列車引起飽和土場地地面振動實測分析

張燕，鄭鑫，2，龐惟肖，李波

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319；2.中國地震局工程力學研究所）

列車引起飽和土場地地面振動實測分析

張燕1，鄭鑫1，2，龐惟肖1，李波1

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319；2.中國地震局工程力學研究所）

為了研究列車經(jīng)過引起的環(huán)境振動在飽和土場地的傳播特性，對濱洲（哈爾濱到滿洲里）鐵路大慶市龍鳳濕地段列車經(jīng)過引起軌道附近地面振動進行現(xiàn)場觀測。通過振動級通用方法計算得到線型臺陣各實測點三分之一倍頻程各中心頻率的加速度振動級，對比研究客、貨兩類列車引起的振動加速度幅值和加速度振動級衰減關系。結(jié)果表明：隨著距軌道中心線距離的增加，加速度幅值和加速度振動級逐漸減??；列車經(jīng)過時，在30 Hz～80 Hz頻段振動加速度級增加；列車運行速度對振動加速度級的影響比載重和車廂數(shù)大。

地面振動；加速度振動級；飽和土場地

隨著人類社會發(fā)展，人口迅速增長，人們出行引起的交通擁堵問題越來越顯著，軌道交通作為解決交通不便、交通擁堵問題最便捷、便宜的交通工具之一，已經(jīng)遍布在世界各地的每個角落。但是隨著軌道交通發(fā)展出現(xiàn)的環(huán)境振動與振動噪聲問題也引起了人們的關注。日本作為振動影響最為嚴重的國家之一，1976年，吉岡修、Takemiya等[1]對新干線線路兩側(cè)的環(huán)境振動問題進行調(diào)查，分析了不同場地、不同地基條件下的地基土卓越周期、振動的衰減規(guī)律、衰減關系。茅玉泉[2]通過一系列的實測實驗研究了交通運輸車輛引起的地面振動特性和振動傳播衰減規(guī)律。陶夏新[3]研究了城市軌道周邊自由地表垂向振動的特性及其傳播規(guī)律。陳建國等[4]通過建立車—橋子系統(tǒng)模型和墩—土子系統(tǒng)模型對高架橋軌道交通引起的環(huán)境振動問題進行了理論分析和數(shù)值計算。高廣運等[5]在上海地鐵一號線進行振動測試，結(jié)合軌道加速度測試數(shù)據(jù)及車輛體系振動方程，建立地鐵列車振動模擬荷載的數(shù)定表達式，分析地鐵引起的地面振動響應。雖然對于軌道交通引起的環(huán)境振動已經(jīng)有了大量的研究，但針對軌道交通引起季節(jié)性凍土區(qū)飽和土場地環(huán)境振動的報道很少。為了探索季節(jié)凍土區(qū)飽和土場地的動力特性，對2014年冬季觀測得到的不同類型車輛經(jīng)過引起環(huán)境振動的加速度振動級進行對比研究，得到不同類型車輛引起凍飽和土場地環(huán)境振動的振動級衰減關系。

1 現(xiàn)場觀測

為考察軌道交通引起季凍區(qū)飽和土場地振動的傳播規(guī)律、衰減特性，在借鑒以往研究成果中軌道交通引起環(huán)境振動衰減規(guī)律的基礎上，設計了垂直于軌道方向的10點線型衰減觀測臺陣。點位布設平面圖如圖1所示。

圖1 臺陣測點的平面布置圖Fig.1The layout of the observed array

觀測臺陣的GPS坐標為北緯46.509°，東經(jīng)125.149°。觀測區(qū)域地勢平坦，長期處于飽和狀態(tài)。文章的觀測時間分別為2014年1月，觀測時室外溫度為-26攝氏度，凍土深度1.8 m。經(jīng)過臺陣的列車型號不同，有客車、貨車、單獨車頭等，對這些經(jīng)過車輛一一采集數(shù)據(jù)備用。以如圖2a、圖2b所示的客運列車和貨運列車為例進行研究，其中客運列車的平均運行速度為121 km·h-1，車廂數(shù)為17，貨運列車的平均運行速度為55 km·h-1，車廂數(shù)為58。

2 實測結(jié)果分析

2.1 各方向振動最大加速度衰減

觀測儀器采用圖3所示的JM5842無線加速度觀測儀，按圖1所示臺陣布點，10個測點同時觸發(fā)，同步記錄臺陣各點在列車通過時的地表x（平行軌道方向），y（垂直軌道方向）及z（鉛垂方向）的加速度時程，采樣頻率為256 Hz。

a.觀測客運列車

圖2 過往的客運、貨運列車Fig.2Passing passenger train and cargo train

圖3 JM5842加速度觀測儀Fig.3JM5842 acceleration testing instrument

振動最大加速度衰減關系是指各個測點的振動加速度幅值與距軌道中心線距離的擬合曲線?？瓦\列車各點z方向加速度幅值和貨運列車各點z方向加速度幅值見表1，其衰減圖形如圖4、圖5所視。

表1 客運列車和貨運列車的振動加速度幅值/m·s-2Table 1The vibration acceleration amplitude of passenger train and cargo train/m·s-2

由圖4、圖5可以看出，近軌道測點處客運列車的加速度幅值大于貨運列車，這與列車運行的速度有關；隨距離軌道中心線距離增加，振動加速度幅值逐漸減小，y=30 m以后兩類列車引起振動的加速度幅值衰減趨于平穩(wěn)。

