曾 平，林鵬威，林署炯，張澄博

(中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣州 510275)

高速列車在高架橋軟土地基段引起的地面振動監(jiān)測分析

曾 平，林鵬威，林署炯，張澄博

(中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣州 510275)

為了解高速列車在通過軟土地區(qū)高架橋段所引起的軟土地基振動特性及振動波在軟土中的傳播衰減規(guī)律，對廣深高速列車通過軟土高架橋段時引起的地面三方向振動進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)果顯示:地面振動的主要頻率集中在5～60 Hz，各監(jiān)測點速度三分量的最大值并不總是同時出現(xiàn)。同時，場地條件的變化對地面三方向振動，特別是兩水平方向振動產(chǎn)生較大的影響。據(jù)此提出在美國聯(lián)邦交通署的振級公式中用振動速度三分量“矢量和”代替單分量。代替后的結(jié)果顯示:和速度所引起的振動持時呈“漏斗狀”減小，評價結(jié)果更為合理。

軟土地基;環(huán)境振動實測;高架橋;三分量;矢量合成

0 引言

隨著中國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，全國范圍內(nèi)的高速鐵路網(wǎng)正在逐步形成之中，給人們的生活和工作帶來了極大的便利。然而，在高鐵高速發(fā)展的同時，高鐵振動對鐵路沿線人們的影響成為了一個不可忽視的問題。振動所帶來的各種問題［1－2］，在國際上已經(jīng)被列為七大環(huán)境問題之一。

目前對于交通系統(tǒng)振動對周圍環(huán)境影響研究已有較多論述:Okumura等［3］通過對日本8條線路的79個測點進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析了振源距離、軌道結(jié)構(gòu)、列車速度以及列車編組對周圍環(huán)境的振動影響;陳逸駿等［4］針對臺灣地區(qū)高速列車引起的振動問題，通過實測近、遠(yuǎn)場的地面振動參數(shù)特性建立了對地面振動的有效評估方法;高廣運等［5］基于秦—沈鐵路運行列車產(chǎn)生地面振動的實測數(shù)據(jù)，建立了運行列車－軌道－地面振動模型，重點對豎向振動加速度峰值衰減特性進(jìn)行了討論分析;夏禾等［2，6］得到了振動傳遞在一定距離存在振動放大區(qū)的結(jié)論，且高架橋線路的振動影響小于路基線路的振動影響;肖桂元等［7］分別采用了現(xiàn)場試驗與有限元分析的方法對軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化引起的地面環(huán)境振動特性進(jìn)行了分析;翟婉明等［8］在鐵路路線上對道床振動進(jìn)行實測的基礎(chǔ)上，建立分析道床振動的五參數(shù)模型，進(jìn)行了吻合性良好的模擬分析。上述研究從現(xiàn)場試驗到理論上的數(shù)值分析均獲得了大量有價值的結(jié)論，對減少交通環(huán)境中的振動問題具有積極作用。由于列車－軌道－橋梁－墩基－土體耦合相互作用的復(fù)雜性，精準(zhǔn)的解析解仍然難以獲得;另外，數(shù)值模擬的方法由于受計算手段和參數(shù)選擇等諸多限制，采用了各種程度的近似假設(shè)，與實際情況有一定差距，故現(xiàn)場監(jiān)測對環(huán)境振動的研究分析仍然十分重要。但前人測試分析過程多局限于豎向或分別單獨考慮三方向振動，實際上地面某點在列車通過時的某一特定時刻所受到的振動不僅僅只是其中一個或幾個特定方向的振動，因而前人這方面的評價工作存在一定的局限性，難以對環(huán)境振動的影響程度作出合理、全面、高精度的評價。

在軟土地區(qū)，高架橋軌道交通運行引起的振動對軟土地基的影響一直廣受關(guān)注。珠江三角洲軟土十分發(fā)育，高速鐵路多采用高架橋形式。已有環(huán)境振動理論和針對珠三角軟土地區(qū)高架橋振動問題的試驗論述較少，而且珠江三角洲地區(qū)地層中廣泛分布著厚度為幾至幾十米的海積軟土層，易導(dǎo)致建筑物沉降及失穩(wěn)等工程事故，新建高鐵或輕軌多采用高架橋形式，采用的無砟軌道剛度較大，會增大車輛、軌道振動。本文基于前人的研究成果，以廣深高速鐵路廣州段屏山涌特大橋墩基為研究對象，在珠三角海相軟土沉積區(qū)進(jìn)行高速鐵路列車運行引起地面振動的現(xiàn)場監(jiān)測，以土動力學(xué)原理為基礎(chǔ)深入研究軟土的振動衰減特性，以期對整個珠三角軟土地區(qū)高鐵道路對周圍環(huán)境的影響有更深入的了解，為交通環(huán)境振動減振、隔振問題提供評價依據(jù)。

