劉厚毅 周 游 鐘康明 周正華 李玉萍 董 青 王偉明 宋加密

（南京工業(yè)大學，交通運輸工程學院，南京 210009）

引言

隨著城市化進程的不斷發(fā)展，現代城市的規(guī)模在不斷擴張，振動引起的危害越來越受到人們的關注，振動被列為七大環(huán)境公害之一，問題日益突出。振動引起的危害，指振動對人類正常生活與工作、對周圍建筑及精密儀器的正常使用所造成的不良影響。振動以波的形式在構造物中傳遞能量，并通過與構造物相連的其他物體繼續(xù)傳播。在軌道交通系統(tǒng)中，振動主要因列車運行時的輪軌相互撞擊而產生，再由輪軌傳到軌道的扣件和道床，經路基引發(fā)地基土振動。隨著人們維權意識的增強，鐵路引起的振動成為人們日益關注的嚴重環(huán)境問題。一方面，全球范圍內鐵路基礎建設快速發(fā)展；另一方面，更靈活的鐵路運營調度以及更重和更快的列車投入運營，特別是具有快捷、舒適、安全等特點的高速鐵路，近年來在世界范圍內得到了廣泛的發(fā)展，不同于傳統(tǒng)的低速軌道交通，高速列車對軌道和周圍地面造成的影響有顯著增加。與日益增長的振動環(huán)境相對應，人們對生活質量的追求卻越來越高，環(huán)境振動水平超過人體所能承受的上限水平時，將會引起人體生理和心理的不良反應。因此，對高速鐵路引起的振動問題應給予高度重視。

國內外學者對地面振動做了大量的實測與分析，對振動產生的機理、振動傳播的影響因素和振動的傳播規(guī)律等方面做了深入研究，并獲得了一些成果。Auersch（2006）基于理論分析方法，探討了不同支撐條件下梁模型的振動響應。Fujikake（1986）建立了高速列車-高架橋-地基土動力相互作用的分析模型，并就新干線高速列車對環(huán)境振動的影響進行了現場試驗。

在中國，葛勇等（2010）對渝遂鐵路CRH2高速列車引起的地基土振動進行了實測，應用正交經驗模式分解法和Hilbert變換對地表的豎向振動加速度進行了頻譜分析。陶夏新等（2002）、崔高航等（2008）和鄭鑫等（2010）基于地震工程學原理，用地脈動臺陣試驗方法，對軌道交通引起的環(huán)境振動進行了現場測試和振源的模擬反演。周華飛等（2006）針對高速列車引起的環(huán)境振動問題，分別以移動線源非均布荷載和粘彈性半空間體模擬運動列車荷載和地基，分析了高速列車引起的地基土振動。譚燕（2011）實測了京津城際高架線、京廣線等高速列車引起的環(huán)境振動并分析了其頻譜特性，研究了振動傳播及衰減的規(guī)律。馬利衡等（2014）通過現場測試和數值分析，從時域和頻域兩方面分析了高速列車引起的環(huán)境振動特征和傳播規(guī)律，發(fā)現振動傳播過程中高頻成分衰減迅速，低頻成分衰減較慢。

相比之下，關于高速列車引起的地基土不同深度處的振動響應及其隨深度衰減規(guī)律的研究工作相對較少。鑒于此，本文基于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類場地條件下的路堤式和高架橋式高速鐵路地基土振動加速度響應測試數據，分析了不同場地條件下和不同路基形式的高速鐵路地基土振動加速度隨深度的變化規(guī)律。同時，通過對測試記錄進行傅立葉變換，分析了高速列車引起的地基土不同深度處的頻譜特征及其隨深度變化的規(guī)律，以期為開展地基土低應變水平下的疲勞特征分析提供參考。

1 現場振動試驗

高鐵振動測試選擇京滬高鐵滁州至上海段，包括Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類場地，路基形式包括路堤式和高架橋式，其中滁州觀測場地屬于Ⅱ類場地、路堤式路基，觀測點布置于距離軌道中心線20m處；無錫觀測場地屬于Ⅲ類場、高架橋式路基，觀測點分別布置于軌道中心線正下方兩橋墩中間處和橋墩外側距離軌道中心線9m處；昆山觀測場地屬于Ⅳ類場地、高架橋式路基，測點布置于軌道中心線正下方兩橋墩中間處。為避免其它因素產生振動干擾，測試場地均位于開闊田野段，附近無其它建筑和交通設施，周圍較寂靜，適宜開展測試。

