高速列車(chē)引起的地基土振動(dòng)研究綜述

林署炯， 曾 平， 林鵬威， 張澄博

(1.中山大學(xué) 地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.廣東省地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

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高速列車(chē)引起的地基土振動(dòng)研究綜述

林署炯1,2， 曾 平1， 林鵬威1， 張澄博1,2

(1.中山大學(xué) 地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.廣東省地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

對(duì)高鐵所引起的地基土振動(dòng)的研究已有20多年歷史了，隨著新一輪高鐵興建浪潮的興起，高鐵所引起的環(huán)境振動(dòng)污染備受關(guān)注，有必要對(duì)前人的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。對(duì)地基土振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)要遵循恰當(dāng)?shù)倪^(guò)程和方法，才能保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。在數(shù)據(jù)分析前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行背景壓縮和濾波等必要的預(yù)處理。對(duì)數(shù)據(jù)的分析，建議采用“三分之一倍頻有效振級(jí)譜”的方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的全面分析。文中還總結(jié)了已有研究得到的地基土振動(dòng)特性，并提出了需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題。

地基土振動(dòng)；高速列車(chē)；分析方法；振動(dòng)特性

0 引言

高速列車(chē)已經(jīng)成為現(xiàn)代交通系統(tǒng)中越來(lái)越重要的一部分。它在帶來(lái)巨大的便利的同時(shí)，也帶來(lái)了如噪音和振動(dòng)等環(huán)境污染，影響著居民的正常生活和工作環(huán)境。研究表明[1]，振動(dòng)會(huì)影響人體的健康并且導(dǎo)致建筑物的破壞。如今，隨著列車(chē)的進(jìn)一步提速，其所引起的振動(dòng)級(jí)別也顯著提升，振動(dòng)影響越發(fā)嚴(yán)重。

國(guó)內(nèi)外已有不少的學(xué)者對(duì)高速列車(chē)所引起的地基土振動(dòng)進(jìn)行了研究。英國(guó)諾丁漢特倫特大學(xué)的Victor V. Krylov[2-4]是首位研究高鐵所引起的地基土振動(dòng)的學(xué)者。日本學(xué)者如Kaynia[5]、Takemiya[6-7]等，也對(duì)新干線(xiàn)高速列車(chē)所引起的地基土振動(dòng)進(jìn)行了大量的研究。類(lèi)似的工作在歐洲其他地區(qū)和臺(tái)灣也有開(kāi)展。在我國(guó)，關(guān)于該課題的研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。在驚人的高速鐵路建設(shè)速度下，我國(guó)如今已是全世界擁有最長(zhǎng)的高鐵線(xiàn)路里程的國(guó)家，而且我國(guó)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，這也對(duì)眾多研究者提出了更高的要求。學(xué)者如雷曉燕[8-10]、夏禾[11-14]、高廣運(yùn)[15-17]等，已經(jīng)開(kāi)始越來(lái)越關(guān)注高速列車(chē)所引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題，激發(fā)起了新一輪研究的熱潮。

然而，總結(jié)近幾年的研究，發(fā)現(xiàn)存在著以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

(1) 場(chǎng)地實(shí)測(cè)的過(guò)程和方法不完善。如測(cè)點(diǎn)的布置隨意性大：有的測(cè)點(diǎn)布置過(guò)于稀疏，未能完整反映振動(dòng)強(qiáng)度的變化特性，可能導(dǎo)致無(wú)法表現(xiàn)出振動(dòng)放大區(qū)；有的測(cè)點(diǎn)布置范圍太遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離處高鐵所引起的地基土振動(dòng)幅度已經(jīng)很小，研究?jī)r(jià)值不大，反而會(huì)對(duì)研究的分析形成干擾。合理的測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)根據(jù)振動(dòng)波的衰減特性和地基土的分布特征進(jìn)行布置：在近場(chǎng)振動(dòng)強(qiáng)度變化大處加密，在遠(yuǎn)場(chǎng)振動(dòng)強(qiáng)度變化小處稀疏；在土性變化處加密，在土性均勻處稀疏。同樣的，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過(guò)程中儀器的安置、采集參數(shù)的設(shè)置等都需要得到進(jìn)一步的規(guī)范。

