軌道交通誘發(fā)土體振動(dòng)特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

馬險(xiǎn)峰 ，李金定，何 斌，張寶民

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；2.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆喀什 844000）

許多國(guó)家大城市的軌道交通普遍很發(fā)達(dá)，這會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)公害普遍存在，因此對(duì)軌道交通誘發(fā)的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究和解決就顯得尤為重要.對(duì)于環(huán)境振動(dòng)在土層中的傳播和衰減規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要采用了解析法、數(shù)值方法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及試驗(yàn)方法等.各方法在應(yīng)用時(shí)并不是孤立的，而是聯(lián)合運(yùn)用，相互驗(yàn)證.

解析方法通過(guò)運(yùn)用理論模型，結(jié)合數(shù)學(xué)以及力學(xué)中的理論對(duì)振動(dòng)問(wèn)題加以研究.Krylov 等[1]將高速軌道簡(jiǎn)化成Euler-bernoulli 梁，研究了列車振動(dòng)的影；曹艷梅[2]研究了車、軌道和地基相互作用模型，該模型以列車動(dòng)力學(xué)、軌道動(dòng)力學(xué)以及地基土Green 函數(shù)為基礎(chǔ)；Schillemans[3，4]采用了2D 有限元模型研究了鐵路振動(dòng)響應(yīng)，并提出了減振措施，減小了地鐵振動(dòng)對(duì)古建筑的影響.但對(duì)于振動(dòng)這種復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題進(jìn)行很多簡(jiǎn)化和假設(shè)，得到的解是不完全精確的.

隨著振動(dòng)測(cè)試傳感器、數(shù)據(jù)處理方法和理論分析的完善，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)實(shí)測(cè)和試驗(yàn)方法顯示了獨(dú)有的優(yōu)勢(shì).高峰與郭劍勇[5]采用模型試驗(yàn)的研究方法，設(shè)計(jì)不同工況，分析了雙層隧道的響應(yīng)問(wèn)題.

試驗(yàn)結(jié)果表明，上下交會(huì)動(dòng)載最不利，該工況下襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；鄭曉等[6]分析了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，認(rèn)為地鐵振動(dòng)以中低頻為主，豎直方向的振動(dòng)分量大于水平方向的分量，并且沿地表的衰減速度也慢于水平分量.

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，分析了磁懸浮高架、地鐵高架、城市高架橋及地面交通誘發(fā)的振動(dòng)特性，并結(jié)合磁懸浮高架附近不同距離的測(cè)點(diǎn)垂向加速度信息分析振動(dòng)的衰減規(guī)律.

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用的拾振器和放大器為中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所制造的941B 型超低頻拾振器和941 型16 線放大器.兩者配接后加速度分辨率可達(dá)到5×10-6m/s2.采集儀器為美國(guó)國(guó)家儀器公司研發(fā)的NI9220 采集卡，采樣率為100 kS/s/ch，通道數(shù)為48道，各通道同步采樣.

圖1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

該測(cè)試場(chǎng)地位于上海硬X 射線隧道建設(shè)選址附近，緊鄰磁懸浮、軌道交通16 號(hào)線、羅山路高架及羅山路地面交通等地.本次測(cè)點(diǎn)分別布置于附近四種交通處，即羅山路高架橋墩、磁懸浮高架橋墩和地鐵線高架橋墩處，為了形成對(duì)比在地面交通附近也布置了測(cè)點(diǎn).為了得到振動(dòng)波在土中的衰減規(guī)律，在磁懸浮高架附近布置了不同距離的測(cè)點(diǎn).

2 不同交通形式產(chǎn)生的振動(dòng)波對(duì)比

2.1 時(shí)程分析

圖2為四種交通方式的垂向時(shí)程圖，地鐵高架產(chǎn)生的振動(dòng)在數(shù)值上最大，最大值約為0.12 m/s2.地面交通引起的振動(dòng)在數(shù)值上最小，最小值約為0.003 m/s2.從波形上看，地面交通和羅山路高架產(chǎn)生的振動(dòng)波比較雜亂，沒(méi)有一定的規(guī)律性.磁懸浮在經(jīng)過(guò)的時(shí)候會(huì)快速形成一個(gè)振動(dòng)波，而地鐵高架則會(huì)產(chǎn)生與地鐵車廂相等的振動(dòng)波個(gè)數(shù).

