桩板结构减震性能分析

夏 彬 张伯扬 张业荣 周玮浩 刘佳凡 刘晶磊*

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；
2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

无砟轨道是指不用道砟铺设的轨道结构，具有轨道稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性好、维修工作量显著减少等诸多特点[1]；
王峰[2]提出了完善桩板结构设计尤其是动力设计理论和方法的意见，对推广应用桩板结构路基具有重要的理论和工程意义；
曲宏略[3]等针对桩板结构的稳定性问题，采用FLAC3D仿真计算软件进行模拟计算得出结构动力特性对抗震效果影响显著.根据研究发现，高速铁路所穿越地区部分处在地震液化带上.当列车低速行驶时，地震危害不大[4]；
苏勇[5]通过研究大同至张家口高速铁路沿线区域分布多条断裂带，通过对比绕行与穿越方案，提出了采用隧道穿越活动断裂时相关的抗震、减震方法；
李安洪[6]总结了广岳铁路在震后的破坏情况，全面研究了路基的破坏形式.他把路基的震害分为两个部分：路基主体的结构破坏和间接的地质灾害.为铁路路基的破坏规律提供了重要的参考；
刘晶磊等[7]通过有限元软件ABAQUS对距离振源一定远固定位置处的振动情况进行了数值分析，并通过缩尺模型试验分析相似工况下空沟减隔振施的隔振效果以及影响其减隔震效果的因素，并得出了空沟深度对距离振源一定远固定位置处的减隔振效果影响显著；
Nasu,Makoto[8]大量地观察和研究各地路基在地震过程中的破坏原因，并取得了一定成果.他为研究路基减震提供了基础；
赵涛[9]研究青藏高原高速公路在地震荷载作用下的动力响应特征，为冻土区高等级公路抗震设计提供相应参考.

综上所述国内外通过不同的方式对无砟轨道的地震响应均有研究，但是研究路基和轨道结构的较少，上述研究成果均值得借鉴参考，我国是地震灾害的多发区，无砟轨道桩板结构的减震显得尤为重要，考虑到桩板结构取材方便运用范围广，增强桩板结构的减震能力对我国高速铁路的发展具有重大意义.

本试验主要采用的仪器设备是一台WZ-30振动台控制系统，它由激振系统和数据采集系统组成.其中，激振系统包括JZ-50电磁式激振器、GF-500型功率放大器和信号发生器(笔记本电脑)；
数据采集系统4包括ICP压电加速度传感器、WS-592数据采集仪、ICP加速度放大器.开展试验的场地尺寸为4.0m×4.0m×1.2m(长×宽×深)，分两层，砂土在最底层，厚为1m；
黏土在表层，厚0.2m.其中砂土和黏土密度控制在1.70～1.80g/cm3之内，含水率控制在12%～13%之间.

试验场地平面布置如图1所示，将混凝土板(混凝土桩，板厚为5cm)埋置于场地正中间，激振器位于场地中线上，距离第一个传感器50cm.场地剖面图2所示.本试验用了5个加速度传感器依次测出图1所示5条线的加速度数值，加速度传感器间距为25cm.

图1 加速度传感器平面布置图 图2 场地剖面示意图

表1 桩板结构因素变量表

为研究无砟轨道路基桩板结构其减震性能，试验探究桩长、桩间距、桩径等主要因素对桩板结构地震动力特性响应趋势的影响，如表1所示，每个主要因素改变其余4个因素不变.并采用控制变量法逐个对每个因素进行分析，具体工况设计如表2所示；
通过比较个点加速度值大小来间接判断无咋轨道路基桩板结构的减震性能.

表2 工况情况

图3 不同桩径大小加速度对比

为了研究在不同桩长、桩径、桩间距3个主要因素对桩板结构地震动力特性响应趋势的影响，本次试验共8个工况，即无桩板结构的加速度大小分析共1个工况，桩长不同，桩径、桩间距以及振源频率等因素均相同共3个工况，桩径不同，桩长、桩间距以及振源频率等因素均相同共3个工况，以及桩间距不同，桩径、桩长以及振源频率等因素均相同共3个工况.通过加速度大小值来判定桩板结构的减震性能.