(2) 缺少對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的預(yù)處理。傳感器的不穩(wěn)定性以及背景噪聲等因素常常會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)造成信號(hào)干擾，所以需要進(jìn)行合理的預(yù)處理，使數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映地基土的振動(dòng)特性。然而，現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)此少有提及。

(3) 分析方法的有效性。對(duì)于不同的研究領(lǐng)域和研究目的，不同學(xué)者對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析方法可能各不相同。但筆者認(rèn)為，采用“三分之一倍頻有效振級(jí)譜”法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)波的全面分析，能較全面地反映地基土振動(dòng)的總體特性。所以建議研究者在進(jìn)行分析時(shí)，可以先以該方法為基礎(chǔ)，對(duì)所研究場(chǎng)地的地基土振動(dòng)特性進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，再根據(jù)研究目的的不同，結(jié)合特定的方法，對(duì)振動(dòng)的某些特性進(jìn)行詳盡的分析。

出現(xiàn)以上問(wèn)題的原因可能是部分研究者的實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)不足或?qū)σ延醒芯砍晒J(rèn)識(shí)不夠深刻。為此，在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地介紹了對(duì)地基土振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的過(guò)程和方法，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的方法，以及對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方法。再者，本文還全面地總結(jié)了已有研究所取得的地基土振動(dòng)的主要特性，方便研究者與自己的研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。最后，提出了需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法

1.1 測(cè)前場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)獲取

場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)主要包括列車(chē)的動(dòng)力參數(shù)和地基土的特征參數(shù)這兩大部分，它們都與高速列車(chē)引起的地基土振動(dòng)特性息息相關(guān)。

列車(chē)的動(dòng)力參數(shù)主要包括列車(chē)的質(zhì)量，長(zhǎng)度和速度[15-18]。這3個(gè)參數(shù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和建立數(shù)值模型所必須的。質(zhì)量決定了列車(chē)的靜荷載作用，車(chē)速?zèng)Q定了列車(chē)的動(dòng)力作用，長(zhǎng)度則決定了作用力的范圍。這3個(gè)參數(shù)都可通過(guò)查閱相關(guān)的資料獲取，表1列出了世界上現(xiàn)行部分高速列車(chē)的主要參數(shù)。

表1 世界現(xiàn)行部分高速列車(chē)的主要參數(shù)

圖1 測(cè)試場(chǎng)地剖面圖

地基土的特征參數(shù)主要包括土粒密度、泊松比、靜彈性模量、動(dòng)彈性模量、剪切波速、衰減系數(shù)這6個(gè)參數(shù)。首先，應(yīng)采用地質(zhì)鉆孔勘探的方法，勘察土的類(lèi)型和各土層的埋深。勘探的結(jié)果將會(huì)生成一個(gè)場(chǎng)地剖面圖來(lái)反應(yīng)土層在橫向和垂向上的分布以及各個(gè)土層的類(lèi)型，如圖1所示。

進(jìn)一步還需要通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)來(lái)測(cè)量土壤的靜彈性模量，泊松比和土粒密度。對(duì)于土的動(dòng)彈性模量、剪切波速、衰減系數(shù)，需要采用地球物理勘探的方法來(lái)獲取，一般采用重錘激發(fā)法[19]。若條件有限，也可以采用經(jīng)驗(yàn)值來(lái)代替。本文對(duì)常見(jiàn)地基土的這些特性進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)，見(jiàn)表2[19-21]。

