賈辰鈺 鄭 鑫* 解恒燕 鄭春昱

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

飽和土場(chǎng)地的振動(dòng)特性與其他單相介質(zhì)場(chǎng)地完全不同。溫度升高時(shí)，夏季的飽和土場(chǎng)地可以看作為雙相介質(zhì)，所以固相與液相兩者之間的相互作用必須考慮在場(chǎng)地的振動(dòng)之內(nèi)[1]。隨著社會(huì)迅速發(fā)展，交通、建筑，機(jī)械等引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題應(yīng)運(yùn)而生，尤其是軌道交通荷載引起的振動(dòng)，這些振動(dòng)對(duì)農(nóng)田灌溉設(shè)施的影響一方面會(huì)造成農(nóng)田灌渠的裂縫，使得灌溉水下滲，浪費(fèi)水資源。另一方面會(huì)影響水庫(kù)等結(jié)構(gòu)安全，危及周邊人的生命安全以及農(nóng)田水資源的損失與浪費(fèi)。因此，探究濕地附近的飽和土場(chǎng)地的動(dòng)力特性、尋求高速軌道交通引起飽和土場(chǎng)地環(huán)境振動(dòng)的評(píng)價(jià)方法至關(guān)重要。

1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

2019 年8 月中旬在哈- 大- 齊就快速客運(yùn)專線龍鳳濕地段進(jìn)行了夏季的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。觀測(cè)所選的場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦并且臨近大慶市龍鳳濕地，視野開(kāi)闊，有利于觀測(cè)工作的進(jìn)行。由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)地理?xiàng)l件的優(yōu)勢(shì)，在高架橋橋墩上也一并布置了加速度振動(dòng)觀測(cè)儀。圖1 為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)陣布置圖。

觀測(cè)地點(diǎn)的GPS 坐標(biāo)為北緯46.516°，東經(jīng)125.168°。夏季時(shí)當(dāng)天的觀測(cè)溫度為28℃。經(jīng)過(guò)6 個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的臺(tái)陣列車型號(hào)為CRH 動(dòng)車組列車，除采集場(chǎng)地振動(dòng)信息外，還現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)了列車通過(guò)觀測(cè)場(chǎng)地的瞬時(shí)速度及平均速度。圖2 所示為一上行方向（齊齊哈爾方向- 哈爾濱方向）動(dòng)車組列車，其平均運(yùn)行速度為244km/h，車廂數(shù)為8。圖3 所示為一下行方向（哈爾濱- 齊齊哈爾方向）動(dòng)車組列車，其平均運(yùn)行速度為200km/h 車廂數(shù)為16。

圖2 上行方向動(dòng)車組

圖3 下行方向動(dòng)車組

黑龍江省大慶市龍鳳濕地的土壤長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，選取此地作為觀測(cè)地更具代表性。飽和土指的是土壤內(nèi)孔隙中完全充滿水的土，依據(jù)《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，將飽和度大于85%且的土稱之為飽和土。通過(guò)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采取的飽和土樣，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及綜合分析，確定土樣為飽和土。

2 高速軌道振動(dòng)在飽和土中的傳播

本文以圖2 所示的高速列車為例，按觀測(cè)地衰減臺(tái)陣布置測(cè)點(diǎn)，6 個(gè)測(cè)點(diǎn)在列車經(jīng)過(guò)時(shí)同時(shí)觸發(fā)，設(shè)定采樣頻率為256Hz，記錄了高速列車經(jīng)過(guò)濕地飽和土可以引起水平向x 和y、鉛垂向z 三個(gè)方向的振動(dòng)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，本文主要研究列車運(yùn)行引起的地面垂向振動(dòng)[2]。

2.1 高速軌道引起飽和土振動(dòng)加速度衰減規(guī)律分布

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，本次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)計(jì)選擇測(cè)量了20 組動(dòng)車，測(cè)量動(dòng)車從駛來(lái)至完全離去前后共10 秒的環(huán)境振動(dòng)變化情況，然后經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行分析處理，相對(duì)精準(zhǔn)的截取動(dòng)車經(jīng)過(guò)時(shí)間的時(shí)程曲線，減少因人為操作而造成的誤差[3]。圖4 為距離軌道中心處觀測(cè)各點(diǎn)z 方向加速度時(shí)程曲線圖。

圖4 各點(diǎn)Z 方向加速度時(shí)程圖

根據(jù)圖4 可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度能量幅值隨著距軌道中心線距離的增加而逐漸表現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢(shì)。因此初步判斷高速列車經(jīng)過(guò)時(shí)引起的飽和土振動(dòng)的影響范圍在距軌道中心線40m 處。