測試儀器為5臺24位三通道ETNA 2型數字強震動加速度儀，主要技術指標詳見文獻1ETNA 2數字強振動加速度儀性能規(guī)格與技術參數書.?，F場測試采樣率設置為200Hz，測試前對儀器進行了一致性檢驗，結果表明儀器具有很好的一致性。每個測試場地分別設置了4—5個深度（0m、1m、2m、3m、4m或5m）的測點，測試儀器的布設按照統(tǒng)一規(guī)定方向（水平向X：垂直軌道方向；水平向Y：平行軌道方向；豎向Z：豎向），把儀器放置不同深度處（鉆孔底部使用預制好的水泥柱壓實壓平）并調平將其固定，用預制好的方體水泥塊將儀器壓實。采用觸發(fā)記錄模式，手動觸發(fā)后5臺儀器將同時記錄，現場測試中記錄了每臺儀器的手動觸發(fā)時間及高速列車通過的時刻，并用激光測速儀測試了各組列車通過測試現場的車速，同時觀察了列車類型，便于后期數據處理時查閱參考。各場地測點布置示意圖見圖1。

圖1 測點布設示意圖Fig.1 Arrangement of measuring points

2 數據處理與分析

首先，對記錄數據進行篩選，篩選出運行速度約300km/h、車型為CRH380AL并以16節(jié)車廂編組運行的列車經過時記錄的振動加速度數據。

鑒于原始振動加速度記錄存在一定的零位漂移，為了消除此零位漂移，對原始振動加速度記錄at進行了零階基線校正，具體處理步驟如下：

（1）依據無列車通過時間段內的加速度記錄，計算得到加速度平均值a0。

（2）從有列車經過時記錄的加速度記錄at中減去加速度平均值a0，則得到無零位漂移的振動加速度記錄時程。圖2給出了滁州測試場地高速列車通過時不同測試深度處的振動加速度時程。

依據經基線校正過的列車通過時的振動加速度記錄，確定了各次列車通過時不同深度測點的兩水平向（垂直軌道水平向和平行軌道水平向）與豎向峰值加速度，并通過傅里葉變換得到了振動加速度記錄的傅里葉振幅譜，為分析各場地振動加速度峰值及振幅譜隨深度的變化特征提供依據。

圖2 滁州測試場地不同深度測點三分量振動加速度時程曲線Fig.2 The acceleration time history curves of three component vibration at different depths in the Chuzhou test site

2.1 滁州測試場地

滁州測試場地為Ⅱ類場地、路堤式路基，列車以300km/h的速度通過測點時，地基土三分量振動加速度頻譜曲線如圖3所示，圖4為多組列車經過時測得的三分量振動加速度最大值的平均值隨深度的變化曲線。由于滁州測試場地地下4m處達強風化巖，因此該場地測試深度為4m，各測點的深度分別為0m、1m、2m和4m。

從圖3可以看出，地表振動頻帶約20—70Hz，隨著深度增加，頻帶逐漸變窄，約20—60Hz，而各測試深度處的優(yōu)勢頻率約為30Hz；在0—1m深度內，三分量振動頻譜幅值迅速衰減；隨著深度的增加三分量振動頻譜幅值衰減逐漸變緩；此外，隨著深度的增加，高頻振動較低頻振動衰減快。

圖3 滁州測試場地不同深度測點三分量振動加速度頻譜曲線Fig.3 The acceleration spectrum curves of three component vibration at different depths in the Chuzhou test site

圖4 滁州場地三分量振動加速度峰值隨深度變化曲線Fig.4 The peak curves of three component vibration acceleration at different depths in the Chuzhou test site

由4圖可知，滁州場地在同一位置處，垂直軌道方向、平行軌道方向和豎向振動加速度總體均隨深度的增加呈逐步衰減的趨勢，并且由地表至地下1m深時振動幅值衰減較快，隨著深度增加，振動幅值衰減變緩。在0—1m深度內，垂直軌道水平向振動加速度幅值衰減約66%，平行軌道水平向加速度衰減約65%，豎向加速度幅值衰減約55%，顯示出垂直軌道水平向和平行軌道水平向加速度幅值衰減較豎向快；在1—4m深度內，水平向加速度衰減約17%，豎向加速度衰減約17%，水平向與豎向衰減速率相近。上述特征在圖2中也有體現。

