高速列车在高架桥软土地基段引起的地面振动监测分析

曾 平，林鹏威，林署炯，张澄博

(中山大学地球科学与地质工程学院，广州 510275)

高速列车在高架桥软土地基段引起的地面振动监测分析

曾 平，林鹏威，林署炯，张澄博

(中山大学地球科学与地质工程学院，广州 510275)

为了解高速列车在通过软土地区高架桥段所引起的软土地基振动特性及振动波在软土中的传播衰减规律，对广深高速列车通过软土高架桥段时引起的地面三方向振动进行了监测。结果显示:地面振动的主要频率集中在5～60 Hz，各监测点速度三分量的最大值并不总是同时出现。同时，场地条件的变化对地面三方向振动，特别是两水平方向振动产生较大的影响。据此提出在美国联邦交通署的振级公式中用振动速度三分量“矢量和”代替单分量。代替后的结果显示:和速度所引起的振动持时呈“漏斗状”减小，评价结果更为合理。

软土地基;环境振动实测;高架桥;三分量;矢量合成

0 引言

随着中国高速铁路的蓬勃发展，全国范围内的高速铁路网正在逐步形成之中，给人们的生活和工作带来了极大的便利。然而，在高铁高速发展的同时，高铁振动对铁路沿线人们的影响成为了一个不可忽视的问题。振动所带来的各种问题［1－2］，在国际上已经被列为七大环境问题之一。

目前对于交通系统振动对周围环境影响研究已有较多论述:Okumura等［3］通过对日本8条线路的79个测点进行现场监测，分析了振源距离、轨道结构、列车速度以及列车编组对周围环境的振动影响;陈逸骏等［4］针对台湾地区高速列车引起的振动问题，通过实测近、远场的地面振动参数特性建立了对地面振动的有效评估方法;高广运等［5］基于秦—沈铁路运行列车产生地面振动的实测数据，建立了运行列车－轨道－地面振动模型，重点对竖向振动加速度峰值衰减特性进行了讨论分析;夏禾等［2，6］得到了振动传递在一定距离存在振动放大区的结论，且高架桥线路的振动影响小于路基线路的振动影响;肖桂元等［7］分别采用了现场试验与有限元分析的方法对轨道结构参数变化引起的地面环境振动特性进行了分析;翟婉明等［8］在铁路路线上对道床振动进行实测的基础上，建立分析道床振动的五参数模型，进行了吻合性良好的模拟分析。上述研究从现场试验到理论上的数值分析均获得了大量有价值的结论，对减少交通环境中的振动问题具有积极作用。由于列车－轨道－桥梁－墩基－土体耦合相互作用的复杂性，精准的解析解仍然难以获得;另外，数值模拟的方法由于受计算手段和参数选择等诸多限制，采用了各种程度的近似假设，与实际情况有一定差距，故现场监测对环境振动的研究分析仍然十分重要。但前人测试分析过程多局限于竖向或分别单独考虑三方向振动，实际上地面某点在列车通过时的某一特定时刻所受到的振动不仅仅只是其中一个或几个特定方向的振动，因而前人这方面的评价工作存在一定的局限性，难以对环境振动的影响程度作出合理、全面、高精度的评价。

在软土地区，高架桥轨道交通运行引起的振动对软土地基的影响一直广受关注。珠江三角洲软土十分发育，高速铁路多采用高架桥形式。已有环境振动理论和针对珠三角软土地区高架桥振动问题的试验论述较少，而且珠江三角洲地区地层中广泛分布着厚度为几至几十米的海积软土层，易导致建筑物沉降及失稳等工程事故，新建高铁或轻轨多采用高架桥形式，采用的无砟轨道刚度较大，会增大车辆、轨道振动。本文基于前人的研究成果，以广深高速铁路广州段屏山涌特大桥墩基为研究对象，在珠三角海相软土沉积区进行高速铁路列车运行引起地面振动的现场监测，以土动力学原理为基础深入研究软土的振动衰减特性，以期对整个珠三角软土地区高铁道路对周围环境的影响有更深入的了解，为交通环境振动减振、隔振问题提供评价依据。

1 试验简介

振动监测仪采用成都中科测控有限公司生产的TC－4850测振仪，该仪器采样率:1～50 kHz，多档可调，本次采样选用8 kHz，能够达到精度要求;触发电平:0～10 V(0～35 cm/s);通道数:并行三通道(互相垂直的X、Y、Z 3个方向)。试验前，测试设备均进行了相应的系统标定。监测过程中，将传感器长度的一半埋入，并辅以石膏、少量水夯实传感器周围土体，待其完全固定后进行后续监测。

