鄭海忠, 嚴(yán)武建,2, 王 平,2, 李福秀

(1. 中國地震局蘭州地震研究所 中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000;2. 甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,高速列車成為交通運(yùn)輸?shù)闹髁?對(duì)國家的發(fā)展起著非常重要的作用。特別是近年來鐵路和軌道交通的迅速發(fā)展,列車運(yùn)行速度、運(yùn)載重量和鐵路密度的大幅度提高,使得鐵路和軌道運(yùn)輸系統(tǒng)與人們生產(chǎn)和生活的聯(lián)系更加緊密且矛盾更加突出。一方面,在可持續(xù)發(fā)展、全球氣候變暖和節(jié)能減排的全球性問題下,同時(shí)由于鐵路和軌道交通具有速度快、時(shí)間準(zhǔn)確、安全、便捷、舒服等特點(diǎn),使其成為人們?nèi)粘３鲂泻痛笮拓浳镞\(yùn)輸?shù)氖紫裙ぞ?另一方面,由于鐵路和軌道交通系統(tǒng)建設(shè)的日新月異,由列車產(chǎn)生的振動(dòng)問題也日漸突出,它可能引起附近建筑物振動(dòng),甚至導(dǎo)致建筑物的開裂,會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲污染,對(duì)周圍居民的正常生活、工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響,可能影響周圍高校以及科研單位等精密儀器設(shè)備的使用,同時(shí)也可能對(duì)周圍的歷史名勝古跡產(chǎn)生破壞性的作用。列車振動(dòng)造成的環(huán)境問題主要有地基振動(dòng)、建筑結(jié)構(gòu)物振動(dòng)以及噪聲污染三個(gè)方面,因此在國際上已經(jīng)把振動(dòng)問題列為七大環(huán)境公害之一[1]。

列車振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響的過程為:列車產(chǎn)生的荷載作用在軌道上,由于列車的高速運(yùn)行,輪軌之間相互作用非常強(qiáng)烈,在列車軸重產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)荷載、車輪的磨損、軌道幾何面的不平順、軌道下基礎(chǔ)的缺陷等因素的共同作用下,構(gòu)成列車和軌道耦合系統(tǒng)激勵(lì),成為列車振動(dòng)的振源,并產(chǎn)生大量的噪聲。由列車和軌道耦合系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng),通過軌道下的路基(襯砌結(jié)構(gòu))、土體向外傳播,成為列車振動(dòng)的傳播路徑。振動(dòng)傳播到附近建筑結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ),由于土體和建筑結(jié)構(gòu)物的相互作用,引起建筑結(jié)構(gòu)物的振動(dòng),造成建筑結(jié)構(gòu)物的破壞、精密儀器的正常使用等危害[2-3]。

國內(nèi)外許多研究者從列車振動(dòng)產(chǎn)生的原因、傳播規(guī)律、預(yù)測(cè)方法以及控制方法等方面進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。關(guān)于列車振動(dòng)及其場(chǎng)地效應(yīng)的研究方法主要有:理論研究,通過對(duì)振源、傳播路徑建立相應(yīng)的理論模型,獲得其動(dòng)力響應(yīng)的解析解和半解析解;數(shù)值計(jì)算研究,對(duì)列車—軌道—路基(襯砌結(jié)構(gòu))—土體建立研究體系的動(dòng)力學(xué)模型,通過數(shù)值計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng);現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究,對(duì)列車引起地面、建筑結(jié)構(gòu)物等振動(dòng)的實(shí)際觀測(cè),來分析列車振動(dòng)及其傳播的特點(diǎn)。本文在上述三個(gè)主要研究方法已取得研究成果基礎(chǔ)上,對(duì)列車振動(dòng)及其引起的場(chǎng)地效應(yīng)相關(guān)理論、數(shù)值計(jì)算方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分類及評(píng)述。