表2 常見(jiàn)地基土的動(dòng)力特性

1.2 地基土振動(dòng)測(cè)量

在地基土振動(dòng)的測(cè)量中，一般采用振動(dòng)速度測(cè)振儀或者振動(dòng)加速度測(cè)振儀。振動(dòng)速度直接與振動(dòng)的能量相關(guān)(E=1/2mv2)反映了振動(dòng)級(jí)別的大小。振動(dòng)加速度則與作用力成正比例關(guān)系(F=am)，反映了列車(chē)振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)。振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度可通過(guò)微積分進(jìn)行相互變換。本文中以振動(dòng)速度為例進(jìn)行說(shuō)明。地基土振動(dòng)實(shí)測(cè)的過(guò)程主要包括3個(gè)步驟，分別為測(cè)點(diǎn)布置、儀器安置和參數(shù)設(shè)置。

測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)采用變間距法。根據(jù)現(xiàn)有研究的結(jié)果，振動(dòng)在10 m內(nèi)隨距離的增加衰減較快，隨后衰減變緩，普通場(chǎng)地30 m外的振動(dòng)基本就很微弱，接近本底振動(dòng)。所以有必要在近場(chǎng)處加密測(cè)試點(diǎn)位而在遠(yuǎn)場(chǎng)處稀疏點(diǎn)位。對(duì)于土性均勻的場(chǎng)地，建議水平向的測(cè)振距離為0 m、2 m、4 m、6 m、10 m、14 m、18 m、22 m、30 m。若土性在水平方向上不均一，地基土?xí)谕列宰兓唤缣幊霈F(xiàn)振動(dòng)異常，表現(xiàn)為局部振動(dòng)放大現(xiàn)象，所以應(yīng)在土性變化處加密測(cè)點(diǎn)。垂向點(diǎn)位的設(shè)置應(yīng)該根據(jù)土層的分布來(lái)確定，盡量將點(diǎn)位設(shè)置在各土層的中間而不是土層的分界處，這樣才能更好地反映各土層的振動(dòng)特性。

測(cè)量?jī)x器的安置，應(yīng)采用“一平二定三固”的方法。一平指首先應(yīng)平整場(chǎng)地，清除地基土表面的碎屑。二定指使用羅盤(pán)測(cè)定測(cè)振儀的方向并且保持測(cè)振儀水平。需要注意的是，由于測(cè)振儀的測(cè)頭一般都帶有磁性，會(huì)對(duì)羅盤(pán)造成干擾，所以應(yīng)先用羅盤(pán)定好方位，在點(diǎn)位處做好標(biāo)記再放置儀器。三固指的是對(duì)測(cè)振探頭進(jìn)行固定，要求將探頭的1/3～1/2埋到土中，并適當(dāng)進(jìn)行壓實(shí)。對(duì)于無(wú)法挖埋的硬質(zhì)場(chǎng)地，可以使用石膏拌水進(jìn)行固定。

測(cè)振儀參數(shù)的設(shè)置主要為采樣頻率和采樣時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)。高速列車(chē)的通過(guò)時(shí)間一般小于10 s，所以采樣時(shí)間建議設(shè)置為20 s，保證5 s的提前量和5 s的滯后量來(lái)采集前背景振動(dòng)和后背景振動(dòng)。根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率是原始信號(hào)最高頻率的兩倍的時(shí)候，采樣得到的數(shù)字信號(hào)可以完整地保留原始信號(hào)的信息。在實(shí)際應(yīng)用中，一般將采樣頻率設(shè)置為最高頻率的5～10倍。由于高鐵所引起的地基土振動(dòng)的主要頻率一般小于100 Hz，所以建議將采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz。

圖2 高速列車(chē)所引起的地基土振動(dòng)的信號(hào)

實(shí)測(cè)結(jié)果將獲得一系列記錄了振動(dòng)速度的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。如圖2所示，為某一次振動(dòng)所采集的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在實(shí)地測(cè)量之后，將獲得一系列以時(shí)間為序列的振動(dòng)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)完整地反映了地基土的全部振動(dòng)信號(hào)，既包含了高鐵振動(dòng)的信號(hào)，也包含了干擾信號(hào)的部分，因此需要將干擾信號(hào)從振動(dòng)信號(hào)中剔除出去。通常需要進(jìn)行背景振動(dòng)壓縮和濾波處理。