圖5 加速度振動(dòng)衰減曲線圖

現(xiàn)采取的控制標(biāo)準(zhǔn)為GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》[4]，依據(jù)其規(guī)定的測(cè)量要求，選取各個(gè)測(cè)量點(diǎn)在同一方向各時(shí)程的最大值，以最大值的算術(shù)平均值為評(píng)價(jià)量，統(tǒng)計(jì)振動(dòng)的衰減規(guī)律[5]。圖5 給出了高速列車距軌道中心線距離的不同對(duì)應(yīng)地面振動(dòng)峰值加速度的衰減曲線變化。由此可看出，在高速列車保持相同速度條件時(shí)，峰值加速度均隨著距軌道中心線距離的增加而逐漸減小，衰減均是先迅速之后緩慢，在距離軌道中心線20m 以內(nèi)振動(dòng)衰減相對(duì)較快，20m 以后振動(dòng)的衰減逐漸變緩，在50m～60m 區(qū)間的距離范圍內(nèi)，加速度不但沒(méi)有衰減，反而略有增大的反彈趨勢(shì)現(xiàn)象，文獻(xiàn)[6]給出了這一局部放大現(xiàn)象的形成機(jī)理。

2.2 飽和土振動(dòng)加速度頻譜分析

圖6 夏季觀測(cè)各點(diǎn)z 方向加速度功率譜

由圖6 可見(jiàn)，在夏季觀測(cè)飽和土的場(chǎng)地環(huán)境下，在距離軌道中心線30m 以內(nèi)的范圍，高速軌道振動(dòng)的頻率域主要能量聚集在0Hz-70Hz 區(qū)間內(nèi)，隨著距離軌道中心線的增加，環(huán)境振動(dòng)的能量反而有所減弱。y=30m 以后10Hz-60Hz 高頻段的能量迅速衰減，20-40Hz 的低頻段上仍然有較為顯著的能量聚集。在夏季飽和土融化狀態(tài)下，y=40m 以后的高速軌道交通荷載對(duì)飽和土場(chǎng)地基本沒(méi)有影響。

3 高速軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)方法

我國(guó)具有代表性同時(shí)目前國(guó)內(nèi)采用最多的控制標(biāo)準(zhǔn)為GB10070-88 《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[7]以及配套的GB10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》。此標(biāo)準(zhǔn)歸屬于環(huán)境質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)評(píng)價(jià)選取的指標(biāo)為z 振級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)中推薦的晝間時(shí)間為6：00-12：00，垂直于地面方向，記為VLz[8]。

振動(dòng)加速度級(jí)、加速度與基準(zhǔn)加速度之比以10 為底的對(duì)數(shù)乘20，記為VAL。單位為dB。根據(jù)定義，振動(dòng)加速度級(jí)6：00-12：00 表達(dá)式為：

其中，arms為振動(dòng)加速度的有效值，單位為m/s2。

a0代表振動(dòng)基準(zhǔn)加速度有效值，a0取值一般為1×10-6m/s2。

如表2 所示，依據(jù)振動(dòng)環(huán)境功能區(qū)劃，更提出了新的z 振級(jí)極限值，規(guī)定在各類區(qū)域建筑物室外0.5m 以內(nèi)的振動(dòng)敏感處放置的各測(cè)量點(diǎn)，并且標(biāo)明了對(duì)于城市軌道交通與鐵路振動(dòng)的方面，測(cè)試評(píng)價(jià)量采取每類車通過(guò)的時(shí)程的最大振級(jí)VLzmax[9]。表1給出了其容許限值。

表1 GB10070-88 規(guī)定的城市各類區(qū)域Z 振級(jí)容許值

表2 GB10070-88 規(guī)定的城市各類區(qū)域Z 振級(jí)容許值

圖7 各點(diǎn)的加速度振動(dòng)級(jí)

根據(jù)圖7 可知，隨著頻率的逐漸增加，z 振級(jí)總體呈上升的趨勢(shì)，在距軌道中心線20m 的范圍內(nèi)，加速度振動(dòng)級(jí)逐漸升高，距軌道中心線的距離大于20m 后z 振級(jí)的增加在逐漸變緩[10]。根據(jù)上圖可看出，高速列車在通過(guò)時(shí)引起z 方向在30-90Hz 頻段各1/3 倍頻帶的加速度振動(dòng)級(jí)升高，在25Hz 以下的各頻帶振動(dòng)級(jí)相對(duì)較小。在距軌道中心線30m 處VLz 為42.3dB，得出的結(jié)果同時(shí)滿足文獻(xiàn)[7] 中規(guī)定的鐵路干線兩側(cè)區(qū)域地面振動(dòng)Z振級(jí)限值80dB 的要求[11，12]。

4 結(jié)論

通過(guò)高速軌道交通引起飽和土場(chǎng)地環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各點(diǎn)的z 方向加速度時(shí)程幅值分析，給出了加速度幅值隨著與線路中心線距離的衰減關(guān)系，分析結(jié)果表明，隨著與軌道中心線距離的增加，高速軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的能量幅值呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)，但在特定某點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)加速度幅值局部放大的現(xiàn)象。分析了環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)加速度振級(jí)中的z 振級(jí)VLz，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)圖中顯示的結(jié)果，表明實(shí)測(cè)地面振動(dòng)z 振級(jí)值隨著距軌道中心線橫向距離的增加而減小，且在距軌道中心線30m 處，z振級(jí)值滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中鐵路干線兩側(cè)區(qū)域的限值要求。