监测场地位于广深高铁广州段屏山涌特大桥桥底，大桥为箱型简支梁桥，桥墩跨度30 m、高10 m。该测区附近地面为大面积的淤泥湿地，无其他振源干扰，可以对测点进行较大密度的布设。图1所示为试验场地屏山涌特大桥南北侧，场地邻近狮子洋隧道西岸［9］，土层材料参数见表1。其包含的黏土、淤泥和粉砂质淤泥，具有孔隙比大、含水量高、强度低、压缩性高等显著特点。测试列车为广深高铁正常运营列车，分别选取编组(车厢数)为8节和16节的列车作为测试对象。

测点线垂直于高铁走向，位于桥墩立柱侧面的中心线上，在距离桥墩边缘40 m范围内的地面上布置10个测点，测点布置见图2，距离墩基的距离分别为0、2、5、8、13、18、23、28、33、40 m，测点处设置三向速度传感器。

图1 测试场地Fig.1 Site of the test

表1 土体参数Table 1 Parameters of soil

图2 测点布置图Fig.2 Arrangement ofmeasured points

列车通过并引起振动时触发三向速度传感器，即可得到墩基以及距离墩基不同距离处各测点的水平垂直铁路走向(X方向)、水平平行铁路走向(Y方向)、竖向(Z方向)速度时程曲线。

2 试验结果分析

由于人体和建筑物不能对振动作出瞬时的反应，而只能对一段时间内的平均值作出反应，因此单纯地以速度时程峰值对环境振动影响进行的分析不能全面地反映振动特性以及对沿线的影响。

本文对现场实测速度时程曲线采用振级计算，该计算采用美国联邦交通署(FTA)规定的计算方法，用列车通过时采集的实测速度有效值(RMS)进行计算［1，10］，它直接与振动能量有关。速度振级的计算公式为

式中:Lv为速度振级(dB);v振动速度的有效值(m/s);vref为振动速度基准值，取2.54×10－8m/s。

2.1 振动速度时程曲线

图3、图4分别给出了不同列车编组(8节、16节)2、13、23、40m测点处三通道(三方向)振动速度时程曲线。可见产生的振动呈一种明显的周期性峰值，可分辨出列车轮对对振动的影响。

对比各测点的振动速度时程曲线可以发现:三方向振动在时程曲线上的响应时间一致，地面振动速度时程峰值三方向相差不大，三方向峰值均主要集中在10－4cm/s量级，且峰值在23 m远场处大于13 m近场处，振动强度呈现放大特性。不同列车编组对地面振动速度时程峰值影响很小，不同之处在于:16节列车对地面振动影响的持续时间约为7 s，为8节编组列车振动持时的两倍，由此间接验证了本次监测的可靠性。振动强度的衰减不因传播方向的不同产生明显的差异，与前人在高架桥段的测试结果不同:马利衡等［11］实测统计结果表明，地面振动以竖向振动为主;李小珍等［12］振动测试研究表明，地面横向水平振动较竖向大。鉴于诸多文献对三方向振动强度实测结果的不完全一致性，本文认为这种不一致性的产生包含3个重要的因素:一方面前人多数监测时限于仪器性能，采集以竖向振动为主，水平两方向的振动可能未受到足够的重视;另一方面，对可多方向采集数据的仪器现场安置上，传感器方向的放置在每一个单独的测点是否完全平行存在很大的问题;最后，地基土振动具有各向异性，场地土层性质的不同也会导致各个方向振动特性的差异，具有一定的不确定性。振动影响的方向不仅仅局限于单纯的某个方向，因此，本文建议对因交通系统引起的地面振动评价应同时考虑三方向振动的影响。

2.2 频域分析

将同测点、同方向的各组振动频谱幅值进行线性平均，得到高铁通过时距墩基不同距离的各地面测点的振动速度傅里叶频谱曲线。图4给出了不同列车编组2、13、40 m测点处三通道振动速度频谱曲线。

对比图5频谱曲线可以看出:在距墩基振源2 m处，三方向上的振动包含的主要频率成分均在5～100 Hz，在10和60 Hz出现两个峰值，对比13、40 m频谱曲线，除低频峰值10 Hz附近以外，其余频率已基本衰减。这说明由于能量的扩散和软土层的阻尼作用，随距墩基距离的增大，频谱范围持续减少，且高频成分减少速率远高于低频成分减少速率［7］，频谱范围越来越集中于低频段，离桥墩趋远，振动主频逐渐降低。

图3 地面振动速度时程曲线(8节编组)Fig.3 Velocity time-history curves of ground vibration(8-train marshaling)

图4 地面振动速度时程曲线(16节编组)Fig.4 Velocity time-history curves of ground vibration(16-train marshaling)