背景振動(dòng)指的是除了所要檢測(cè)的振動(dòng)(主振動(dòng))外的其余振動(dòng)。它會(huì)疊加到主振動(dòng)上引起振動(dòng)信號(hào)的放大，所以必須進(jìn)行背景壓縮來(lái)恢復(fù)高鐵振動(dòng)的真實(shí)值。壓縮算法為

(1)

式中，F(xiàn)(t)為測(cè)量得到的以時(shí)間為序列的振動(dòng)數(shù)據(jù)；Bmax為背景振動(dòng)速度的最大值；Vmax為所采集振動(dòng)信號(hào)的最大值。

圖3為原始信號(hào)和壓縮后信號(hào)的對(duì)比圖，從圖3中可以看出，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都被進(jìn)行了壓縮。最大振動(dòng)速度從2.66×10-4m/s被壓縮到 2.44×10-4m/s，最小振動(dòng)速度從-2.33×10-4m/s被壓縮到-2.13×10-4m/s。

圖3 背景振動(dòng)壓縮前后對(duì)比

大量研究表明，高速列車(chē)所引起的地基土振動(dòng)的主要頻率在4～100 Hz的區(qū)間內(nèi)。較低頻成分(小于3 Hz)和較高頻成分(高于200 Hz)會(huì)對(duì)振動(dòng)信號(hào)形成較大的干擾。較低頻成分，也稱(chēng)為直流分量，主要是測(cè)量過(guò)程中儀器誤差所產(chǎn)生的。由于放大器溫度的改變，感應(yīng)器低頻成分的不穩(wěn)定以及背景環(huán)境的干擾，振動(dòng)信號(hào)將會(huì)偏離基線(xiàn)，偏移量會(huì)隨時(shí)間的增加而增加，形成所謂的滑移現(xiàn)象[22]。如圖4(a)所示，在進(jìn)行積分之后，積分值急劇地增加。這種滑移現(xiàn)象將會(huì)使計(jì)算的振動(dòng)級(jí)別變大，影響對(duì)振動(dòng)能量的真實(shí)評(píng)價(jià)。圖4(b)則為進(jìn)行低頻濾波處理后的積分，可以看到積分值隨基線(xiàn)對(duì)稱(chēng)地上下波動(dòng)，滑移現(xiàn)象基本消除。雖然較高頻成分主要是由高速列車(chē)所產(chǎn)生的[23]，但可以對(duì)高頻成分不予關(guān)心，因?yàn)楦哳l成分不會(huì)對(duì)人體或建筑物產(chǎn)生顯著的影響。但高頻成分會(huì)使振動(dòng)波產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象而不平滑，如圖4(c)所示。圖4(d)為進(jìn)行高頻濾波處理后的振動(dòng)波，可以看到毛刺現(xiàn)象被消除，振動(dòng)波譜變得光滑。

濾波處理主要通過(guò)傅里葉變換(FFT)和逆傅里葉變換(RFFT)實(shí)現(xiàn)。首先通過(guò)快速傅里葉變換將振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，然后刪除低于3 Hz和高于200 Hz的成分，再使用逆傅里葉變換將頻域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回時(shí)域，就完成了濾波的過(guò)程。濾波結(jié)果如圖4(f)所示，圖4(e)為濾波前的數(shù)據(jù)。

圖4 濾波前后數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理十分重要，一方面可以排除其它因素的干擾，保證下一步分析的有效性，另一方面還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的檢驗(yàn)。如果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后數(shù)據(jù)的變化太大，或者預(yù)處理也不能消除數(shù)據(jù)的基線(xiàn)滑移或毛刺現(xiàn)象，那么就有理由懷疑數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 振級(jí)分析