1 列車振動(dòng)理論研究

通過國內(nèi)外研究者長(zhǎng)期對(duì)列車振動(dòng)的研究與實(shí)踐,在理論研究上主要形成了車輛動(dòng)力學(xué)理論和軌道動(dòng)力學(xué)理論。在車輛動(dòng)力學(xué)模型中,主要對(duì)列車激勵(lì)模型和列車模型進(jìn)行了大量的研究,形成了較為完善的理論模型。對(duì)軌道的幾何不平整、鋼軌的接頭、車輪之間的磨傷等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,建立了確定性激勵(lì)和非確定性激勵(lì),同時(shí)將運(yùn)行中的列車考慮為有多個(gè)自由度的模型;在軌道動(dòng)力學(xué)模型中,主要對(duì)鋼軌振動(dòng)、軌枕振動(dòng)、道床振動(dòng)及其它們之間的相互關(guān)系建立了完整的理論模型。由于列車速度的加快、列車承載重量的加劇使得車輛-軌道之間的相互作用非常強(qiáng)烈,因此翟婉明[4]將車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)看作是一個(gè)相互作用、相互耦合的大系統(tǒng),將車輛動(dòng)力學(xué)和軌道動(dòng)力學(xué)相互聯(lián)系在一起,將軌道最為兩個(gè)系統(tǒng)之間聯(lián)系的紐帶,建立了車輛-耦合動(dòng)力學(xué)模型,成為國際上較完整的列車振動(dòng)理論模型。

1.1 列車荷載-軌道結(jié)構(gòu)模型

Krylov V V等[5-7]考慮列車軸重的影響,建立了作用在彈性基礎(chǔ)上的移動(dòng)荷載模型,但沒有考慮到輪軌之間的相互作用,例如軌道的幾何不平順和車體自身振動(dòng)等的影響。因?yàn)檐壍赖牟黄巾樉哂须S機(jī)性,所以只能通過線路實(shí)測(cè)獲得相關(guān)的資料。早在1964年英國就開始軌道隨機(jī)不平順的測(cè)實(shí)測(cè),隨后德國、美國等國家都進(jìn)行了實(shí)測(cè),并提出了軌道不平順譜密度等相關(guān)函數(shù)。20世紀(jì)90年代末,我國也進(jìn)行了大量的實(shí)測(cè),提出了軌道隨機(jī)不平順功率譜函數(shù)[8-9]。Jones等[10]建立了在分層地基土體上作用移動(dòng)簡(jiǎn)諧荷載模型,研究了移動(dòng)荷載相對(duì)速度與土體波速的相互影響,這種移動(dòng)簡(jiǎn)諧荷載模型在一定程度上能夠反映輪軌的相互動(dòng)力作用以及車體振動(dòng)等的影響。Kruse等[11]建立了在黏彈性地基上的勻速移動(dòng)的雙質(zhì)量振子模型,分析了雙質(zhì)量振子的本征頻率與黏性系數(shù)之間的關(guān)系,建立的列車荷載模型未考慮輪軌作用等因素。由于對(duì)列車研究的深入,提出了更為復(fù)雜、更能反映出列車振動(dòng)振源模型,Sheng等[12]建立了列車-軌道-地基模型,把列車模型化為一個(gè)多自由度系統(tǒng),考慮輪對(duì)與軌道的相互作用,并將其視為Hertizian線性接觸彈簧,分析了列車引起的地基振動(dòng),結(jié)果表明輪軌之間的動(dòng)力作用對(duì)地基振動(dòng)的高頻成分有重要的影響。翟婉明[4]建立了完整的車輛-軌道耦合系統(tǒng),采用Hertz非線性接觸理論詳細(xì)描述了列車與軌道之間的相互動(dòng)力關(guān)系,將列車荷載分為脈沖型激擾、諧波型激擾、動(dòng)力型激擾和隨機(jī)型激擾。