上图为不同桩径大小混凝土桩的加速度分析图，横轴表示为震源距离，纵轴表示加速度峰值，变量为桩径的大小.通过此图能看出有防护措施的地基与无防护措施的地基相比加速度值有明显的变化，其变化趋势为加速度值的减小，由图知当震源距离为75cm桩板结构的减震性能表现最直观，此处也是地基受地震影响开始的地方，能更好更直观的反应减震性能，当桩径由5cm增加到10cm,加速度相应的减小，减少值31%，桩径由10cm增加到15cm,加速度相应的减小，减少值30%，所以可以说明桩长、桩间距以及振源频率等因素均相同时，桩径的增加，其桩板结构的减震性能有显著的提升，我们可以看出当桩径过大时加速度值减小值趋于相近.

图4 不同桩长混凝土桩的加速度分析图

如图4所示，为不同桩长混凝土桩的加速度分析图，横轴表示为震源距离，纵轴表示加速度峰值，变量为混凝土桩长度.分析图所示，通过此图可以看出随着混凝土桩长的增加，加速度值逐渐变小，尤以震源距离为75cm时表现最为直观，所以当混凝土桩长由30cm增加到40cm,加速度相应的减小，减少的21%，桩径由40cm增加到50cm,加速度相应的减小，减少的12%，所以可以得出结论桩长、桩间距以及振源频率等因素均相同时，混凝土桩的桩长增加，桩板结构的减震性能有所提升，我们可以看出当桩长过长时加速度值减小值趋于相近.

图5 混凝土桩不同桩间距加速度分析图

图5所示，为混凝土桩之间间距不同的加速度分析图，横轴表示为震源距离，纵轴表示加速度峰值，变量为混凝土桩间的间距.此图能直观的表现出桩板结构的优异性，无工况(G1)与有工况(G2、G3、G6)对比不难看出桩板结构有着不错的性能，同时观察有工况(G2、G3、G6)的三条曲线也可以看出混凝土桩的桩间距减小，其减震性能会略有所提升，通过与图3、图4分析图对比我们可以得出桩间距的变化可以使加速度值减小但是效果不显著，所以选择适宜的桩间距会有更好的减震效果.

表3 加速度峰值表

表3为此次试验所有工况的加速度值，可以从表中看出有桩板结构的数据对比无桩板结构的数据都是在减小的，说明有桩板结构对路基减震保护路基有着不错的保护作用.同时，结合图3与表3中的曲线与数据，当震源距离为75cm时，当桩径增加是，有桩板结构(G4、G2、G5)的减震性能是无桩板(G1)的55%～78%，说明了桩径的增加对桩板结构的减震性能得到了显著增加.关于桩长变化规律，结合图4与表3中的曲线与数据，同样分析震源距为75cm时，有工况的(G7、G2、G8)与无工况的(G1)数据对比我们可以得到随着混凝土桩长得增加其减震性能约为无桩板的53%～68%.桩间距的变化，同样我们结合图5与表3中曲线与数据，有工况(G2、G3、G6)与无工况(G1)对比，其整体的减震性能不错，但是随着桩间距的减小其减震性能略有提升.

通过在室内进行场地模型试验所得出的大量数据，本文分析了无砟轨道桩板结构地震动力特性响应趋势的影响，并基于本次试验条件，得出以下结论：

(1)桩板结构对路基减震有良好的效果，能最大程度上保护在地震影响下的无砟轨道地基.

(2)在不同桩长、桩径、桩间距3个主要因素对桩板结构地震动力特性响应趋势，总体来说控制单一变量都会对减震性能有所提升其中桩径因素效果显著，桩长因素效果一般，桩间距次之.

(3)与桩径和桩长对比，桩间距之间的变化对减震性能的提高影响不大，选择合适的桩径、桩长、桩间距，能做到节省材料的同时省把减震性能提升至最大.