評(píng)價(jià)振動(dòng)級(jí)別的指標(biāo)主要有最大振動(dòng)速度、平均速度、有效速度(計(jì)算均方根值)等。其中以有效速度為基礎(chǔ)的“三分之一倍頻有效振級(jí)譜”法[24-25]，可以較好地對(duì)振動(dòng)級(jí)別進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。有效振級(jí)是通過(guò)計(jì)算均方根值，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)數(shù)處理。均方根值反應(yīng)了振動(dòng)能量的大小，對(duì)數(shù)處理則可以使計(jì)算結(jié)果易于比較。三分之一倍頻處理可以使數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化集中到研究所關(guān)心的幾個(gè)中心頻率上。這種方法可通過(guò)以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)[25]。

(1)使用快速傅里葉變換將時(shí)域數(shù)據(jù)Y(t)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)Y(f)。

(2)

(2)得到傅里葉幅值譜Sy(f)，T為進(jìn)行快速傅里葉變換的截止時(shí)間長(zhǎng)度。

(3)

(3)生成三分之一倍頻的數(shù)值序列，中心頻率值為1 Hz、1.25 Hz、1.6 Hz、2 Hz、2.5 Hz、3.15 Hz、4 Hz、5 Hz、6.3 Hz、8 Hz、10 Hz…200 Hz。每隔3個(gè)中心頻率，頻率值將會(huì)增加一倍。上限頻率fu、下限頻率fl和中心頻率fc三者之間的關(guān)系為

(4)

(4)計(jì)算下限頻率和上限頻率之間數(shù)據(jù)的均方根值。N為數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目。

(5)

圖5 三分之一倍頻有效振級(jí)譜

(5)計(jì)算各個(gè)中心頻率處的振級(jí)，單位為dB

(6)

一般參考速度為:σ0=2.54×10-8m/s。

(6)計(jì)算總的振級(jí)

(7)

圖5為一計(jì)算實(shí)例，從圖5中可以很清楚地看出振動(dòng)波在不同頻率處的振動(dòng)級(jí)別。

基于“三分之一倍頻有效振級(jí)譜”的結(jié)果，可以進(jìn)行一系列的分析來(lái)發(fā)現(xiàn)地基土的振動(dòng)特性。以下為幾種常用的分析方法：

(1)主頻分析。找出不同距離點(diǎn)位處振動(dòng)的主要頻率，分析它們的分布特征。

(2)振動(dòng)強(qiáng)度衰減特性分析。以點(diǎn)位距離為橫坐標(biāo)，振級(jí)為縱坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)所有點(diǎn)位的總振動(dòng)級(jí)別的大小，可以得到一條振動(dòng)能量的衰減曲線(xiàn)。進(jìn)一步可以通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)擬合這條曲線(xiàn)，從而建立相應(yīng)的振動(dòng)強(qiáng)度衰減模型。

(3)振動(dòng)頻率衰減分析。通過(guò)對(duì)比不同點(diǎn)位處的主要頻率，可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)波在頻率域的衰減特性。

(4)列車(chē)車(chē)速影響分析。通過(guò)對(duì)比不同車(chē)速的“三分之一倍頻有效振級(jí)譜”，可以分析振動(dòng)特性隨車(chē)速增加的變化。

3 對(duì)現(xiàn)有研究成果的主要認(rèn)識(shí)

對(duì)高速列車(chē)所引起的地基土振動(dòng)的研究已有20多年的歷史，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，高鐵所引起的地基土振動(dòng)的一些主要特性也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并展示出來(lái)。以下是對(duì)現(xiàn)有研究成果的幾點(diǎn)主要認(rèn)識(shí)：

