李建偉 汪瀟瀟 黃德富 張程偉 王雙現(xiàn)

(1.中國(guó)建筑第六工程局有限公司，天津 300450； 2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.三門(mén)峽市國(guó)道三一零南移項(xiàng)目建設(shè)管理有限公司，河南 三門(mén)峽 472000)

0 引言

車輛行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)荷載，在路基中產(chǎn)生彈性波，彈性波向四周傳播，從而對(duì)周邊建(構(gòu))筑物、土體中產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。振動(dòng)的長(zhǎng)期作用不僅會(huì)引起地基土沉降、道路路面結(jié)構(gòu)變形損傷等一系列影響結(jié)構(gòu)服役性能及行車舒適度、安全性的問(wèn)題，車輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)污染還會(huì)給居民生活帶來(lái)負(fù)面影響，人們長(zhǎng)期生活在振動(dòng)環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生疲勞、精神衰弱等問(wèn)題，進(jìn)而影響身體健康。已有研究表明，車輛行駛速度、振源距離等因素影響了振動(dòng)的產(chǎn)生和傳播，進(jìn)而對(duì)周邊土體動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生影響，研究這些因素的影響規(guī)律關(guān)系到道路工程方案設(shè)計(jì)，能為減速帶的設(shè)置以及行車舒適性提供一定參考，同時(shí)能為道路工程設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供一定參考。

近年來(lái)，隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，黃河流域得到了快速發(fā)展。在黃河中上游地區(qū)分布著大量黃土，黃土作為一種特殊土，在車輛行駛等振動(dòng)荷載作用下極其容易產(chǎn)生沉陷導(dǎo)致路面開(kāi)裂甚至形成裂縫。車輛荷載作為一種作用時(shí)間較短、荷載較小的動(dòng)力荷載，與傳統(tǒng)振動(dòng)相比具有不同的傳播特性，由此產(chǎn)生的振動(dòng)影響范圍很廣, 甚至可能造成結(jié)構(gòu)破壞，地面振動(dòng)水平取決于車輛速度、振源距離等多種因素。

我國(guó)黃土地區(qū)新建了大量高墩快速路，在車輛行駛荷載作用下，產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題日益突出。由于部分城市道路的路面維護(hù)不及時(shí)，路面坑洼較多，以及為減少交通事故發(fā)生不得不設(shè)置減速帶，車輛經(jīng)過(guò)路面坑洼或減速帶時(shí)，車輛振動(dòng)較大，從而對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較為嚴(yán)重的振動(dòng)污染問(wèn)題。

目前對(duì)于車輛行駛引起環(huán)境振動(dòng)的研究主要集中在地面動(dòng)力響應(yīng)特征以及不同因素對(duì)地面動(dòng)力響應(yīng)的影響。茅玉泉[1]選擇京廣線和隴海線各兩處良好地段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得了不同類型車輛在不同路基、不同路面、不同車速、不同載重及剎車等情況下的地面振動(dòng)衰減曲線，并分析了地面振動(dòng)特性。姚海林等[2]將汽車在不平整路面行駛產(chǎn)生的動(dòng)荷載看作作用在Kelvin地基上無(wú)限大路面板表面的移動(dòng)矩形荷載，分析了荷載速度、路面不平整情況以及地基阻尼和地基剛度對(duì)路面板的動(dòng)力響應(yīng)的影響。袁新敏等[3]對(duì)武漢市某繁忙交通干道進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，得到了測(cè)試路段在汽車通過(guò)時(shí)的環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了頻譜分析。李皓玉等[4]采用二自由度1/4汽車懸架模型模擬汽車系統(tǒng)，計(jì)算分析了行車速度、懸架剛度、懸架阻尼、輪胎剛度和輪胎阻尼五個(gè)參數(shù)對(duì)瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)的影響。張文星等[5]以福州大學(xué)旗山校區(qū)為試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采集了車輛以隨機(jī)速度通過(guò)橡膠減速帶產(chǎn)生的振動(dòng)加速度信號(hào)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行精度分析得到車輛通過(guò)減速帶產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的特性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于車輛行駛引起環(huán)境振動(dòng)的研究?jī)?nèi)容頗豐，但黃土高墩路基下車輛行駛引起的環(huán)境振動(dòng)較少，尤其是車速和振源距離對(duì)環(huán)境振動(dòng)影響的分析。本文以黃土區(qū)高墩路基下車輛在道路上行駛產(chǎn)生的周邊環(huán)境振動(dòng)為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，研究分析了車輛行駛速度、距激振源距離等因素對(duì)地面振動(dòng)的影響規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