1 試驗簡介

振動監(jiān)測儀采用成都中科測控有限公司生產(chǎn)的TC－4850測振儀，該儀器采樣率:1～50 kHz，多檔可調(diào)，本次采樣選用8 kHz，能夠達(dá)到精度要求;觸發(fā)電平:0～10 V(0～35 cm/s);通道數(shù):并行三通道(互相垂直的X、Y、Z 3個方向)。試驗前，測試設(shè)備均進(jìn)行了相應(yīng)的系統(tǒng)標(biāo)定。監(jiān)測過程中，將傳感器長度的一半埋入，并輔以石膏、少量水夯實傳感器周圍土體，待其完全固定后進(jìn)行后續(xù)監(jiān)測。

監(jiān)測場地位于廣深高鐵廣州段屏山涌特大橋橋底，大橋為箱型簡支梁橋，橋墩跨度30 m、高10 m。該測區(qū)附近地面為大面積的淤泥濕地，無其他振源干擾，可以對測點進(jìn)行較大密度的布設(shè)。圖1所示為試驗場地屏山涌特大橋南北側(cè)，場地鄰近獅子洋隧道西岸［9］，土層材料參數(shù)見表1。其包含的黏土、淤泥和粉砂質(zhì)淤泥，具有孔隙比大、含水量高、強度低、壓縮性高等顯著特點。測試列車為廣深高鐵正常運營列車，分別選取編組(車廂數(shù))為8節(jié)和16節(jié)的列車作為測試對象。

測點線垂直于高鐵走向，位于橋墩立柱側(cè)面的中心線上，在距離橋墩邊緣40 m范圍內(nèi)的地面上布置10個測點，測點布置見圖2，距離墩基的距離分別為0、2、5、8、13、18、23、28、33、40 m，測點處設(shè)置三向速度傳感器。

圖1 測試場地Fig.1 Site of the test

表1 土體參數(shù)Table 1 Parameters of soil

圖2 測點布置圖Fig.2 Arrangement ofmeasured points

列車通過并引起振動時觸發(fā)三向速度傳感器，即可得到墩基以及距離墩基不同距離處各測點的水平垂直鐵路走向(X方向)、水平平行鐵路走向(Y方向)、豎向(Z方向)速度時程曲線。

2 試驗結(jié)果分析

由于人體和建筑物不能對振動作出瞬時的反應(yīng)，而只能對一段時間內(nèi)的平均值作出反應(yīng)，因此單純地以速度時程峰值對環(huán)境振動影響進(jìn)行的分析不能全面地反映振動特性以及對沿線的影響。

本文對現(xiàn)場實測速度時程曲線采用振級計算，該計算采用美國聯(lián)邦交通署(FTA)規(guī)定的計算方法，用列車通過時采集的實測速度有效值(RMS)進(jìn)行計算［1，10］，它直接與振動能量有關(guān)。速度振級的計算公式為

式中:Lv為速度振級(dB);v振動速度的有效值(m/s);vref為振動速度基準(zhǔn)值，取2.54×10－8m/s。

2.1 振動速度時程曲線

圖3、圖4分別給出了不同列車編組(8節(jié)、16節(jié))2、13、23、40m測點處三通道(三方向)振動速度時程曲線?？梢姰a(chǎn)生的振動呈一種明顯的周期性峰值，可分辨出列車輪對對振動的影響。

對比各測點的振動速度時程曲線可以發(fā)現(xiàn):三方向振動在時程曲線上的響應(yīng)時間一致，地面振動速度時程峰值三方向相差不大，三方向峰值均主要集中在10－4cm/s量級，且峰值在23 m遠(yuǎn)場處大于13 m近場處，振動強度呈現(xiàn)放大特性。不同列車編組對地面振動速度時程峰值影響很小，不同之處在于:16節(jié)列車對地面振動影響的持續(xù)時間約為7 s，為8節(jié)編組列車振動持時的兩倍，由此間接驗證了本次監(jiān)測的可靠性。振動強度的衰減不因傳播方向的不同產(chǎn)生明顯的差異，與前人在高架橋段的測試結(jié)果不同:馬利衡等［11］實測統(tǒng)計結(jié)果表明，地面振動以豎向振動為主;李小珍等［12］振動測試研究表明，地面橫向水平振動較豎向大。鑒于諸多文獻(xiàn)對三方向振動強度實測結(jié)果的不完全一致性，本文認(rèn)為這種不一致性的產(chǎn)生包含3個重要的因素:一方面前人多數(shù)監(jiān)測時限于儀器性能，采集以豎向振動為主，水平兩方向的振動可能未受到足夠的重視;另一方面，對可多方向采集數(shù)據(jù)的儀器現(xiàn)場安置上，傳感器方向的放置在每一個單獨的測點是否完全平行存在很大的問題;最后，地基土振動具有各向異性，場地土層性質(zhì)的不同也會導(dǎo)致各個方向振動特性的差異，具有一定的不確定性。振動影響的方向不僅僅局限于單純的某個方向，因此，本文建議對因交通系統(tǒng)引起的地面振動評價應(yīng)同時考慮三方向振動的影響。