(1)振動(dòng)在頻率域的分布特性。振動(dòng)頻率主要分布在0～100 Hz[15]的頻率域內(nèi)，并且可以將其細(xì)分為3個(gè)次級(jí)區(qū)間，分別為0～10 Hz(低頻)、10～40 Hz(中頻)，40～100 Hz (高頻)。在這3個(gè)區(qū)間內(nèi)通常會(huì)分別存在3個(gè)振動(dòng)峰值。

(2)振級(jí)隨車(chē)速增加而變化的特性。 在車(chē)速較低時(shí)，振動(dòng)的級(jí)別只會(huì)隨著車(chē)速的增加而平穩(wěn)地增加[23]。但當(dāng)車(chē)速超過(guò)某些臨界速度之后(瑞利波速和軌道臨界速度)，振級(jí)將會(huì)隨著車(chē)速的增加急劇地增加[2-4,26]，特別是在軟土地區(qū)[27]，這兩種臨界速度都非常低。在頻率域，隨著車(chē)速的增加，頻譜將會(huì)向高頻率的方向滑移[7]。

(3)振動(dòng)波在地基土中的衰減特性。 振動(dòng)波的強(qiáng)度會(huì)隨距軌道距離的增加而呈指數(shù)的形式衰減[28]。但衰減函數(shù)不僅與距離有關(guān)，還與地基土的特性和振動(dòng)的頻率有關(guān)[29]。振動(dòng)強(qiáng)度受到地質(zhì)條件的影響較大，振動(dòng)在較軟的地基土中要比在較硬的地基土中強(qiáng)烈得多，而且在軟土中傳播的距離也更遠(yuǎn)。 在傳播過(guò)程中，高頻成分較容易衰減，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，主要為低頻成分的振動(dòng)波。

(4)振動(dòng)的異常放大現(xiàn)象。 振動(dòng)的異常放大現(xiàn)象[13,30-31]主要是由于地基土在水平方向和垂直方向上的不均一性引起的。在水平方向上，當(dāng)振動(dòng)波從較硬的地基土中傳播到較軟的地基土中時(shí)，較軟的地基土未能及時(shí)響應(yīng)傳遞來(lái)自較硬地基土中的振動(dòng)，導(dǎo)致振動(dòng)能量在軟硬交界處積累，從而產(chǎn)生放大現(xiàn)象。在垂直方向上，振動(dòng)波在不同土層傳播時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射波在某些點(diǎn)位疊加而產(chǎn)生振動(dòng)放大。振動(dòng)放大主要發(fā)生在低頻域，這與低頻波在地基土中的衰減幅度較小有關(guān)。

4 需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題

雖然對(duì)高鐵引起地基土振動(dòng)的研究已經(jīng)取得了不少成果，但仍存在一些需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

(1)當(dāng)高速列車(chē)在山體隧道中運(yùn)行的時(shí)候，振動(dòng)波將會(huì)從一個(gè)較寬的底部(山腳)向上傳播到一較窄的頂部(山頂)，這種傳播與在地基土中的傳播差別很大。而且山體中經(jīng)常會(huì)存在各種構(gòu)造面，如巖層層面、斷層、節(jié)理等，這些構(gòu)造面都會(huì)嚴(yán)重影響振動(dòng)的傳播。受山體地形起伏的影響，測(cè)點(diǎn)布置難度較大，而數(shù)值模擬的方法又難以模擬山體中的各種構(gòu)造面，所以關(guān)于高鐵引起的山體振動(dòng)仍需較好的方法來(lái)進(jìn)行研究。

(2)當(dāng)高速鐵路穿過(guò)高速公路或地鐵線(xiàn)路的時(shí)候，來(lái)自不同振動(dòng)場(chǎng)的振動(dòng)波將會(huì)疊加放大，造成意想不到的傷害。高鐵與地鐵或高速汽車(chē)的交會(huì)概率較小，需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)才能獲得足夠的數(shù)據(jù)，而且，高鐵所引起的地基土振動(dòng)振源屬于樁基振動(dòng)，而地鐵屬于地下振動(dòng)，兩者的疊加會(huì)造成分析的困難。數(shù)值模擬則會(huì)由于多場(chǎng)振動(dòng)的存在和土的彈塑性模型的建立，使得求解過(guò)程難以收斂。