國內(nèi)外研究者對(duì)鋼軌、軌枕、扣件和道床等都進(jìn)行了大量的研究,建立相應(yīng)的模型。對(duì)鋼軌的建立的模型主要有將鋼軌視為連續(xù)彈性體的Euler梁和Timoshenko梁,其兩者的主要區(qū)別是Timoshenko梁考慮了剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響,Timoshenko梁主要用于研究軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)[13-14],但由于Timoshenko梁在理論計(jì)算時(shí)較為復(fù)雜,目前大多數(shù)采用Euler梁。Costa等[15]對(duì)鋼軌的兩種模型進(jìn)行了比較,研究結(jié)果表明兩者在低頻范圍內(nèi)沒有差別,僅在高頻范圍內(nèi)數(shù)值上稍有不同。Sheng等[16]把扣件建立為彈簧-阻尼模型;對(duì)軌枕和道床建立有連續(xù)支撐和離散支撐兩種模型[17-18],Sheng和Knothe[19-20]對(duì)兩種模型進(jìn)行了比較,結(jié)果為列車低速運(yùn)行時(shí),兩者無差別,但在高速運(yùn)行時(shí),連續(xù)支撐模型計(jì)算出的輪軌動(dòng)力作用比實(shí)際情況大很多。對(duì)軌道下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建立的模型有單層、雙層和多層支撐,翟婉明等[21-22]對(duì)軌下基礎(chǔ)模型進(jìn)行對(duì)比研究,表明多層支撐模型模擬的結(jié)果優(yōu)于單層和雙層,同時(shí)多層支撐模型能夠模擬出基礎(chǔ)內(nèi)的缺陷等特殊情況。

1.2 列車荷載引起的地基振動(dòng)理論

20世紀(jì)50年代開始,許多研究者建立了移動(dòng)荷載作用在二維平面模型和三維半空間模型,但由于列車引起的基礎(chǔ)振動(dòng)加速度和位移通常比較小,將土體視為彈性或者是黏彈性介質(zhì),建立土體在移動(dòng)荷載下的振動(dòng)微分方程,通過Helmholtz分解和Fourier變換得到相應(yīng)的位移解析解,通過地基土振動(dòng)Green函數(shù)并結(jié)合車輛、軌道動(dòng)力學(xué)建立相應(yīng)的模型。

Cole和Huth[23]建立了移動(dòng)集中線荷載以恒定的速度作用在彈性半平面的模型,利用Helmholtz分解和Fourier變換求解位移和應(yīng)力解析解,表明任意分布荷載引起的應(yīng)力場(chǎng)可以通過移動(dòng)集中線荷載疊加建立,并討論了移動(dòng)荷載速度大于和小于彈性介質(zhì)縱波和橫波波速以及介于兩者之間的情況。劉維寧等[24]建立了軌道-襯砌結(jié)構(gòu)-地層模型和列車-軌道系統(tǒng)模型,用來確定列車振動(dòng)的荷載和振動(dòng)的傳播規(guī)律。Lefeuve-Mesgouez等[25]將土體視為彈性半空間結(jié)構(gòu)建立二維平面模型,從理論上研究了由于移動(dòng)的垂向簡(jiǎn)諧荷載引起的地面振動(dòng),并且分析了在低速荷載和高速荷載下引起地面振動(dòng)的特性和空間分布情況。Sheng等[26-27]研究了軌道臨界速度、分層地基中移動(dòng)荷載引起的土體動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)以及與土體Rayleigh波速的相互關(guān)系。曹艷梅等[28]利用地基土振動(dòng)的Green函數(shù)以及結(jié)合車輛、軌道動(dòng)力學(xué),并通過輪軌之間利用Hertz接觸、軌枕和地基土的動(dòng)力平衡關(guān)系建立了列車-軌道-地基土相互耦合模型,結(jié)果表明列車運(yùn)行引起的動(dòng)力響應(yīng)與移動(dòng)速度和地基土的性質(zhì)密切相關(guān)。謝偉平等[29]利用Green函數(shù)法、以軌道-地基作為研究對(duì)象并將軌道看成是半無限地基與成層地基上的Winkle梁,得到了在高速移動(dòng)荷載作用下軌道與地表的振動(dòng)特性。王常晶和陳云敏[30]將移動(dòng)荷載作用于彈性地基上的Timoshenko梁上,計(jì)算得到作用于地基表面的反力,再將此力作用于地表的移動(dòng)荷載,計(jì)算得到地基內(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)。

