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(wú)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(jì)尤其是動(dòng)力設(shè)計(jì)理論和方法的意見(jiàn)，對(duì)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(duì)樁板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題，采用FLAC3D仿真計(jì)算軟件進(jìn)行模擬計(jì)算得出結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)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(chē)低速行駛時(shí)，地震危害不大[4]；蘇勇[5]通過(guò)研究大同至張家口高速鐵路沿線(xiàn)區(qū)域分布多條斷裂帶，通過(guò)對(duì)比繞行與穿越方案，提出了采用隧道穿越活動(dòng)斷裂時(shí)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(gè)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(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)距離振源一定遠(yuǎn)固定位置處的振動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值分析，并通過(guò)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(duì)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(guò)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(dòng)力響應(yīng)特征，為凍土區(qū)高等級(jí)公路抗震設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參考.

綜上所述國(guó)內(nèi)外通過(guò)不同的方式對(duì)無(wú)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(guó)是地震災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，無(wú)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(duì)我國(guó)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(tái)WZ-30振動(dòng)臺(tái)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(hào)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(kāi)展試驗(yàn)的場(chǎng)地尺寸為4.0m×4.0m×1.2m(長(zhǎng)×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(chǎng)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(chǎng)地正中間，激振器位于場(chǎng)地中線(xiàn)上，距離第一個(gè)傳感器50cm.場(chǎng)地剖面圖2所示.本試驗(yàn)用了5個(gè)加速度傳感器依次測(cè)出圖1所示5條線(xiàn)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(chǎng)地剖面示意圖

表1 樁板結(jié)構(gòu)因素變量表

為研究無(wú)砟軌道路基樁板結(jié)構(gòu)其減震性能，試驗(yàn)探究樁長(zhǎng)、樁間距、樁徑等主要因素對(duì)樁板結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力特性響應(yīng)趨勢(shì)的影響，如表1所示，每個(gè)主要因素改變其余4個(gè)因素不變.并采用控制變量法逐個(gè)對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行分析，具體工況設(shè)計(jì)如表2所示；通過(guò)比較個(gè)點(diǎn)加速度值大小來(lái)間接判斷無(wú)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(duì)比

為了研究在不同樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距3個(gè)主要因素對(duì)樁板結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力特性響應(yīng)趨勢(shì)的影響，本次試驗(yàn)共8個(gè)工況，即無(wú)樁板結(jié)構(gòu)的加速度大小分析共1個(gè)工況，樁長(zhǎng)不同，樁徑、樁間距以及振源頻率等因素均相同共3個(gè)工況，樁徑不同，樁長(zhǎng)、樁間距以及振源頻率等因素均相同共3個(gè)工況，以及樁間距不同，樁徑、樁長(zhǎng)以及振源頻率等因素均相同共3個(gè)工況.通過(guò)加速度大小值來(lái)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(guò)此圖能看出有防護(hù)措施的地基與無(wú)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(shì)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(kāi)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(shuō)明樁長(zhǎng)、樁間距以及振源頻率等因素均相同時(shí)，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(guò)大時(shí)加速度值減小值趨于相近.

圖4 不同樁長(zhǎng)混凝土樁的加速度分析圖

如圖4所示，為不同樁長(zhǎng)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(zhǎng)度.分析圖所示，通過(guò)此圖可以看出隨著混凝土樁長(zhǎng)的增加，加速度值逐漸變小，尤以震源距離為75cm時(shí)表現(xiàn)最為直觀，所以當(dāng)混凝土樁長(zhǎng)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(zhǎng)、樁間距以及振源頻率等因素均相同時(shí)，混凝土樁的樁長(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(wú)工況(G1)與有工況(G2、G3、G6)對(duì)比不難看出樁板結(jié)構(gòu)有著不錯(cuò)的性能，同時(shí)觀察有工況(G2、G3、G6)的三條曲線(xiàn)也可以看出混凝土樁的樁間距減小，其減震性能會(huì)略有所提升，通過(guò)與圖3、圖4分析圖對(duì)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(huì)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(duì)比無(wú)樁板結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)都是在減小的，說(shuō)明有樁板結(jié)構(gòu)對(duì)路基減震保護(hù)路基有著不錯(cuò)的保護(hù)作用.同時(shí)，結(jié)合圖3與表3中的曲線(xiàn)與數(shù)據(jù)，當(dāng)震源距離為75cm時(shí)，當(dāng)樁徑增加是，有樁板結(jié)構(gòu)(G4、G2、G5)的減震性能是無(wú)樁板(G1)的55%～78%，說(shuō)明了樁徑的增加對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的減震性能得到了顯著增加.關(guān)于樁長(zhǎng)變化規(guī)律，結(jié)合圖4與表3中的曲線(xiàn)與數(shù)據(jù)，同樣分析震源距為75cm時(shí)，有工況的(G7、G2、G8)與無(wú)工況的(G1)數(shù)據(jù)對(duì)比我們可以得到隨著混凝土樁長(zhǎng)得增加其減震性能約為無(wú)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(xiàn)與數(shù)據(jù)，有工況(G2、G3、G6)與無(wú)工況(G1)對(duì)比，其整體的減震性能不錯(cuò)，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(guò)在室內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)地模型試驗(yàn)所得出的大量數(shù)據(jù)，本文分析了無(wú)砟軌道樁板結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力特性響應(yīng)趨勢(shì)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(duì)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(wú)砟軌道地基.

(2)在不同樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距3個(gè)主要因素對(duì)樁板結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力特性響應(yīng)趨勢(shì)，總體來(lái)說(shuō)控制單一變量都會(huì)對(duì)減震性能有所提升其中樁徑因素效果顯著，樁長(zhǎng)因素效果一般，樁間距次之.

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