2.2 頻域分析

將同測點、同方向的各組振動頻譜幅值進(jìn)行線性平均，得到高鐵通過時距墩基不同距離的各地面測點的振動速度傅里葉頻譜曲線。圖4給出了不同列車編組2、13、40 m測點處三通道振動速度頻譜曲線。

對比圖5頻譜曲線可以看出:在距墩基振源2 m處，三方向上的振動包含的主要頻率成分均在5～100 Hz，在10和60 Hz出現(xiàn)兩個峰值，對比13、40 m頻譜曲線，除低頻峰值10 Hz附近以外，其余頻率已基本衰減。這說明由于能量的擴散和軟土層的阻尼作用，隨距墩基距離的增大，頻譜范圍持續(xù)減少，且高頻成分減少速率遠(yuǎn)高于低頻成分減少速率［7］，頻譜范圍越來越集中于低頻段，離橋墩趨遠(yuǎn)，振動主頻逐漸降低。

圖3 地面振動速度時程曲線(8節(jié)編組)Fig.3 Velocity time-history curves of ground vibration(8-train marshaling)

圖4 地面振動速度時程曲線(16節(jié)編組)Fig.4 Velocity time-history curves of ground vibration(16-train marshaling)

圖5 列車運行引起地面振動速度傅里葉頻譜曲線Fig.5 Velocity fourier spectra of ground vibration caused by CRH running trains

同時，通過對地面三方向振動主頻對比發(fā)現(xiàn)，相同編組的各次三方向測量主頻均無明顯差別，而不同列車編組導(dǎo)致的地面振動主要響應(yīng)頻譜不同。8節(jié)列車所引起的地面振動三方向主要響應(yīng)頻率均主要分布在5～60 Hz，16節(jié)列車所引起的振動響應(yīng)頻率分布于5～30 Hz，均(略)小于地鐵誘發(fā)地面振動的主要響應(yīng)頻率成分［13］，造成該結(jié)果的原因可能是高架橋振源振動在半空間土體傳播過程中，高頻成分相對吸收較快。與馬利衡等［11］結(jié)果吻合，但成分帶寬略窄。在未來交通系統(tǒng)日益完善的過程中，應(yīng)當(dāng)采取有效減振、隔振措施減少此類低頻振動的不利影響。

2.3 地面振動衰減規(guī)律

圖6為不同編組列車通過高架橋引起路基地面振動的速度振級對比圖?？梢钥闯?整個振級曲線隨距墩基距離的增大而波動性降低，不同編組列車與不同方向所產(chǎn)生的振級總體趨勢相近，但各自略有不同。在近場0～20 m范圍內(nèi)，16節(jié)編組列車引發(fā)的地面三方向振級低于8節(jié)編組列車;而遠(yuǎn)場20～40 m范圍內(nèi)則相反，差值在0.07～2.63 dB。對不同編組豎向振動(Z方向振級)，近場0～20 m以內(nèi)，總體上大于水平向振動(X、Y方向振級)0～4.59 dB;遠(yuǎn)場20～40 m范圍內(nèi)，總體上小于水平向振動(X、Y方向振級)0～1.38 dB。