上述所建立的列車移動(dòng)荷載引起地面動(dòng)力響應(yīng)的模型,大都將土體視為彈性或者黏彈性介質(zhì),由于土體是由氣體-液體-土顆粒三相組成,所以上述模型沒有考慮到流體和氣體對(duì)振動(dòng)傳播的影響。因此,許多研究者利用Biot動(dòng)力方程來求解在移動(dòng)荷載作用在飽和土體的振動(dòng)特性。Theodorakopoulos[31]求解了在平面應(yīng)變下,半無限空間完全飽和土體Biot波動(dòng)方程,研究了孔隙率、滲透系數(shù)、剪切模量、流體的可壓縮性和移動(dòng)載荷的速度對(duì)土體骨架的垂直位移,流體壓力和有效應(yīng)力的影響。Lu和Jeng[32]基于Biot理論,通過傅里葉變換得到勢(shì)函數(shù)的頻域Holmholtz方程,推導(dǎo)出了一個(gè)半空間飽和土體受移動(dòng)點(diǎn)載荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)的解析解,結(jié)果表明:移動(dòng)荷載對(duì)多孔介質(zhì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有非常復(fù)雜的影響,一般而言,高速移動(dòng)荷載在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)比靜態(tài)或低速荷載情況下要大很多。Cai等[33]使用傅里葉變化并基于Biot理論推導(dǎo)出了半空間飽和土體在移動(dòng)矩形載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),結(jié)果表明荷載速度和土體的滲透性對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)和孔隙水壓力有明顯影響。Cao等[34]通過車輛-軌道-飽和土體耦合系統(tǒng)模型,研究了由準(zhǔn)靜態(tài)荷載和動(dòng)態(tài)荷載作用于半無限空間飽和土體上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。袁宗浩[35]基于Biot飽和土波動(dòng)方程,利用傅里葉變換和模態(tài)疊加法建立了二維平面應(yīng)變模型并求解了柱坐標(biāo)系的Biot波動(dòng)方程和殼體振動(dòng)方程,建立了三維襯砌結(jié)構(gòu)-飽和土體的全空間模型,通過彌散曲線研究了二維平面應(yīng)變模型中的關(guān)鍵速度。

通過以上研究成果可以看出,對(duì)列車振動(dòng)及其場(chǎng)地效應(yīng)的理論研究從作用在均勻彈性地基上Euler梁的移動(dòng)常荷載的一維模型到列車-軌道-路基(襯砌結(jié)構(gòu))-地面耦合三維模型、從將土體視為彈性或者黏彈性地基到將土體視為由兩相組成的飽和土體的研究過程中,主要集中在對(duì)列車荷載、軌道模型、地基模型以及三者之間的相互作用的建模,并對(duì)列車速度、列車軸重、地基的材料特性等對(duì)地面振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究,得到了較為完善的結(jié)論。目前大都理論研究將土體視為彈性或者黏彈性,將土體視為飽和土體的研究較少,視為非飽和土體的研究更是鮮有涉及;另外,將土體視為飽和土體地基,在列車移動(dòng)荷載作用下引起的土體內(nèi)部空隙壓力的變化以及土體的固結(jié)沉降的研究甚是少,有待進(jìn)一步研究。

2 列車振動(dòng)數(shù)值計(jì)算研究

隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,特別是計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力和內(nèi)存的不斷提高,使得利用數(shù)值計(jì)算方法求解大型計(jì)算成為可能。目前,最常用的數(shù)值計(jì)算方法有有限單元法、有限差分法和邊界元法等方法。有限單元法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)?fù)雜的材料屬性進(jìn)行模擬,同時(shí)能夠適用于各種復(fù)雜的幾何形狀,也可以用于求解線性、非線性、均質(zhì)和非均質(zhì)等復(fù)雜問題。但是有限單元法在計(jì)算振動(dòng)傳播問題時(shí),不能夠在無限區(qū)域進(jìn)行離散,只能在一定區(qū)域上進(jìn)行,因此必須設(shè)置合理的人工邊界,使得波動(dòng)能力傳遞出去,不能夠反射回來。有限差分法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接將微分問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題,建模簡(jiǎn)單直觀,不需要進(jìn)行單元分析和整體分析,但其缺點(diǎn)是不能夠模擬比較復(fù)雜的邊界條件和不規(guī)則的幾何形狀。邊界元法是對(duì)定義域內(nèi)的邊界進(jìn)行單元?jiǎng)澐?用滿足控制方程的函數(shù)去逼近邊界條件,因此邊界元法最大的優(yōu)點(diǎn)就是在于處理無限和半無限介質(zhì)問題,但其缺點(diǎn)是不能模擬復(fù)雜和不規(guī)則的幾何形狀。由于每種數(shù)值計(jì)算方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),所以為了利用每種數(shù)值計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)提出了耦合數(shù)值計(jì)算方法,例如:有限單元-邊界元耦合法。

