馬骙骙,李 斌,王 東

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

路塹作為高速鐵路路基的主要結(jié)構(gòu)形式之一，在我國列車運行速度提高、軸重加大的背景下，其振動問題越來越不容忽視。在列車荷載的作用下，路塹邊坡及兩側(cè)土體發(fā)生振動并向周圍傳播，對路塹結(jié)構(gòu)本身和附近建筑物均有較大影響。人們對鐵路交通引起的地面振動問題主要以解析法[1-3]、現(xiàn)場試驗[4]、數(shù)值方法[5]為主，且目前對水平場地、路堤和高架軌道列車引起的地面振動研究較多[6]，路塹段的振動響應(yīng)研究較少。解析法以Lamb問題為基礎(chǔ)[7]，多適用于水平自由場的情況，對于路塹這種路基形式無能為力，因此研究路塹段地面在高速列車荷載下的振動問題主要有現(xiàn)場試驗[8]和數(shù)值分析[9]兩種手段，現(xiàn)場試驗通常是在鐵路附近布設(shè)拾振器，記錄列車通過時的振動值，可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，但受限于試驗工況，在列車、場地條件上不具有一般性。數(shù)值方法由于其可以處理不同的列車、場地工況，可以得到更具一般性的規(guī)律，但有必要結(jié)合現(xiàn)場工況對數(shù)值分析的結(jié)果進(jìn)行驗證。

因此，對寶蘭高鐵路塹段地面振動進(jìn)行現(xiàn)場測試，通過測試結(jié)果揭示高速行車條件下近場和遠(yuǎn)場處路塹土體振動加速度在時域、頻域內(nèi)的特征，再基于現(xiàn)場工況指導(dǎo)多體-有限元聯(lián)合數(shù)值建模，將數(shù)值結(jié)果和實驗結(jié)果對比驗證，利用建立的數(shù)值模型，結(jié)合波的傳播理論，對影響路塹段地面振動水平的幾個因素(場地速度特性、列車運行速度)進(jìn)行了分析。

1 現(xiàn)場試驗概況

1.1 現(xiàn)場場地條件

測試橫斷面位于寶蘭高鐵DK1002+170處，軌道形式為CRTSI型雙塊式無砟軌道，路塹邊坡坡率為1∶1，地基土層由粉狀黃土、素填土構(gòu)成，現(xiàn)場場地開闊，無明顯干擾源，便于布設(shè)儀器?？紤]到地面振動評價多以垂向響應(yīng)為指標(biāo)，在垂向設(shè)置加速度傳感器。

1.2 試驗方案

如圖1所示，試驗儀器采用東方所生產(chǎn)的INV306C型采集儀，配套加速度傳感器，采樣頻率1 024 Hz，考慮到地面振動多以豎向響應(yīng)為評價指標(biāo)，在豎向設(shè)置加速度傳感器。沿路塹邊坡自下而上布設(shè)6個測點，測點布設(shè)如圖2所示?，F(xiàn)場通過記錄列車通過測段的時間計算出列車運行速度。

圖1 地面振動測試系統(tǒng)

圖2 測點布設(shè)示意(單位：m)

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 地面振動加速度時程分析

現(xiàn)場共采集到20列動車通過時地面垂向振動加速度時程數(shù)據(jù)，限于篇幅，如圖3所示，選取有代表性的時速245 km的CRH380B動車經(jīng)過時振動加速度時域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 地面垂向加速度時程曲線

由圖3可以看出，地面振動加速度時程響應(yīng)曲線呈“紡錘”形，列車通過時，地面各測點振動持續(xù)時間均一致，約5 s。在距離線路中心線12.5 m處，如圖4所示，隨著列車通過測試斷面，地面振動加速度出現(xiàn)了一系列由單個轉(zhuǎn)向架引起的周期性峰值，隨著距離的增大加速度衰減很快，到了30 m處，已經(jīng)不能分辨明顯的周期性峰值。振動衰減速度也減慢。

圖4 12.5 m處地面垂向振動加速度時程曲線局部放大

2.2 地面振動頻域分析

對采集到的時程響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換[10-11]，得到各測點振動加速度頻譜如圖5所示。