2.2 無錫測試場地

無錫測試場地為Ⅲ類場地、高架橋式路基，高架橋高度約10.5m。測點布設在橋墩外側距離軌道中心線9m處。列車以300km/h的速度通過測點時，地基土三分量振動加速度頻譜曲線如圖5所示，圖6為多組列車經過時測得的三分量振動加速度最大值的平均值隨深度的變化曲線。

圖5 無錫測試場地不同深度測點三分量振動加速度頻譜曲線Fig.5 The acceleration spectrum curves of three component vibration at different depths in the Wuxi test site

圖6 無錫場地三分量振動加速度峰值隨深度變化曲線Fig.6 The peak curves of three component vibration acceleration at different depths in the Wuxi test site

由圖5可以得出，地表振動頻帶約10—60Hz，優(yōu)勢頻率約42Hz，在1m深處頻帶變寬，約10—80Hz，但譜值較地表小。隨著深度進一步增大，振動頻帶變窄，為10—60Hz，但譜值隨深度衰減很小?？傮w上，不同深度處振動優(yōu)勢頻率基本接近。

由圖6可以看出，對于無錫測試場地，垂直軌道水平向、平行軌道水平向和豎向加速度峰值總體均隨深度的增加而逐漸衰減，由地表至地下1m衰減明顯較快，且垂直軌道水平向加速度峰值衰減最快，其次是平行軌道水平向，豎向最慢。隨著測試深度進一步增加，三分量加速度峰值衰減逐漸變慢，平行軌道水平向和豎向加速度峰值在3m深處略有放大，垂直軌道水平向加速度峰值在2m深以下基本無衰減。各測點加速度峰值平均值的定量分析表明，深度0—1m內，垂直軌道水平向加速度峰值衰減約70%，平行軌道水平向加速度峰值衰減約54%，豎向加速度峰值衰減約24%，兩水平向衰減明顯快于豎向；深度1—2m內，三分量加速度峰值衰減變緩，垂直軌道方向加速度衰減約7%，平行軌道方向加速度衰減約10%，豎向加速度衰減約3%。測試深度為2—5m時，三分量加速度峰值變化趨勢表現不同，平行軌道水平向和豎向加速度峰值呈現先增加后逐漸變小的趨勢（3m深相對2m深的平行軌道水平向峰值增加約5%、豎向峰值增加約6%，5m深相對3m深的平行軌道水平向峰值減少19%、豎向峰值減少約14%）；然而，垂直軌道水平向加速度峰值變化很小，5m深處的峰值相對于2m處僅減少10%。

2.3 昆山測試場地

昆山測試場地為Ⅳ類場地、高架橋式路基，高架橋高約10m，測試場地深1.5—5m處為淤泥與淤泥土。測點布設在軌道中心線正下方兩橋墩中間處。列車以300km/h的速度通過測點時，地基土不同深度處三分量振動加速度頻譜曲線見圖7。鑒于昆山測試場地地基土振動響應在一定深度處明顯放大，為了對比分析，在無錫測試場地與昆山測試場地相同位置處進行了補充測試，以便更好地分析下伏軟弱土層對地基土振動響應的影響。此工況的無錫測試場地三分量振動加速度頻譜曲線見圖8，圖9和圖10分別為昆山段和無錫段多組列車經過時測得的三分量振動加速度最大值的平均值隨深度變化的曲線。