2.1 二維和三維有限元數(shù)值計(jì)算模型

劉維寧等[24]建立了列車-軌道-襯砌結(jié)構(gòu)-地層系統(tǒng)的三維有限元模型,研究了地鐵列車引起地面振動(dòng)的傳播規(guī)律,結(jié)果表明在距離隧道軸線一定距離處存在一個(gè)振動(dòng)放大區(qū)。李亮等[36]利用激勵(lì)函數(shù)模擬列車荷載,并建立二維彈塑性有限元模型來分析動(dòng)力響應(yīng)。和振興等[37]將軌道-隧道-列車建立了三維有限元分析模型,列車由8節(jié)車輛組成,以速度為80 km/h運(yùn)行,分析了隧道地基彈性模量和埋深對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響。Wang等[38]在隧道內(nèi)采用有限單元法而在土體邊界采用邊界元方法建立了有限元-邊界元分析模型,提出了一種數(shù)值模型來預(yù)測(cè)隧道內(nèi)地鐵列車激勵(lì)引起的自由場(chǎng)振動(dòng)。翟婉明和韓海燕[39]等采用有限單元法并結(jié)合車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué),建立了列車-軌道-土體三維有限元分析模型,計(jì)算結(jié)果表明:移動(dòng)荷載的速度接近土體的Rayleigh波波速時(shí),土體會(huì)發(fā)生共振。姚錦寶等[40]建立了列車-軌道-路基-土體-建筑物二維有限元分析模型,分析了地基土-建筑物基礎(chǔ)的在不同相互作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。黃強(qiáng)等[41]根據(jù)上海2號(hào)線某地鐵隧道,運(yùn)用循環(huán)運(yùn)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系建立了二維有限元分析模型,分析了飽和軟土中列車引起的地表動(dòng)力響應(yīng)。

2.2 2.5維有限元數(shù)值計(jì)算模型

二維有限元單元法不能精確反應(yīng)幾何形狀和材料的特性。三維有限單元法的適用性很強(qiáng),可以考慮不規(guī)則的幾何形狀和材料的復(fù)雜性及不均勻性等,但是為了獲得高階振動(dòng)的精確解需要細(xì)化網(wǎng)格,在計(jì)算的過程中導(dǎo)致運(yùn)行內(nèi)存不足,運(yùn)行速度慢。因此,鑒于軌道結(jié)構(gòu)大多數(shù)是沿著軸向均勻?qū)ΨQ的特點(diǎn),發(fā)展了2.5維有限元數(shù)值計(jì)算模型,是一種有限元-邊界元相結(jié)合的模型,將路基和土體以及之間的相互作用用有限元進(jìn)行模擬,將地基的半無限空間用邊界元來模擬。

Huang等[42-43]建立了地鐵運(yùn)行引起土體振動(dòng)的2.5D有限元-無限元模型,并考慮了軌道不平順動(dòng)力特性,結(jié)果表明:由于軌道不平順的存在,使得土體的振動(dòng)加速度大大增加。邊學(xué)成等[44]利用2.5D有限元數(shù)值計(jì)算方法模擬了在單個(gè)輪軸荷載作用下土體的動(dòng)力響應(yīng),并分析了在不同的移動(dòng)荷載速度下,飽和軟土的動(dòng)力響應(yīng)。袁宗浩等[35,45]基于Biot和彈性理論,建立了地鐵-軌道-襯砌結(jié)構(gòu)-飽和土體的2.5D有限元分析模型,常荷載移動(dòng)速度及移動(dòng)簡(jiǎn)諧荷載頻率與地表動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)系。馬龍祥等[46]建立了薄片有限元-無限元數(shù)值分析模型來預(yù)測(cè)地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)。