圖2 四種交通方式垂向時(shí)程圖

圖3為四種交通方式在橫向、縱向和垂向的振動(dòng)加速度箱型圖.箱型圖的方形箱體的上下代表振動(dòng)加速度的四分之一和四分之三位數(shù)，也就是振動(dòng)加速度數(shù)值的一半在箱體的范圍內(nèi).箱型圖的上下邊緣代表振動(dòng)加速度的最大與最小值.

圖3 四種交通方式三向振動(dòng)箱型圖

圖3(a)為地面交通引起的振動(dòng)箱型圖，可以看出三個(gè)方向的振動(dòng)在數(shù)值上比較接近，振動(dòng)最大值都在0.003 m/s2，垂向的振動(dòng)幅度比其他兩個(gè)方向略大點(diǎn).振動(dòng)箱型圖的方形箱體大小正常，說(shuō)明振動(dòng)加速度的數(shù)值分布比較均勻.圖3(b)為羅山路高架引起的振動(dòng)箱型圖，縱向加速度相較于橫向和垂向小很多，橫向產(chǎn)生的加速度最大.振動(dòng)箱型圖的方形箱體較小，說(shuō)明振動(dòng)的數(shù)值集中在比較小的區(qū)域內(nèi).圖3(c)為磁懸浮高架產(chǎn)生的振動(dòng)箱型圖，可以看到縱向產(chǎn)生的加速度較大，而橫向和垂向較為類似.振動(dòng)箱型圖的方形箱體的大小在四種交通狀況下最小，說(shuō)明磁懸浮的振動(dòng)集中在很小區(qū)域內(nèi)，數(shù)值較大的振動(dòng)只有少部分.圖3(d)為地鐵高架產(chǎn)生的振動(dòng)箱型圖，可以看出數(shù)值上地鐵高架相較于其他三個(gè)交通方式引起的振動(dòng)最大，在縱向有比較大的振動(dòng)加速度，而且箱型圖的方形箱體大小正常，說(shuō)明地鐵高架引起的振動(dòng)不集中在某一時(shí)刻.

2.2 頻域分析

用Seismosignal 軟件通過(guò)濾波和傅里葉變換可以得到加速度時(shí)程曲線對(duì)應(yīng)的頻域信息，這里截取0～100 Hz的頻域曲線進(jìn)行分析.為了將不同方向的頻域圖繪制到一幅圖上，本文利用Origin軟件的Savitzky-Golay (SG)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，因?yàn)榉治龅臑楸容^大的幅值對(duì)應(yīng)的頻率范圍，對(duì)幅值的精度沒(méi)有很大的要求，所以這種處理方

式是符合分析需求的.圖4 為SG 法平滑處理頻域曲線的前后對(duì)比，可以看到曲線在平滑的同時(shí)保留了數(shù)值的相對(duì)大小信息，能夠比較清晰地看出頻域曲線在數(shù)值上幾個(gè)較大的區(qū)域.

圖4 Savitzky-Golay 法平滑處理

圖5(a)為地面交通在三個(gè)方向平滑處理后的頻域曲線圖，可以看出三個(gè)方向的頻率大都聚集在0～20 Hz 與50～80 Hz 區(qū)間內(nèi)，0～20 Hz 對(duì)應(yīng)的傅里葉幅值大于50～80 Hz的幅值，所以地面引起的大都為0～20 Hz 低頻的振動(dòng).圖5(b)為羅山路高架平滑處理后的頻域曲線圖，可以看出縱向的振動(dòng)頻率大部分聚集在0～10 Hz 和20～30 Hz區(qū)間內(nèi).橫向振動(dòng)頻率62 Hz 與80 Hz 左右較明顯，10～25 Hz 區(qū)間也有比較大的幅值，而垂向振動(dòng)在0～90 Hz 內(nèi)分布較均勻.圖5(c)為磁懸浮高架平滑處理后的頻域曲線圖，可以看出三個(gè)方向振動(dòng)頻率都集中在65-85Hz 之間，90-100Hz 之間的振動(dòng)也比較明顯.圖5(d)為地鐵高架平滑處理后的頻域曲線圖，可以看出縱向和垂向的振動(dòng)基本聚集在30～60 Hz 之間，而橫向振動(dòng)在40 Hz 與60 Hz處比較明顯.