圖5 各測點處地面垂向振動加速度頻譜

頻譜分析表明，地面垂向振動加速度在各測點處由60 Hz及100 Hz附近的頻率成分主導(dǎo)，在12.5 m處，振動加速度出現(xiàn)多個單峰值，主頻為110 Hz，且有150～250 Hz的較高頻成分出現(xiàn)，說明振動能量在頻域內(nèi)分布較分散。在距離線路中心線較近處12.5～20.0 m之間，110 Hz附近的頻率成分較60 Hz附近頻率成分占優(yōu)，隨著距離的增大，110 Hz附近的頻率成分顯著減小，到了40 m處，振動加速度在60 Hz左右的頻率成分占優(yōu)。這表明土體中振動波高頻成分衰減速度較低頻快，體現(xiàn)了土體對高頻成分的濾波作用。

2.3 地面振動衰減規(guī)律

地面振動評價一般以加速度峰值|a|max和加速度有效值arms為指標(biāo)來衡量[12-13]，對于離散采樣

|a|max=max(|ai|)

(1)

(2)

式中，n為采樣點的個數(shù)。由上式求得的加速度峰值和加速度有效值如圖6所示。

圖6 地面垂向振動加速度峰值、有效值曲線

圖6表明，路塹邊坡垂向振動加速度有效值與峰值隨距離衰減趨勢基本一致，在距離線路中心線12.5～20 m之間呈衰減趨勢，且衰減速度較快，到了20～40 m之間振動加速度有效值與峰值衰減速度減慢，并趨于收斂。

3 地面振動數(shù)值分析

3.1 建立模型

運用多體動力學(xué)軟件UM建立了車輛模型，車輛模型采用為8節(jié)編組的CRH380B型動車組模型，單節(jié)動車由1個車體、2個構(gòu)架、4個輪對及8個軸箱剛體組成，均采用剛體模擬，一、二系懸掛及連接采用彈簧阻尼單元，車輛-軌道垂向耦合關(guān)系采用FASTSIM輪軌接觸模型[14]，車輛參數(shù)如表1所示[15]，采用中國高速鐵路無砟軌道不平順譜作為輸入激勵，考慮其高低、方向、水平不平順[16]。

表1 動車組基本參數(shù)

運用有限元理論建立了軌道-路塹-地基模型，軌道模型采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道模型，軌道參數(shù)如表2所示[17]。由于列車動荷載下土體變形在彈性變形范圍內(nèi)，可以忽略土體的非線性，按彈性材料考慮，設(shè)置黏彈性邊界消除有限域的邊界效應(yīng)[18]，由測段地勘資料得到地基模型參數(shù)取值如表3所示?？紤]車輛-軌道-路塹-地基的耦合動力作用，將路塹-地基有限元模型導(dǎo)入UM進(jìn)行求解，就可以得到路塹在列車動荷載下的響應(yīng)。車輛-軌道-路塹-地基模型見圖7。

表2 軌道參數(shù)

表3 地基模型材料參數(shù)

圖7 車輛-軌道-路塹-地基模型

由彈性波動理論可知，軌道振動以振動波的形式傳播到地基內(nèi)部，在地層分界面處，入射角小于臨界角時，地面振動是由入射波在分界面處產(chǎn)生的反射波與直達(dá)波的疊加引起的，入射角大于臨界角時，還會產(chǎn)生折射波，地面振動受直達(dá)波、反射波、折射波共同作用[19]，因此，地面振動與場地速度特性直接相關(guān)，而地基速度界面阻抗比、覆蓋層厚度是場地速度特性的兩個主要方面，同時波阻抗為介質(zhì)密度和波速的乘積，彈性模量為介質(zhì)密度與波速平方的乘積，因此不同的模量比對應(yīng)不同的波阻抗比[20]?；诖?，本文依照不同介質(zhì)模量比，不同覆蓋層厚度建立了場地模型，采取數(shù)值試驗的方法，分析場地不同速度特性對路塹振動響應(yīng)的影響。

3.2 覆蓋層與下臥層模量比的影響

取覆蓋層模量為實測值(15.2 MPa)，下臥層模量與覆蓋層模量之比取11.38、113.8(實際模量比)、1138(分別為實際模量比的0.1、1，10倍)進(jìn)行計算，得到加速度有效值如圖8所示。