3 列車振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究相比于理論和數(shù)值計(jì)算研究更具有真實(shí)性和可靠性,對(duì)列車振動(dòng)及其引起的場(chǎng)地效應(yīng)有著非常重要的影響?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果不僅能夠?yàn)槔碚摲治鎏峁┫鄳?yīng)的依據(jù)、驗(yàn)證理論模型和數(shù)值分析模型的正確性和適用性,而且能夠?qū)α熊囈鸬沫h(huán)境振動(dòng)進(jìn)行評(píng)估、對(duì)列車振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)提供依據(jù)。但是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果受到人為因素、測(cè)試方法、測(cè)試線路環(huán)境、測(cè)點(diǎn)選擇等因素的影響很大,對(duì)列車振動(dòng)的研究沒有形成統(tǒng)一性和普遍性方法。但目前對(duì)列車振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的研究相對(duì)較少,缺乏相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),仍然有許多理論和數(shù)值模擬成果需要驗(yàn)證、有許多問題需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究解決。

3.1 地鐵列車振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

許多學(xué)者對(duì)地鐵列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的地面及其周圍環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了大量的測(cè)試與分析,得出了振動(dòng)的傳播規(guī)律以及有效的減振措施。閆維明等[49]對(duì)某地鐵1號(hào)線附近列車運(yùn)行引起的地面振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)和分析,結(jié)果表明:列車運(yùn)行引起的地面振動(dòng)的振級(jí)主要由垂直于軌道的距離決定,不但存在一個(gè)振動(dòng)放大區(qū),而且地面振動(dòng)響應(yīng)集中在一個(gè)主要的頻率范圍內(nèi)。鄭曉和劉勝群[50]對(duì)上海1號(hào)線某區(qū)段地鐵引起的地表振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,經(jīng)過分析得到列車引起的振動(dòng)主要是由輪軸荷載引起的;振動(dòng)具有脈沖、尖峰特征;列車速度越快,高頻成分越大。栗潤德等[52]對(duì)北京東單-建國門某區(qū)間地鐵引起的振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和分析,結(jié)果表明地鐵引起的地面振動(dòng)特征主要受距離和背景振的影響,提出地面振動(dòng)有一個(gè)特征頻率為“交匯頻率”,當(dāng)小于特征頻率是列車引起的地面振動(dòng)主要由背景振動(dòng)控制,而大于特征頻率時(shí),由距離控制。李克飛等[54]對(duì)采用減振措施的北京地鐵5號(hào)線進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析,對(duì)普通扣件、Ⅳ型軌道減震器扣件、梯形軌道的減振性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。劉衛(wèi)豐等[59]分別對(duì)地鐵列車與道路車輛引起的地面振動(dòng)及其兩者的疊加進(jìn)行了實(shí)測(cè),并進(jìn)行了對(duì)比分析,得出在距離地鐵隧道中心線一定范圍內(nèi),地鐵列車引起的振動(dòng)效應(yīng)要低于公交車引起的。