對于昆山場地，垂直軌道水平向、平行軌道水平向和豎向振動加速度峰值在0—1m深度范圍內均隨著深度的增加而逐漸衰減，但衰減較慢；在1—5m深度范圍內，三分量振動加速度峰值較地表和1m深處有所放大，且表現為1—3m放大效應逐漸變大，3m深度處加速度峰值最大，隨后深度增加放大效應逐漸變小。地表至1m深范圍內，垂直軌道水平向和平行軌道水平向加速度峰值相對于豎向衰減較快，兩者均衰減約30%，而豎向衰減約5%；1—3m深度范圍內，三分量振動加速度峰值增加，但變化趨勢存在差異，平行軌道水平向加速度峰值增大約67%，垂直軌道水平向加速度峰值增大約95%，豎向加速度峰值增大約120%，由此可以看出，豎向振動加速度峰值增大效應明顯大于兩水平向，且垂直軌道水平向大于平行軌道水平向。而相同測試工況下，無錫場地所測得的振動加速度峰值隨測試深度的變化特征（圖10）則完全不同于昆山測試場地。相對于無錫測試場地，昆山測試場地下伏有淤泥和淤泥質土，表現出的放大效應可能是軟弱土層所致。從定性的角度分析，由高架橋樁傳遞至軟弱土層下伏土層的振動向上傳播，經軟弱土層會產生放大，并與地表傳至軟弱土層的振動疊加，從而導致振動幅值變大。

由圖7可以看出，地表振動頻帶為3—43Hz，優(yōu)勢頻帶為30—40Hz，隨測試深度的增加，40Hz以上高頻分量的振動增強，優(yōu)勢頻率先變高隨后變低，其譜值總體呈增加的趨勢。

圖7 昆山測試場地不同深度測點三分量振動加速度頻譜曲線Fig.7 The acceleration spectrum curve of three component vibration at different depths in Kunshan

圖8 無錫測試場地兩橋墩中間處不同深度測點三分量振動加速度頻譜曲線Fig.8 The acceleration spectrum curves of three component vibration at different depths between two piers in the Wuxi test site

圖9 昆山段三分量振動加速度峰值隨深度衰減曲線Fig.9 The peak curves of three component vibration acceleration at different depths in the Kunshan test site

圖10 無錫段三分量振動加速度峰值隨深度衰減曲線Fig.10 The peak curves of three component vibration acceleration at different depths in the Wuxi test site

對比無錫測試場地2次測試結果可知，無論是振動加速度幅值還是其頻譜隨測試深度的變化（圖5與圖8，圖6與圖10），總體趨勢基本近似，只是由于觀測位置的不同，導致了幅值上的差異。

3 結論

為研究高速列車運行引起的路基地基土振動水平隨深度的變化特征，本文選擇3種不同場地類型及路基形式的工程場地，進行了高速列車運行引起的振動加速度測試，在此基礎上，分析了地基土振動加速度幅值及頻譜隨深度的變化特征，結果表明：

（1）對于不同類型、不同路基形式的場地，在0—1m深度范圍內振動加速度幅值均表現為逐漸減小的趨勢，但衰減速率有一定的差異，Ⅲ類場地衰減最快，Ⅱ類場地次之，Ⅳ場地衰減最慢。

（2）1m深度以下，隨著深度的增加，3類場地加速度幅值變化特征顯著不同，Ⅱ類場地仍逐漸減小，衰減較0—1m深時慢；Ⅲ類場地總體呈現逐漸減小趨勢，但在3m深處略有放大；對于Ⅳ類場地，2m及以下深處的振動加速度峰值比地表和1m深處更高，深度由2m增加到5m，振動加速度峰值先逐漸增大，在3m深處達到最大，繼而相對3m深處的振動水平逐漸減小，但其加速度峰值仍較地表處高。

（3）振動加速度峰值隨深度衰減的規(guī)律基本相似，均表現出水平向振動衰減較豎向振動衰減快，而對于兩水平分量，垂直軌道水平向振動衰減略快于平行軌道水平向。

（4）對于昆山Ⅳ類場地，在深度大于1m后振動加速度峰值放大的趨勢表現為豎向放大高于垂直軌道水平向與平行軌道水平向，且垂直軌道水平向略高于平行軌道水平向。

（5）高速列車運行引起的振動頻帶，其隨深度變化的特征與場地相關，Ⅱ類場地處隨深度增加振動頻帶逐漸變窄，譜值較地表小，優(yōu)勢頻率差異不明顯；Ⅲ類場地處隨深度增加振動頻帶表現為先變寬繼而變窄，譜值較地表小，總體上不同深度處振動優(yōu)勢頻率基本接近；Ⅳ類場地處隨深度增加振動頻帶逐漸變寬，優(yōu)勢頻率先變高隨后變低，其譜值總體呈增加的趨勢。

（6）對于昆山測試場地，下伏淤泥和淤泥質土層可能是引起2m及以下深度處振動水平放大的主要原因。