(3)雨水的影響。雖然在暴雨天氣，高速列車(chē)會(huì)減速運(yùn)行或停運(yùn)，但暴雨過(guò)后，某些地勢(shì)低洼處會(huì)有積水。水位上升會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力增大而有效應(yīng)力減小，使地基土的承載力下降。振動(dòng)波在土水多相介質(zhì)中的傳播機(jī)理還不清楚，可能會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力而導(dǎo)致地基承載力進(jìn)一步下降。而且，在雨水場(chǎng)地，測(cè)振儀器難以安置，測(cè)量結(jié)果可靠性低。

(4)地質(zhì)條件是影響地基土振動(dòng)最復(fù)雜的因素[27]，而且往往是不可控的，數(shù)值模擬也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的模擬，因此需要進(jìn)行系統(tǒng)研究來(lái)總結(jié)歸納各種地質(zhì)條件對(duì)振動(dòng)傳播的影響規(guī)律。

[1]Sanayei M, Zhao N, Maurya P, et al. Impedance modeling for prediction of train induced floor vibrations[C]// Structures Congress, Las Vegas, NV. United states: American Society of Civil Engineers(ASCE), 2011:371-382.

[2] Krylov V V. Generation of ground vibrations by superfast trains[J]. Applied Acoustics, 1995, 44(2): 149-164.

[3] Krylov V V, Dawson A R, Heelis M E, et al. Rail movement and ground waves caused by high-speed trains approaching track-soil critical velocities[J]. Journal of Rail and Rapid Transit, 2000, 214(2): 107-116.

[4] Krylov V V. Focusing of ground vibrations generated by high-speed trains[C]// 26th International Conference on Noise and Vibration Engineering. Belgium:KU Leuven, 2014: 2007-2016.

[5] Kaynia A M, Madshus C, Zackrisson P. Ground vibration from high-speed trains: prediction and countermeasure[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2000, 126(6): 531-537.

[6] Takemiya H, Bian X C. Shinkansen high-speed train induced ground vibrations in view of viaduct-ground interaction[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2007, 27(6): 506-520.

[7] Takemiya H. Analyses of wave field from high-speed train on viaduct at shallow/deep soft grounds[J]. Journal of Sound and Vibration, 2008, 310(3): 631-649.

[8] 圣小珍，雷曉燕. 鐵路交通噪聲與振動(dòng)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

[9] 馮青松，雷曉燕，練松良. 高速鐵路路基-地基系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010,7(1): 1-6.

[10] 雷曉燕. 高速鐵路軌道振動(dòng)與軌道臨界速度的傅里葉變換法[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2007,28(6): 30-34.

[11] 夏禾，張楠，曹艷梅. 列車(chē)對(duì)周?chē)孛婕敖ㄖ镎駝?dòng)影響的試驗(yàn)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2004,26(4): 93-98.

[12] Xia H, Cao Y M, De Roeck G. Theoretical modeling and characteristic analysis of moving-train induced ground vibrations[J]. Journal of Sound and Vibration, 2010, 329(7): 819-832.

[13] Xia H, Zhang N, Cao Y M. Experimental study of train-induced vibrations of environments and buildings[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 280(3-5): 1017-1029.

[14] 夏禾. 交通環(huán)境振動(dòng)工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[15] Gao G, Li Z, Feng S, et al. Experimental results and numerical predictions of ground vibration induced by high-speed train running on Qin-Shen Railway[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(9): 1817-1822, 1827.

[16] 高廣運(yùn)，李志毅，馮世進(jìn)，等. 秦-沈鐵路列車(chē)運(yùn)行引起的地面振動(dòng)實(shí)測(cè)與分析[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(9): 1817-1822.

