、樁間距、樁徑等主要因素對樁板結(jié)構(gòu)地震動力特性響應(yīng)趨勢的影響，如表1所示，每個主要因素改變其余4個因素不變.并采用控制變量法逐個對每個因素進(jìn)行分析，具體工況設(shè)計如表2所示；通過比較個點(diǎn)加速度值大小來間接判斷無咋軌道路基樁板結(jié)構(gòu)的減震性能.

表2 工況情況

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 不同樁徑大小加速度對比

為了研究在不同樁長、樁徑、樁間距3個主要因素對樁板結(jié)構(gòu)地震動力特性響應(yīng)趨勢的影響，本次試驗(yàn)共8個工況，即無樁板結(jié)構(gòu)的加速度大小分析共1個工況，樁長不同，樁徑、樁間距以及振源頻率等因素均相同共3個工況，樁徑不同，樁長、樁間距以及振源頻率等因素均相同共3個工況，以及樁間距不同，樁徑、樁長以及振源頻率等因素均相同共3個工況.通過加速度大小值來判定樁板結(jié)構(gòu)的減震性能.

上圖為不同樁徑大小混凝土樁的加速度分析圖，橫軸表示為震源距離，縱軸表示加速度峰值，變量為樁徑的大小.通過此圖能看出有防護(hù)措施的地基與無防護(hù)措施的地基相比加速度值有明顯的變化，其變化趨勢為加速度值的減小，由圖知當(dāng)震源距離為75cm樁板結(jié)構(gòu)的減震性能表現(xiàn)最直觀，此處也是地基受地震影響開始的地方，能更好更直觀的反應(yīng)減震性能，當(dāng)樁徑由5cm增加到10cm,加速度相應(yīng)的減小，減少值31%，樁徑由10cm增加到15cm,加速度相應(yīng)的減小，減少值30%，所以可以說明樁長、樁間距以及振源頻率等因素均相同時，樁徑的增加，其樁板結(jié)構(gòu)的減震性能有顯著的提升，我們可以看出當(dāng)樁徑過大時加速度值減小值趨于相近.

圖4 不同樁長混凝土樁的加速度分析圖

如圖4所示，為不同樁長混凝土樁的加速度分析圖，橫軸表示為震源距離，縱軸表示加速度峰值，變量為混凝土樁長度.分析圖所示，通過此圖可以看出隨著混凝土樁長的增加，加速度值逐漸變小，尤以震源距離為75cm時表現(xiàn)最為直觀，所以當(dāng)混凝土樁長由30cm增加到40cm,加速度相應(yīng)的減小，減少的21%，樁徑由40cm增加到50cm,加速度相應(yīng)的減小，減少的12%，所以可以得出結(jié)論樁長、樁間距以及振源頻率等因素均相同時，混凝土樁的樁長增加，樁板結(jié)構(gòu)的減震性能有所提升，我們可以看出當(dāng)樁長過長時加速度值減小值趨于相近.

圖5 混凝土樁不同樁間距加速度分析圖

圖5所示，為混凝土樁之間間距不同的加速度分析圖，橫軸表示為震源距離，縱軸表示加速度峰值，變量為混凝土樁間的間距.此圖能直觀的表現(xiàn)出樁板結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性，無工況(G1)與有工況(G2、G3、G6)對比不難看出樁板結(jié)構(gòu)有著不錯的性能，同時觀察有工況(G2、G3、G6)的三條曲線也可以看出混凝土樁的樁間距減小，其減震性能會略有所提升，通過與圖3、圖4分析圖對比我們可以得出樁間距的變化可以使加速度值減小但是效果不顯著，所以選擇適宜的樁間距會有更好的減震效果.

表3 加速度峰值表

表3為此次試驗(yàn)所有工況的加速度值，可以從表中看出有樁板結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對比無樁板結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)都是在減小的，說明有樁板結(jié)構(gòu)對路基減震保護(hù)路基有著不錯的保護(hù)作用.同時，結(jié)合圖3與表3中的曲線與數(shù)據(jù)，當(dāng)震源距離為75cm時，當(dāng)樁徑增加是，有樁板結(jié)構(gòu)(G4、G2、G5)的減震性能是無樁板(G1)的55%～78%，說明了樁徑的增加對樁板結(jié)構(gòu)的減震性能得到了顯著增加.關(guān)于樁長變化規(guī)律，結(jié)合圖4與表3中的曲線與數(shù)據(jù)，同樣分析震源距為75cm時，有工況的(G7、G2、G8)與無工況的(G1)數(shù)據(jù)對比我們可以得到隨著混凝土樁長得增加其減震性能約為無樁板的53%～68%.樁間距的變化，同樣我們結(jié)合圖5與表3中曲線與數(shù)據(jù)，有工況(G2、G3、G6)與無工況(G1)對比，其整體的減震性能不錯，但是隨著樁間距的減小其減震性能略有提升.

3 結(jié) 論

通過在室內(nèi)進(jìn)行場地模型試驗(yàn)所得出的大量數(shù)據(jù)，本文分析了無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)地震動力特性響應(yīng)趨勢的影響，并基于本次試驗(yàn)條件，得出以下結(jié)論：

(1)樁板結(jié)構(gòu)對路基減震有良好的效果，能最大程度上保護(hù)在地震影響下的無砟軌道地基.

(2)在不同樁長、樁徑、樁間距3個主要因素對樁板結(jié)構(gòu)地震動力特性響應(yīng)趨勢，總體來說控制單一變量都會對減震性能有所提升其中樁徑因素效果顯著，樁長因素效果一般，樁間距次之.

(3)與樁徑和樁長對比，樁間距之間的變化對減震性能的提高影響不大，選擇合適的樁徑、樁長、樁間距，能做到節(jié)省材料的同時省把減震性能提升至最大.