如圖8所示，實測加速度有效值與模量比為113.8(場地實際模量比)時的數(shù)值結(jié)果吻合得很好，表明了模型的合理性與數(shù)值計算的正確性。在各測點處，模量比越大，地面振動加速度越大，這說明地基覆蓋層相對于下臥層模量越小，地面振動越強烈。從波的傳播角度分析，均質(zhì)地基模型下，入射波于黏彈性邊界處被吸收，直達(dá)波在地表傳播時，沒有反射波和折射波與之疊加，故振動響應(yīng)最小，而地基非均質(zhì)時，入射波于介質(zhì)分界面處發(fā)生反射和折射，與直達(dá)波在地表疊加，且介質(zhì)分界面波阻抗比越大，反射波能量越大，故振動加速度也越大。

圖8 不同模量比下地面垂向振動加速度有效值

圖9 不同覆蓋層厚度地基模型(單位：m)

3.3 覆蓋層厚度的影響

對于地基覆蓋層厚度而言，可能出現(xiàn)3種情況。如圖9所示，第一種對應(yīng)覆蓋層厚度較小、深路塹的情況，分界面位于塹頂與底部之間；第二種對應(yīng)覆蓋層與下臥層分界面位于路塹底部以下，與本文現(xiàn)場試驗中地層條件一致，覆蓋層厚度不大，不能忽略下臥層的影響；第三種下臥層的影響對應(yīng)覆蓋層較厚，由于振動波沿深度衰減很快。下臥層的影響可以忽略，數(shù)值模型可按均值地基考慮。

依照以上3種地層條件，即覆蓋層厚度分別為6、12 m(實際厚度)、20 m時對應(yīng)的數(shù)值模型分別進(jìn)行計算，得到地面各處振動加速度如圖10所示。

圖10 不同覆蓋層厚度下地面垂向振動加速度有效值

如圖10所示，不同覆蓋層厚度下地面垂向振動加速度曲線形態(tài)相差不大，但各測點處垂向振動加速度大小有較大差異，垂向振動加速度有效值隨覆蓋層厚度的增大而減小。從波的傳播角度考慮，覆蓋層厚度越大，反射波與折射波傳播路徑越長，由于介質(zhì)的阻尼作用，波在較長的傳播路徑上能量損耗較大，與直達(dá)波疊加時，引起的地面振動越小。

3.4 列車運行速度的影響

地層參數(shù)為實測值時，取列車運行速度為145，195，245，295 km/h分別進(jìn)行計算，得到地面振動加速度有效值如圖11所示。

圖11 不同速度下地面垂向振動加速度有效值

如圖11所示，不同速度下地面垂向振動加速度有效值隨距離衰減的總體趨勢是一致的，同一位置地面垂向振動加速度隨列車運行速度的增大而增大，時速295 km/h的列車引起地面垂向振動加速度最大，衰減速度也最快，在距離線路中心線12.5～20 m垂向振動加速度差異較大，且隨時速增加的量也較大，到了距離線路中心線20～40 m不同速度下垂向振動加速度有效值之差逐漸減小且趨于收斂。

4 結(jié)論

通過對寶蘭高鐵DK1002+170處路塹斷面高速列車通過時的地面垂向振動響應(yīng)進(jìn)行的試驗研究與數(shù)值分析，并對地面振動在該處土體內(nèi)隨距離的衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

(1)地面振動加速度隨距離呈衰減趨勢，且在距離線路中心線較近處12.5～16.5 m衰減較快，到距離線路中心線16.5～40 m垂向振動加速度衰減減慢，因此對于路塹邊坡受列車動荷載擾動大的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行重點監(jiān)測和維護(hù)。

(2)數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)兩者吻合得很好，驗證了數(shù)值模型的合理性。

(3)場地速度特性對高速列車下地面振動響應(yīng)有較大影響，其中地基覆蓋層與下臥層模量比越大，地面振動越強烈，模量比一定，覆蓋層厚度越小，地面振動越大。因此，在分析交通荷載下的地面振動時，必須要考慮合理的場地地層結(jié)構(gòu)和參數(shù)，否則得不到準(zhǔn)確結(jié)果，且在路塹段地面振動隔振預(yù)防措施中，應(yīng)當(dāng)提高地基加固的深度，若地基覆蓋層模量較小(如軟土地基)，還應(yīng)提高加固模量。

(4)地面振動加速度隨列車時速增加呈增大趨勢，且列車速度越大，振動加速度衰減得也越快，在遠(yuǎn)場20～40 m不同時速振動加速度有效值之差逐漸減小并趨于收斂。