图5 列车运行引起地面振动速度傅里叶频谱曲线Fig.5 Velocity fourier spectra of ground vibration caused by CRH running trains

同时，通过对地面三方向振动主频对比发现，相同编组的各次三方向测量主频均无明显差别，而不同列车编组导致的地面振动主要响应频谱不同。8节列车所引起的地面振动三方向主要响应频率均主要分布在5～60 Hz，16节列车所引起的振动响应频率分布于5～30 Hz，均(略)小于地铁诱发地面振动的主要响应频率成分［13］，造成该结果的原因可能是高架桥振源振动在半空间土体传播过程中，高频成分相对吸收较快。与马利衡等［11］结果吻合，但成分带宽略窄。在未来交通系统日益完善的过程中，应当采取有效减振、隔振措施减少此类低频振动的不利影响。

2.3 地面振动衰减规律

图6为不同编组列车通过高架桥引起路基地面振动的速度振级对比图。可以看出:整个振级曲线随距墩基距离的增大而波动性降低，不同编组列车与不同方向所产生的振级总体趋势相近，但各自略有不同。在近场0～20 m范围内，16节编组列车引发的地面三方向振级低于8节编组列车;而远场20～40 m范围内则相反，差值在0.07～2.63 dB。对不同编组竖向振动(Z方向振级)，近场0～20 m以内，总体上大于水平向振动(X、Y方向振级)0～4.59 dB;远场20～40 m范围内，总体上小于水平向振动(X、Y方向振级)0～1.38 dB。

图6 速度振级对比图Fig.6 Velocity vibrations in different train formation

本次测试地面三方向振动在0～5 m范围内迅速降低，该现象最可能是振动波在传播过程中由于墩基承台与地基土界面的突变，导致振动能量迅速的衰减;在18～30 m出现振动放大现象，这种放大现象与前人测试结果相近［5］，且16节编组列车放大区影响范围略小于8节编组列车影响范围。该放大区存在的可能原因是振动传播过程中高频成分因阻尼和界面突变很快被吸收，在一定距离范围(本次试验为18～30 m)内剩余的特定低频成分与该范围内地基土的固有频率的频段相重合，从而引起特定范围内土体的部分共振，共振区的存在使得振级级数呈现放大的特性，建议未来结合数值模拟进行场地土的模态分析验证，并进行更加深入的研究。同时，根据现场情况的调查结果，由于周围环境近场地表以高铁施工填土为主，地表2 m以下及远场为淤泥湿地，此种特别的场地条件以及软土沉积过程中存在的透镜体以及软土所体现的横观各向同性均可能对该放大区的存在产生一定的影响。

3 对三分量振动的整体考虑

前人对交通环境振动问题引起的三方向振动也有所关注:肖明清等［14］在广深港高铁隧道(狮子洋隧道)段的现场实测结果表明环向、径向振动大于垂向振动;叶茂等［15］在研究城市道路交通诱发建筑结构振动过程中提出对于一些环境振动敏感的特殊建筑，竖向与水平向加速度振级相差较小。均建议除考虑竖向环境振动外，还需要注意水平向地面振动对目标物振动的影响规律，但并未给出具体考虑措施。屈迪等［13］对近车站地铁运行引起的地面振动三方向分别进行了实测与分析;夏倩等［16］在地铁运行对地表建筑物振动的影响研究过程中，分别对各楼层的三方向振动进行了实测，分析结果表明楼层三方向最大振级近似相等。上述文献对地面振动数据的获取或分析手段一般仅考虑竖向振动或分别考虑三方向振动，尚未对三方向振动综合结果对目标物振动影响规律进行讨论研究。本文基于前人研究成果，考虑到监测所得速度三方向的最大值并不总是出现在同一时刻的现状，通过将三方向振动速度在时域范围内进行矢量求和的方式，对交通荷载引起的地面振动大小进行综合考虑。因和速度方向分布在整个三维空间的特殊性，仅以速度大小作为纵坐标，振源处三方向(为体现其同时同步性，下文称三分量)的合成矢量和速度大小时程曲线如图7。

图7 和速度时程曲线Fig.7 Total velocity time-history curves

用和速度有效值vs将式(1)中单方向振动速度有效值进行替换，获得地面振动总振级: Lvs=20lg(vs/vref3)， (2)式中:Lvs表示速度总振级;vs为三分量速度的和速度大小(矢量和)，因三分量振级近似相等，为保证振级量级上的一致性，此处vref3取式(1)中vref的倍，即

根据所得和速度时程曲线，按上式计算得到距振源不同距离处总振级时程曲线，见图8、图9。

图8 Lvs时程曲线对比Fig.8 Lvstime-history curves of different distance

图9 总振级峰值衰减曲线Fig.9 Attenuation of the peak Lvs

依据前文编组列车对地面振动影响不大的结论，以下仅对16节编组列车合成矢量速度对地面振动的影响进行分析，可知:

(1)总振级时程曲线中，当列车通过监测断面之前，地面质点处振级随列车振动波的相互影响及叠加迅速增加，并在一定时间段内呈现近似水平的特点(即振动持时)，振源处持时约为6 s，与前文结论7 s略有不同。相比较而言，三分量整体同步分析更接近地面振动实际情况，在列车通过监测断面以后，由于质点扰动的削弱，其振级曲线呈对数式衰减。

(2)随距离的增加，矢量合成后的总振级Lvs快速衰减，衰减趋势与各分量分别评价的结果基本一致，且在13～28 m处有反弹增大现象，但总振级Lvs略高于单独各分量振级Lv，这可能是由于振源振动三分量经土体传播到监测点形成了相位差并相互叠加增强的结果。在0～13 m范围内，总振级衰减7.2 dB，衰减速率0.55 dB/m;在28～40 m范围内，总振级衰减1.6 dB，衰减速率为0.13 dB/m，显然随距离墩基距离的增加，振动衰减变慢，且衰减曲线在不考虑振动反弹放大区时呈现对数曲线的特性，与现有振动波衰减理论一致。

(3)列车通过对地面振动影响的持续时间随距离线路越远，振动持时越短，总体呈“漏斗状”变化，如图8所示。整体上随离墩基越远，振动持时越短，与地面振动实际情况相符。

由于地面质点三分量在同一时刻的振动是同步进行的，本节以矢量合成的方式考虑了地面振动的综合特性，该方法所得结论比分别考虑各方向振动状态所得结论更符合地面质点振动的实际状态。同时，通过对振动三方向进行综合考虑的方法，相当于在每个监测点建立了一个独立的空间坐标系，能有效消除大量实地监测过程中因安放传感器时Z方向并未严格竖直、X方向未严格垂直铁路走向、Y方向未严格平行铁路走向等操作上的误差而导致结果精确度降低，对未来交通荷载引起的环境振动及相关问题的研究具有参考意义。

4 结论与建议

(1)本次测试结果显示，振动传播存在放大区，振动被加强的范围主要集中在距离桥墩18～30 m。建议未来通过数值模拟的方式对地基土体进行模态分析以确定其固有频率，对放大区的存在是否为共振导致进行深入的辨别。同时，场地条件的改变对振动放大区的放大特性也有一定的影响。在珠三角地区高速铁路的未来规划、设计与维护当中，对于铁路沿线该范围内的建筑物，建议给予特别的关注。

(2)通过对地面质点三分量振动的同步考虑，得到了振动持时随距离线路变远，总体呈“漏斗状”减小的结论。该方法及结论更符合地面质点振动的实际情况，并能有效消除大量实测过程中的人为操作误差，可为未来相关环境振动问题的实测、理论分析提供参考，并推广使用。

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Test and analysis of soft ground vibration induced by high-speed trains on viaduct

ZENG Ping，LIN Peng-wei，LIN Shu-jiong，ZHANG Cheng-bo
(School of Earth Science and Geological Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China)

In soft soil area，the ground vibration induced by high-speed train on viaduct is widely concerned．Since the Pearl River Delta is abundant of soft soil，high-speed railway is often constructed in the form of viaduct．In order to understand the vibration characteristics of soft soil and the attenuation rule of the vibration wave propagating in soft soil，triaxial vibration monitoring was made on the soft soil foundation of the Guang-Shen intercity high-speed train．The results show that the dominant frequency of the ground vibration is 5－60 Hz，themaximum value of each velocity component didn＇t appear at the same time．The variation of site conditions had large impacts on the triaxial vibration and more significant impact on the horizontal vibration．In this paper，vector sum of three axes vibration velocitieswas used instead of single velocity component for the vibration level formula(proposed by American Federal Railroad Administration)．The result shows that the duration time of the vibration attenuate is slow like a funnel，which ismore reasonable to reflect the characteristics of the ground vibration．

soft foundation;environmental vibrationmeasurement;viaduct;triaxial direction;vector synthesis

U231;X827

:A

2015－07－21

广东省自然科学基金项目 (S2013010012521)

曾 平 (1991—)，男，硕士研究生，研究方向:高速铁路振动引起的环境问题，zengp6@163.com。

张澄博，博士，副教授，eeszcb@sysu.edu.cn。

曾平，林鹏威，林署炯，等．高速列车在高架桥软土地基段引起的地面振动监测分析［J］．桂林理工大学学报，2016，36(4):731－737．

1674－9057(2016)04－0731－07

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.014