圖6 速度振級對比圖Fig.6 Velocity vibrations in different train formation

本次測試地面三方向振動在0～5 m范圍內(nèi)迅速降低，該現(xiàn)象最可能是振動波在傳播過程中由于墩基承臺與地基土界面的突變，導(dǎo)致振動能量迅速的衰減;在18～30 m出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象，這種放大現(xiàn)象與前人測試結(jié)果相近［5］，且16節(jié)編組列車放大區(qū)影響范圍略小于8節(jié)編組列車影響范圍。該放大區(qū)存在的可能原因是振動傳播過程中高頻成分因阻尼和界面突變很快被吸收，在一定距離范圍(本次試驗為18～30 m)內(nèi)剩余的特定低頻成分與該范圍內(nèi)地基土的固有頻率的頻段相重合，從而引起特定范圍內(nèi)土體的部分共振，共振區(qū)的存在使得振級級數(shù)呈現(xiàn)放大的特性，建議未來結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行場地土的模態(tài)分析驗證，并進(jìn)行更加深入的研究。同時，根據(jù)現(xiàn)場情況的調(diào)查結(jié)果，由于周圍環(huán)境近場地表以高鐵施工填土為主，地表2 m以下及遠(yuǎn)場為淤泥濕地，此種特別的場地條件以及軟土沉積過程中存在的透鏡體以及軟土所體現(xiàn)的橫觀各向同性均可能對該放大區(qū)的存在產(chǎn)生一定的影響。

3 對三分量振動的整體考慮

前人對交通環(huán)境振動問題引起的三方向振動也有所關(guān)注:肖明清等［14］在廣深港高鐵隧道(獅子洋隧道)段的現(xiàn)場實測結(jié)果表明環(huán)向、徑向振動大于垂向振動;葉茂等［15］在研究城市道路交通誘發(fā)建筑結(jié)構(gòu)振動過程中提出對于一些環(huán)境振動敏感的特殊建筑，豎向與水平向加速度振級相差較小。均建議除考慮豎向環(huán)境振動外，還需要注意水平向地面振動對目標(biāo)物振動的影響規(guī)律，但并未給出具體考慮措施。屈迪等［13］對近車站地鐵運行引起的地面振動三方向分別進(jìn)行了實測與分析;夏倩等［16］在地鐵運行對地表建筑物振動的影響研究過程中，分別對各樓層的三方向振動進(jìn)行了實測，分析結(jié)果表明樓層三方向最大振級近似相等。上述文獻(xiàn)對地面振動數(shù)據(jù)的獲取或分析手段一般僅考慮豎向振動或分別考慮三方向振動，尚未對三方向振動綜合結(jié)果對目標(biāo)物振動影響規(guī)律進(jìn)行討論研究。本文基于前人研究成果，考慮到監(jiān)測所得速度三方向的最大值并不總是出現(xiàn)在同一時刻的現(xiàn)狀，通過將三方向振動速度在時域范圍內(nèi)進(jìn)行矢量求和的方式，對交通荷載引起的地面振動大小進(jìn)行綜合考慮。因和速度方向分布在整個三維空間的特殊性，僅以速度大小作為縱坐標(biāo)，振源處三方向(為體現(xiàn)其同時同步性，下文稱三分量)的合成矢量和速度大小時程曲線如圖7。

圖7 和速度時程曲線Fig.7 Total velocity time-history curves

用和速度有效值vs將式(1)中單方向振動速度有效值進(jìn)行替換，獲得地面振動總振級: Lvs=20lg(vs/vref3)， (2)式中:Lvs表示速度總振級;vs為三分量速度的和速度大小(矢量和)，因三分量振級近似相等，為保證振級量級上的一致性，此處vref3取式(1)中vref的倍，即

根據(jù)所得和速度時程曲線，按上式計算得到距振源不同距離處總振級時程曲線，見圖8、圖9。

圖8 Lvs時程曲線對比Fig.8 Lvstime-history curves of different distance

圖9 總振級峰值衰減曲線Fig.9 Attenuation of the peak Lvs

依據(jù)前文編組列車對地面振動影響不大的結(jié)論，以下僅對16節(jié)編組列車合成矢量速度對地面振動的影響進(jìn)行分析，可知:

(1)總振級時程曲線中，當(dāng)列車通過監(jiān)測斷面之前，地面質(zhì)點處振級隨列車振動波的相互影響及疊加迅速增加，并在一定時間段內(nèi)呈現(xiàn)近似水平的特點(即振動持時)，振源處持時約為6 s，與前文結(jié)論7 s略有不同。相比較而言，三分量整體同步分析更接近地面振動實際情況，在列車通過監(jiān)測斷面以后，由于質(zhì)點擾動的削弱，其振級曲線呈對數(shù)式衰減。