國(guó)道310洛三界至三門(mén)峽西段南移新建工程一項(xiàng)目分部所轄段落位于河南省三門(mén)峽市境內(nèi)，線路自東向西，全長(zhǎng)27 km，起止樁號(hào)K7+800～K34+800，全線路基挖方287萬(wàn)m3、填方262萬(wàn)m3、包含大橋5座、中橋3座、天橋7座、立體交叉4座、涵洞29道、通道21道、互通2座。

本項(xiàng)目40 m以上高墩柱共有11個(gè)，全部為薄壁空心墩，分別為方溝大橋6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、L11號(hào)墩，最高墩為方溝大橋L6號(hào)墩，墩高52.5 m，橋墩全部使用翻模法施工。

方溝大橋位于方溝村東南約500 m，中心樁號(hào)ZK7+895/YK7+915，本橋跨越深溝，全橋共4聯(lián)(4×40)m，橋面寬度為2×11.13 m，橋梁全長(zhǎng)648 m；上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土(后張)T梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用肋板臺(tái)， 6號(hào)～11號(hào)橋墩采用薄壁空心墩，其余橋墩采用柱式墩，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。方溝大橋所處地形復(fù)雜，為深溝峽谷中，地面起伏較大，深溝中墩柱較高，最高達(dá)到52.5 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

國(guó)道310洛三界至三門(mén)峽西段南移新建工程經(jīng)過(guò)黃土高原地帶，溝壑縱橫，該區(qū)域多為濕陷性黃土，黃土成因復(fù)雜，主要以風(fēng)積和沖洪積砂質(zhì)黃土為主，具有黏聚力弱、濕陷性強(qiáng)烈及含水率低等特點(diǎn)，黃土厚度多在10 m～25 m，局部濕陷厚度可達(dá)50 m。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，黃土的濕陷系數(shù)大于0.070，濕陷性很強(qiáng)烈。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

2.1 測(cè)試場(chǎng)地

本文選擇的測(cè)試場(chǎng)地位于方溝大橋深溝中墩柱周圍附近，測(cè)試道路路面為瀝青路面結(jié)構(gòu)。在測(cè)試開(kāi)始之前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，包括路面情況、交通特點(diǎn)等。實(shí)測(cè)時(shí)汽車最大行駛速度為80 km/h，具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 測(cè)試方案

2.2 測(cè)試方法

本文振動(dòng)測(cè)量采用意大利MOHO公司生產(chǎn)的地脈動(dòng)儀TROMINO，TROMINO是一種小型的一體化振動(dòng)采集儀器，配備有9個(gè)通道：3個(gè)通道連接到3個(gè)正交電動(dòng)速度計(jì)，3個(gè)通道連接到3個(gè)正交數(shù)字加速度計(jì)可以測(cè)量頻率在[0.1,1024] Hz范圍的10-6mm/s級(jí)的速度和10-6g級(jí)的加速度。信號(hào)采集時(shí)，振動(dòng)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)保存在存儲(chǔ)器中，可以使用專業(yè)軟件Grilla將其導(dǎo)出。

本文主要對(duì)采樣得到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，為了明確汽車行駛產(chǎn)生的振動(dòng)，選擇較為安靜的路段進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)采集相同條件下無(wú)試驗(yàn)汽車經(jīng)過(guò)的路面振動(dòng)信號(hào)作為背景振動(dòng)，將此背景振動(dòng)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)汽車經(jīng)過(guò)時(shí)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

不同的國(guó)家、不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于振動(dòng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)有所不同，其中主要包括振動(dòng)速度(加速度)峰值、振動(dòng)速度(加速度)最大值、振動(dòng)速度(加速度)有效值等。對(duì)于車輛行駛產(chǎn)生的短暫性振動(dòng)，主要使用反映振動(dòng)的最大幅值的指標(biāo)。除此之外，振動(dòng)加速度級(jí)VAL和速度振級(jí)LV等可以用來(lái)評(píng)價(jià)振動(dòng)強(qiáng)度。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

汽車以20 km/h,50 km/h和80 km/h速度行駛通過(guò)時(shí)測(cè)點(diǎn)B處(離汽車行駛軌跡水平距離為3.2 m)的地面振動(dòng)速度時(shí)頻曲線如圖1,圖2所示。

由以上振動(dòng)速度時(shí)程曲線可以看出，汽車在道路上行駛時(shí)地面產(chǎn)生的振動(dòng)速度與地面背景振動(dòng)速度有較大差異，這表明汽車行駛對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生振動(dòng)影響。為了進(jìn)一步分析汽車通過(guò)減速帶引起地面振動(dòng)的時(shí)域特性，利用MTLAB編制程序計(jì)算得到不同測(cè)點(diǎn)處汽車以不同車速通過(guò)時(shí)引起的地面振動(dòng)速度最大值，具體如圖3,圖4所示。