圖5 四種交通方式三向頻域圖

3 振動(dòng)波在土中的衰減規(guī)律

為了研究振動(dòng)波在土體中傳播及衰減規(guī)律，在磁懸浮高架附近布置了4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，表1 為測(cè)點(diǎn)編號(hào)及其位置.

表1 測(cè)點(diǎn)布置位置

3.1 時(shí)程分析

圖6為四個(gè)測(cè)點(diǎn)在垂向的振動(dòng)加速度，從波形上看，距離磁懸浮高架最近的測(cè)點(diǎn)1的波形與磁懸浮高架橋墩較為類似，比較大的加速度集中在一小段時(shí)間范圍內(nèi).隨著距離的增加，加速度的數(shù)值在減少，而加速度數(shù)值在時(shí)程上的分布顯得更加平均，在測(cè)點(diǎn)3 與測(cè)點(diǎn)4的波形圖相對(duì)比較雜亂.圖7為不同測(cè)點(diǎn)垂向時(shí)程箱型圖，可見(jiàn)隨著距離的增加，垂向振動(dòng)衰減明顯，在測(cè)點(diǎn)2的峰值大小衰減為測(cè)點(diǎn)1的一半左右，測(cè)點(diǎn)3的峰值大小又衰減為測(cè)點(diǎn)2的一半大小，測(cè)點(diǎn)4 與測(cè)點(diǎn)3 并沒(méi)有很明顯的區(qū)別.

圖6 不同測(cè)點(diǎn)垂向時(shí)程圖

圖7 不同測(cè)點(diǎn)垂向時(shí)程箱型圖

3.2 頻域分析

圖8 為不同測(cè)點(diǎn)在垂向的頻域圖，由圖可見(jiàn)，隨著距離的增加，大于20 Hz的振動(dòng)衰減的速度比較快，而小于20 Hz的振動(dòng)衰減速度較慢.測(cè)點(diǎn)3 與測(cè)點(diǎn)4的頻域圖基本上是重合的，可見(jiàn)當(dāng)大于20 Hz的振動(dòng)已經(jīng)基本衰減的時(shí)候，依然有比較明顯的小于20 Hz的低頻波.

圖8 不同測(cè)點(diǎn)垂向頻域圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，比對(duì)地面交通、羅山路高架、磁懸浮高架與地鐵高架的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并比較磁懸浮附近不同距離的垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1）比較四種交通方式的振動(dòng)加速度數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，磁懸浮高架產(chǎn)生的振動(dòng)波形相對(duì)于其他三種波形較為集中，地鐵高架產(chǎn)生集中波形的數(shù)目大致與其車廂數(shù)目一致.羅山路高架與地面交通產(chǎn)生的波形類似，在數(shù)值上羅山路高架引起的振動(dòng)較大，而地鐵高架相較于其他三種交通方式會(huì)產(chǎn)生最大的振動(dòng)加速度.地面交通產(chǎn)生的三個(gè)方向的加速度數(shù)值大致相等，羅山路高架會(huì)在縱向產(chǎn)生比較小的振動(dòng)，而磁懸浮高架與地鐵高架在縱向的加速度數(shù)值略大.

（2）比較四種交通方式的振動(dòng)頻域圖可以發(fā)現(xiàn)，地面交通產(chǎn)生的振動(dòng)大都聚集在0～20 Hz 區(qū)間內(nèi)，磁懸浮高架產(chǎn)生的振動(dòng)聚集在65～85Hz 區(qū)間內(nèi)，地鐵高架產(chǎn)生的振動(dòng)聚集在30～60Hz 區(qū)間內(nèi)，三個(gè)方向沒(méi)有特別大的區(qū)別.羅山路高架的橫向與垂向分布比較均勻，且會(huì)在60 Hz 左右產(chǎn)生比較大的幅值，縱向振動(dòng)較小，只在25 Hz 左右會(huì)產(chǎn)生相較于另外兩個(gè)方向比較明顯的振動(dòng).

（3）比較不同距離的測(cè)點(diǎn)垂向加速度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)隨著距離發(fā)生衰減，并且小于20 Hz的振動(dòng)衰減速度比大于20 Hz的振動(dòng)小.當(dāng)大于20 Hz的振動(dòng)基本衰減結(jié)束時(shí)，依然有比較明顯的低頻振動(dòng).