[17] 李志毅，高廣運(yùn)，馮世進(jìn)，等. 高速列車(chē)運(yùn)行引起的地表振動(dòng)分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2007,35(7): 909-914.

[18] Chen Y, Lin S, Shen Y. Establishment of ground vibration prediction model for high-speed trains on embankments[J]. Journal of Vibroengineering, 2014, 16(4): 1877-1887.

[19] 工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì). 工程地質(zhì)手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.

[20] 謝定義. 土動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011.

[21] 高大釗. 土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1998.

[22] Degrande G, Schillemans L. Free field vibrations during the passage of a thalys high-speed train at variable speed[J]. Journal of Sound and Vibration, 2001, 247(1): 131-144.

[23] Connolly D P, Kouroussis G, Woodward P K, et al. Field testing and analysis of high speed rail vibrations[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2014, 67: 102-118.

[24] Chen Y, Chiu T. Ground vibration induced by high-speed trains on bridge structures[J]. Noise and Vibration Worldwide, 2012, 43(7): 2-10.

[25] Chen Y, Shen Y. Measurement techniques of ground vibration for rail system[C]// Advances in Analysis, Modeling and Design Conference, West Palm Beach, FL. United states:American Society of Civil Engineers, 2010: 1255-1264.

[26] Madshus C, Kaynia A M. High-speed railway lines on soft ground: dynamic behaviour at critical train speed[J]. Journal of Sound and Vibration, 2000, 231(3): 689-701.

[27] Chen Y, Shen Y, Chen K, et al. Some characteristics of ground vibration as induced by high-speed trains[C]// Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics IV, Sacramento, CA. United states: American Society of Civil Engineers. 2008.

[28] He Y, Zhou Q, Yang L. Environmental Vibration Test and Analysis of Viaduct Bridge of 350 km/h High-speed Railway[J]. Noise and Vibration Control, 2012, 32(1): 170-173.

[29] 馬利衡，梁青槐，谷愛(ài)軍，等. 滬寧城際高速鐵路路基段振動(dòng)試驗(yàn)研究及數(shù)值分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2014,36(1): 88-93.

[30] Zhang L, Feng Q. Experimental analysis on ground vibration generated by high-speed train[C]//3rd International Conference on Transportation Engineering. China: American Society of Civil Engineers (ASCE), 2011: 1597-1602.

[31] 肖明清, 姚捷, 黃盾,等. 廣深港高鐵獅子洋隧道列車(chē)所致環(huán)境振動(dòng)實(shí)測(cè)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013,32(S2):3527-3534.

A Review on Ground Vibration Induced by High-Speed Train

Lin Shujiong1,2, Zeng Ping1, Lin Pengwei1, Zhang Chengbo1,2

(1.School of Earth Science and Geological Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;2. Guangdong key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources Exploration, Guangzhou 510275, China)

Researches on ground vibration induced by high-speed train have been studied for more than 20 years. With another upsurge of constructing high-speed railway, more and more people are concerned about the environmental vibration problems caused by high-speed train. So, it is necessary to summarize the results of the former researches systematically. The field test of the ground vibration must be carried out under proper process to ensure the quality of the data. Data pretreatment is necessary before data analysis. “1/3 octave valid vibration level spectrum” is recommended to process the data analysis. The characteristics of the ground vibration can be fully analyzed using this method. The main characteristics of the ground vibration are also concluded in this article. Finally, some analysis recommendations and further studies are proposed.

ground vibration;high-speed train;analysis methods;vibration characteristics

2015-08-17 責(zé)任編輯:車(chē)軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.04.07

林署炯(1991-)，男，碩士研究生，主要從事土動(dòng)力學(xué)與環(huán)境振動(dòng)的研究。E-mail：870657385@qq.com

TB535

A

2095-0373(2016)04-0040-07

林署炯，曾平，林鵬威，等.高速列車(chē)引起的地基土振動(dòng)研究綜述[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(4):40-46.