由圖3可以看出，在點(diǎn)A和B處測(cè)量得到汽車通過(guò)時(shí)地面產(chǎn)生的豎向振動(dòng)速度幅值最大，在點(diǎn)C處測(cè)量得到汽車通過(guò)減速帶時(shí)地面產(chǎn)生的豎向振動(dòng)速度幅值遠(yuǎn)大于Y方向振動(dòng)速度幅值，且僅略小于X方向振動(dòng)速度幅值，表明汽車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主；在測(cè)點(diǎn)A,B和C處汽車以20 km/h,50 km/h和 80 km/h速度行駛通過(guò)減速帶時(shí)地面產(chǎn)生的水平振動(dòng)速度和豎向振動(dòng)速度都依次增大，表明了在一定范圍內(nèi)，汽車行駛通過(guò)減速帶的速度越大，地面產(chǎn)生的振動(dòng)速度越大。

由圖4可知，汽車以相同速度行駛通過(guò)時(shí)，與汽車距離不同的測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生的水平和豎向振動(dòng)速度幅值大小不同，水平向振動(dòng)速度幅值隨距離的變化規(guī)律不明顯，而豎向振動(dòng)速度幅值隨著距汽車距離的增大呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)。

從以上所有振動(dòng)速度頻程譜曲線可以看出，無(wú)汽車經(jīng)過(guò)時(shí)地面背景振動(dòng)速度頻率和汽車通過(guò)時(shí)引起的地面振動(dòng)速度頻率都集中在100 Hz以下。

對(duì)比圖3，圖4可知，汽車以20 km/h行駛通過(guò)時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度的優(yōu)勢(shì)頻率如表2所示，各優(yōu)勢(shì)頻率段對(duì)應(yīng)的速度幅值如表3所示。

表2 20 km/h行駛時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度的優(yōu)勢(shì)頻率

表3 各優(yōu)勢(shì)頻率段對(duì)應(yīng)的速度幅值

將表2，表3數(shù)據(jù)與背景振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比可以看出，汽車通過(guò)時(shí)引起地面水平向振動(dòng)和豎向振動(dòng)的頻率為0 Hz～20 Hz和0 Hz～40 Hz。表2，表3數(shù)據(jù)表明，水平向振動(dòng)在向遠(yuǎn)處傳播時(shí)高頻部分和低頻部分都呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)，但高頻部分衰減快，低頻部分幾乎衰減不明顯，豎向振動(dòng)向遠(yuǎn)處傳播時(shí)呈現(xiàn)出衰減趨勢(shì)，但衰減速度很小。

無(wú)汽車經(jīng)過(guò)時(shí)地面環(huán)境背景振動(dòng)速度時(shí)程曲線的1/3頻程譜分析如圖5所示，汽車以50 km/h速度行駛通過(guò)時(shí)測(cè)點(diǎn)A,B和C處(離汽車行駛軌跡水平距離為1 m,3.2 m和7.2 m)的地面振動(dòng)速度1/3倍頻程譜曲線如圖6所示。

由圖5,圖6可知，汽車在道路上行駛引起的地面振動(dòng)中，豎向振動(dòng)幅值大于水平向振動(dòng)幅值，頻率為10 Hz的振動(dòng)部分對(duì)地面的振動(dòng)影響均較大，此頻率既不是人體最敏感的振動(dòng)頻率也幾乎不會(huì)與人體器官發(fā)生共振，各測(cè)點(diǎn)量值均小于GB 50868—2013建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)給出的建筑物內(nèi)人體舒適性的容許振動(dòng)速度值，這表明汽車在城市道路上正常行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)滿足人體舒適性要求。此外，隨著距激振源距離的減小，豎向振動(dòng)幅值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文以黃土區(qū)高墩路基為對(duì)象，通過(guò)對(duì)車輛行駛引起的地面振動(dòng)情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，研究分析了車輛行駛速度、距激振源距離等因素對(duì)地面振動(dòng)的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)汽車在城市道路上行駛經(jīng)過(guò)時(shí)地面產(chǎn)生的振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主，水平向振動(dòng)和豎向振動(dòng)量級(jí)大小相同，且行車速度越大，振源距離越小，地面產(chǎn)生的振動(dòng)越大。

2)汽車行駛時(shí)地面產(chǎn)生的水平向振動(dòng)向遠(yuǎn)處傳播時(shí)高頻部分衰減快，低頻部分衰減慢；而豎向振動(dòng)衰減不明顯。

3)汽車在城市道路上正常行駛時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的主頻率在10 Hz附近。

4)汽車在城市道路上正常行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)滿足人體舒適性要求。