3.2 鐵路沿線及其特殊路段的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

對(duì)鐵路沿線包括橋梁、隧道、路橋過渡段等特殊線路,列車運(yùn)行引起的振動(dòng)進(jìn)行了很多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析。楊光輝等[47]通過一系列橋下振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù),利用復(fù)合回歸方法,得到了列車運(yùn)行引起的地面加速度隨距離衰減的經(jīng)驗(yàn)公式。夏禾等[48]對(duì)鐵路橋梁以及鐵路附近地面和建筑物的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了兩次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究,結(jié)果表明:地面和建筑物的振動(dòng)隨著列車速度的增加而增加,距離線路越遠(yuǎn)地面和建筑物的振動(dòng)越小,但在距線路一定范圍內(nèi)有一個(gè)振動(dòng)放大區(qū)。高廣運(yùn)等[51]對(duì)秦-沈鐵路沿線列車引起的地面振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試,分析了在不同列車編組和速度下,對(duì)地面振動(dòng)的影響。陳建國等[53,57]對(duì)京-廣鐵路某區(qū)段附近列車引起的地面振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析,研究了地面振動(dòng)的特點(diǎn)及其衰減規(guī)律。陳果元等[55-56]對(duì)鐵路沿線橋路和路涵過渡段進(jìn)行了地面振動(dòng)和沉降實(shí)測(cè)和分析,得出級(jí)配碎石過渡段能夠有效地減輕地面的沉降。張良濤[58]進(jìn)行了高架鐵路列車運(yùn)行引起的地面振動(dòng)的測(cè)試與分析,并評(píng)價(jià)了隔振屏障的效果。肖明清等[60]對(duì)列車在隧道中運(yùn)行引起的地面振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)環(huán)向和徑向的振動(dòng)要大于垂向振動(dòng)并在距離隧道中心線一定范圍內(nèi)存在一個(gè)振動(dòng)放大區(qū)。張光明[61]、陳功奇[62]對(duì)高速鐵路路基段的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算分析。徐善輝等[63]在京津城際高鐵廊坊段進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè),結(jié)果表明:沿線路在不同位置處,不同列車經(jīng)過是引起的地面振動(dòng)的差別很大,而在同一位置,不同列車經(jīng)過時(shí),引起的地面振動(dòng)具有非常好的相似性。孟祥連等[64]對(duì)在黃土地區(qū)的西寶高鐵進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,分析表明:水平和垂向的振動(dòng)強(qiáng)度隨著列車的速度和軸重增加而增加,振動(dòng)持時(shí)隨著列車長(zhǎng)度而增加,黃土的特性會(huì)使得振動(dòng)在某些部位出現(xiàn)反彈。

綜合上述學(xué)者對(duì)列車振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析的研究成果,可以得出:列車運(yùn)行引起的地面振動(dòng)的強(qiáng)度主要由距離軌道中心軸線的距離決定,隨著距離的增加,振動(dòng)強(qiáng)度衰減,在距軌道中心軸線的一定范圍內(nèi)會(huì)存在一個(gè)振動(dòng)放大區(qū);列車運(yùn)行產(chǎn)出的地面振動(dòng)主要是由列車軸重引起的;列車運(yùn)行速度越快,產(chǎn)生的地面振動(dòng)強(qiáng)度越高;列車編組越多,產(chǎn)生的地面振動(dòng)越強(qiáng),振動(dòng)持時(shí)也越長(zhǎng)。目前,對(duì)列車振動(dòng)產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)的實(shí)測(cè)主要集中于列車運(yùn)行速度、列車編組等因素對(duì)振動(dòng)的影響,形成了比較一致的結(jié)論,但是不同場(chǎng)地對(duì)列車振動(dòng)的影響研究較少。

4 列車振動(dòng)不同場(chǎng)地效應(yīng)研究

我國分布著大面積的特殊土體,如黃土、凍土等,在這些不同場(chǎng)地對(duì)振動(dòng)有著不同的效應(yīng)。目前許多研究者對(duì)不同場(chǎng)地的振動(dòng)特性進(jìn)行了大量的研究,這對(duì)于我國在不同地區(qū)振動(dòng)防護(hù)和列車的安全運(yùn)行有著重要的意義。