(2)隨距離的增加，矢量合成后的總振級Lvs快速衰減，衰減趨勢與各分量分別評價的結(jié)果基本一致，且在13～28 m處有反彈增大現(xiàn)象，但總振級Lvs略高于單獨各分量振級Lv，這可能是由于振源振動三分量經(jīng)土體傳播到監(jiān)測點形成了相位差并相互疊加增強的結(jié)果。在0～13 m范圍內(nèi)，總振級衰減7.2 dB，衰減速率0.55 dB/m;在28～40 m范圍內(nèi)，總振級衰減1.6 dB，衰減速率為0.13 dB/m，顯然隨距離墩基距離的增加，振動衰減變慢，且衰減曲線在不考慮振動反彈放大區(qū)時呈現(xiàn)對數(shù)曲線的特性，與現(xiàn)有振動波衰減理論一致。

(3)列車通過對地面振動影響的持續(xù)時間隨距離線路越遠(yuǎn)，振動持時越短，總體呈“漏斗狀”變化，如圖8所示。整體上隨離墩基越遠(yuǎn)，振動持時越短，與地面振動實際情況相符。

由于地面質(zhì)點三分量在同一時刻的振動是同步進(jìn)行的，本節(jié)以矢量合成的方式考慮了地面振動的綜合特性，該方法所得結(jié)論比分別考慮各方向振動狀態(tài)所得結(jié)論更符合地面質(zhì)點振動的實際狀態(tài)。同時，通過對振動三方向進(jìn)行綜合考慮的方法，相當(dāng)于在每個監(jiān)測點建立了一個獨立的空間坐標(biāo)系，能有效消除大量實地監(jiān)測過程中因安放傳感器時Z方向并未嚴(yán)格豎直、X方向未嚴(yán)格垂直鐵路走向、Y方向未嚴(yán)格平行鐵路走向等操作上的誤差而導(dǎo)致結(jié)果精確度降低，對未來交通荷載引起的環(huán)境振動及相關(guān)問題的研究具有參考意義。

4 結(jié)論與建議

(1)本次測試結(jié)果顯示，振動傳播存在放大區(qū)，振動被加強的范圍主要集中在距離橋墩18～30 m。建議未來通過數(shù)值模擬的方式對地基土體進(jìn)行模態(tài)分析以確定其固有頻率，對放大區(qū)的存在是否為共振導(dǎo)致進(jìn)行深入的辨別。同時，場地條件的改變對振動放大區(qū)的放大特性也有一定的影響。在珠三角地區(qū)高速鐵路的未來規(guī)劃、設(shè)計與維護(hù)當(dāng)中，對于鐵路沿線該范圍內(nèi)的建筑物，建議給予特別的關(guān)注。

(2)通過對地面質(zhì)點三分量振動的同步考慮，得到了振動持時隨距離線路變遠(yuǎn)，總體呈“漏斗狀”減小的結(jié)論。該方法及結(jié)論更符合地面質(zhì)點振動的實際情況，并能有效消除大量實測過程中的人為操作誤差，可為未來相關(guān)環(huán)境振動問題的實測、理論分析提供參考，并推廣使用。

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Test and analysis of soft ground vibration induced by high-speed trains on viaduct

ZENG Ping，LIN Peng-wei，LIN Shu-jiong，ZHANG Cheng-bo
(School of Earth Science and Geological Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China)

In soft soil area，the ground vibration induced by high-speed train on viaduct is widely concerned．Since the Pearl River Delta is abundant of soft soil，high-speed railway is often constructed in the form of viaduct．In order to understand the vibration characteristics of soft soil and the attenuation rule of the vibration wave propagating in soft soil，triaxial vibration monitoring was made on the soft soil foundation of the Guang-Shen intercity high-speed train．The results show that the dominant frequency of the ground vibration is 5－60 Hz，themaximum value of each velocity component didn＇t appear at the same time．The variation of site conditions had large impacts on the triaxial vibration and more significant impact on the horizontal vibration．In this paper，vector sum of three axes vibration velocitieswas used instead of single velocity component for the vibration level formula(proposed by American Federal Railroad Administration)．The result shows that the duration time of the vibration attenuate is slow like a funnel，which ismore reasonable to reflect the characteristics of the ground vibration．

soft foundation;environmental vibrationmeasurement;viaduct;triaxial direction;vector synthesis

U231;X827

:A

2015－07－21

廣東省自然科學(xué)基金項目 (S2013010012521)

曾 平 (1991—)，男，碩士研究生，研究方向:高速鐵路振動引起的環(huán)境問題，zengp6@163.com。

張澄博，博士，副教授，eeszcb@sysu.edu.cn。

曾平，林鵬威，林署炯，等．高速列車在高架橋軟土地基段引起的地面振動監(jiān)測分析［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報，2016，36(4):731－737．

1674－9057(2016)04－0731－07

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.014