圖4 客運列車振動加速度幅值衰減關系Fig.4The attenuation relationship of vibration acceleration amplitude caused by passenger train

圖5 貨運列車振動加速度幅值衰減關系Fig.5The attenuation relationship of vibration acceleration amplitude caused by cargo train

2.2 加速度振動級衰減

軌道交通引起的環(huán)境振動是復雜振動信號，它包含多種頻率成分。國際上通常用加速度來評價振動強度[6]，加速度振動級可定義為：

其中aref為振動加速度基準值，我國標準取10-6m/ s2[1]，arms為振動加速度有效值（加速度有效值能較好反應振動能量傳遞結(jié)果），加速度有效值為：

式中Pw（x，f）為加速度功率譜密度，f1、f2為上、下限頻率。

1/3倍頻程計算振動加速度級是國際通用的分析環(huán)境振動的方法[7]。1/3倍頻程是指評價振動時各頻率段的范圍，它不僅能夠獲得詳細的頻譜，而且每隔10個頻帶中心頻率增大10倍，其中心頻率為1，1.25，1.6，2，2.5，3.15，4，5，6.3，8 Hz，可按比例增大或縮小[8]。1/3倍頻帶上限頻率與下限頻率的關系為上、下限頻率與中心頻率的關系為根據(jù)這些關系以及中心頻率求得上、下限頻率。根據(jù)式（1）和式（2）計算得到客運列車經(jīng)過產(chǎn)生振動引起地表各點加速度級如圖6所示，得到貨運列車經(jīng)過產(chǎn)生振動引起地表各點加速度級如圖7所示。

圖6 客車經(jīng)過各點振動加速度級Fig.6Vibration acceleration level of passenger train passing

圖7 貨車經(jīng)過各點振動加速度級Fig.7Vibration acceleration level of cargo train

由圖6、圖7可見，隨著頻率的增加冬夏兩季的振動加速度級整體呈上升趨勢，這與王福彤副教授的研究結(jié)果相似[9]；無論是客運列車還是貨運列車經(jīng)過引起的振動在30 Hz～80 Hz頻段的振動級高，25 Hz以下的各頻帶振動級較小，距離軌道中心線30 m以后的點在頻率為16 Hz時，振動加速度級較為突出；從y=10 m、y=20 m可以明顯看出客運列車引起振動的加速度級比貨運列車高，不論從載重和車廂數(shù)來看，貨運列車都高于客運列車，唯有運行速度低于客運列車，說明列車運行速度對于振動影響更為顯著。

3 結(jié)論

在對冬季飽和土場地軌道交通引起環(huán)境振動實際觀測的基礎上，對比分析客運、貨運兩類列車鉛垂方向的振動加速度級，得到以下結(jié)論：a隨著距軌道中心線距離的增加，振動的加速度級大體上呈衰減趨勢；b軌道交通荷載引起的環(huán)境振動的振動頻率集中在30 Hz～80 Hz；c列車運行速度比列車載重、列車長度對振動的影響顯著。

［1］張昕.高架軌道交通引起環(huán)境振動的實測和理論分析研究［D］.上海：同濟大學，2002.

［2］茅玉泉.交通運輸車輛引起的地面振動特性和衰減［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，1987（1）：12-19.

［3］王福彤，陶夏新，崔高航，等.地面城軌交通近軌道區(qū)域自由地表振動實測研究［J］.振動與沖擊，2011，30（5）：131-135.

［4］陳建國，夏禾，曹艷梅.高架軌道交通引起的環(huán)境振動影響分析與預測［J］.程力學，2012，29（6）：285-291.

［5］高廣運，朱林圓，李衛(wèi)華，等.上海地鐵一號線人民廣場振動測試與分析［J］.地震工程學報，2014，36（3）：429-433.

［6］崔高航.軌道交通引起環(huán)境振動研究及軌道譜參數(shù)虛擬反演［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［7］張向東，閆維明，任珉，等.交通環(huán)境振動測試中的本底振動分析［J］.振動與沖擊，2009，28（4）：177-179.

［8］陳建國，高架軌道交通引起的環(huán)境振動預測與參數(shù)研究［D］.北京：北京交通大學，2009.

［9］王福彤.城市軌道交通地面振動源的頻域反演［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.

Test Analysis of Ground Vibration in Saturated Soil Site Caused by Train

Zhang Yan1，Zheng Xin1，2，Pang Weixiao1，Li Bo1
（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration）

In order to investigate propagation characteristics of the environmental vibration caused by train in saturated soil site，a practical test of ground vibration was conducted in Bin-Zhou rail，which passed the Longfeng wetland of Daqing.The acceleration vibration level of a third octave center frequency of the linear array every measured point was obtained by the general formula of vibration level，comparatively study the attenuation relationship of vibration acceleration amplitude and the acceleration vibration attenuation relations caused by passenger train and cargo train.The test results showed that the attenuation relationship of vibration acceleration amplitude and the vibration acceleration level of vibration was substantially decreased with the increasing distance from the point to the track.When the train passed，the vibration acceleration increased in 30 Hz-80 Hz.The influence of train running speed was bigger than load and the number of cars for vibration acceleration level.

ground vibration；vibration acceleration level；saturated soil site

TB53

A

1002-2090（2017）01-0115-04

2015-03-21

黑龍江省教育廳科學技術研究面上項目（12531441）；黑龍江省自然科學基金面上項目（E201330）。

張燕（1992-），女，黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院2013級碩士研究生。

鄭鑫，男，副教授，碩士研究生導師，E-mail:zhxin@aliyun.com。