孟祥連等[64]對(duì)在黃土地區(qū)的西寶高鐵進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,分析表明:水平和垂向的振動(dòng)強(qiáng)度隨著列車的速度和軸重增加而增加,振動(dòng)持時(shí)隨著列車長(zhǎng)度而增加,黃土的特性會(huì)使得振動(dòng)在某些部位出現(xiàn)反彈。馬林等[65]對(duì)車輛荷載作用下路基重塑黃土的干密度、圍壓等對(duì)振動(dòng)特性的影響進(jìn)行了研究。吳志堅(jiān)等[66-67]對(duì)列車荷載作用下多年凍土區(qū)的振動(dòng)特性和土體蠕變特性進(jìn)行了研究分析,研究表明:列車振動(dòng)從路基中傳播會(huì)發(fā)生大幅度的衰減,同時(shí)在重復(fù)列車荷載作用下土體發(fā)生蠕變,且在列車運(yùn)行的第一年沉降最大,隨著時(shí)間的增加,蠕變基本保持不變。董連成等[68]對(duì)多年凍土區(qū)列車荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析,對(duì)比了客車和貨車運(yùn)行引起的路基振動(dòng)特性。王子玉等[69]對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)分布在不同季節(jié)進(jìn)行了鐵路路基振動(dòng)加速度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和振動(dòng)分析,研究表明:在冬季土體凍結(jié),使得剛度和強(qiáng)度增大,而阻尼比減小,振動(dòng)衰減緩慢;在春融季,由于土體含有大量的水分,甚至處于飽和狀態(tài),使得土體強(qiáng)度減弱,峰值加速度在縱向和豎向減弱,水平方向稍有增強(qiáng)。邊學(xué)成等[70-71]對(duì)飽和軟土地區(qū)列車荷載作用下土體的沉降特性進(jìn)行了研究,并根據(jù)土體循環(huán)動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)提出了列車荷載作用土體蠕變模型。申權(quán)等[72]針對(duì)列車荷載作用下膨脹土路基的動(dòng)力響應(yīng)特征,提出了一種新的防排水結(jié)構(gòu),研究表明:新型防排水結(jié)構(gòu)能夠加速動(dòng)力衰減,有效控制基礎(chǔ)的動(dòng)位移。

目前,在列車荷載作用下,特殊土體場(chǎng)地振動(dòng)效應(yīng)的研究較少。大部分特殊土體的研究主要集中在軟土地區(qū),對(duì)其他特殊土體場(chǎng)地研究較少,特別是對(duì)濕陷性黃土地區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)沉降特性的研究甚是罕見,有待于進(jìn)一步的實(shí)測(cè)與分析。

5 總結(jié)與討論

本文從列車振動(dòng)的理論研究、數(shù)值計(jì)算研究、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析進(jìn)行詳細(xì)的討論與總結(jié),主要得出以下結(jié)論和展望:

(1) 列車振動(dòng)及其引起場(chǎng)地效應(yīng)理論研究從作用在均勻彈性地基上Euler梁的移動(dòng)常荷載的一維模型到列車-軌道-路基(襯砌結(jié)構(gòu))-地面耦合三維模型、從將土體視為彈性或者黏彈性地基到將土體視為由兩相組成的飽和土體的研究過程中形成了一系列完整的理論體系,但是將土體視為飽和土地基的研究中對(duì)土體中空隙變化以及固結(jié)沉降研究較少,特別是將土體考慮為三相非飽和地基的理論研究更少。

(2) 列車振動(dòng)及其引起場(chǎng)地效應(yīng)數(shù)值計(jì)算研究從二維有限元模型到三維有限元,再到有限元和邊界元相結(jié)合的2.5D模型,對(duì)列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)能夠很好地模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果能夠和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)很好的吻合。

(3) 列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)振動(dòng)的傳播特點(diǎn)、場(chǎng)地效應(yīng)以及振動(dòng)的預(yù)測(cè)方面都得出了較為一致的結(jié)論,但對(duì)列車在不同場(chǎng)地上運(yùn)行引起的振動(dòng)的差異實(shí)測(cè)較少,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同場(chǎng)地振動(dòng)測(cè)試,對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的防護(hù)有著重要意義

(4) 對(duì)列車運(yùn)行的地面沉降的實(shí)測(cè)和研究較少,特別是對(duì)濕陷性黃土地區(qū)以及季節(jié)性凍土地區(qū)的研究更是鮮有,應(yīng)進(jìn)一步加大對(duì)列車振動(dòng)引起地基土體沉降的研究,這對(duì)于列車的正常和安全運(yùn)行非常重要。