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)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275)

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高速列車引起的地基土振動研究綜述

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)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275)

對高鐵所引起的地基土振動的研究已有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)境振動污染備受關(guān)注，有必要對前人的研究成果進行系統(tǒng)總結(jié)。對地基土振動進行現(xiàn)場實測要遵循恰當(dāng)?shù)倪^程和方法，才能保證實測數(shù)據(jù)的可靠性。在數(shù)據(jù)分析前，需要對數(shù)據(jù)進行背景壓縮和濾波等必要的預(yù)處理。對數(shù)據(jù)的分析，建議采用“三分之一倍頻有效振級譜”的方法，該方法可以實現(xiàn)對振動數(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特性，并提出了需要進一步深入研究的問題。

地基土振動；高速列車；分析方法；振動特性

0 引言

高速列車已經(jīng)成為現(xiàn)代交通系統(tǒng)中越來越重要的一部分。它在帶來巨大的便利的同時，也帶來了如噪音和振動等環(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]，振動會影響人體的健康并且導(dǎo)致建筑物的破壞。如今，隨著列車的進一步提速，其所引起的振動級別也顯著提升，振動影響越發(fā)嚴(yán)重。

國內(nèi)外已有不少的學(xué)者對高速列車所引起的地基土振動進行了研究。英國諾丁漢特倫特大學(xué)的Victor V. Krylov[2-4]是首位研究高鐵所引起的地基土振動的學(xué)者。日本學(xué)者如Kaynia[5]、Takemiya[6-7]等，也對新干線高速列車所引起的地基土振動進行了大量的研究。類似的工作在歐洲其他地區(qū)和臺灣也有開展。在我國，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，我國如今已是全世界擁有最長的高鐵線路里程的國家，而且我國的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，這也對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[15-17]等，已經(jīng)開始越來越關(guān)注高速列車所引起的環(huán)境振動問題，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)存在著以下幾個方面的問題：

(1) 場地實測的過程和方法不完善。如測點的布置隨意性大：有的測點布置過于稀疏，未能完整反映振動強度的變化特性，可能導(dǎo)致無法表現(xiàn)出振動放大區(qū)；有的測點布置范圍太遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離處高鐵所引起的地基土振動幅度已經(jīng)很小，研究價值不大，反而會對研究的分析形成干擾。合理的測點布置應(yīng)根據(jù)振動波的衰減特性和地基土的分布特征進行布置：在近場振動強度變化大處加密，在遠(yuǎn)場振動強度變化小處稀疏；在土性變化處加密，在土性均勻處稀疏。同樣的，現(xiàn)場實測過程中儀器的安置、采集參數(shù)的設(shè)置等都需要得到進一步的規(guī)范。

(2) 缺少對實測數(shù)據(jù)進行合理的預(yù)處理。傳感器的不穩(wěn)定性以及背景噪聲等因素常常會對實測原始數(shù)據(jù)造成信號干擾，所以需要進行合理的預(yù)處理，使數(shù)據(jù)能夠真實反映地基土的振動特性。然而，現(xiàn)有的文獻對此少有提及。

(3) 分析方法的有效性。對于不同的研究領(lǐng)域和研究目的，不同學(xué)者對振動數(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譜”法可以實現(xiàn)對振動波的全面分析，能較全面地反映地基土振動的總體特性。所以建議研究者在進行分析時，可以先以該方法為基礎(chǔ)，對所研究場地的地基土振動特性進行全面的評價，再根據(jù)研究目的的不同，結(jié)合特定的方法，對振動的某些特性進行詳盡的分析。

出現(xiàn)以上問題的原因可能是部分研究者的實測經(jīng)驗不足或?qū)σ延醒芯砍晒J(rèn)識不夠深刻。為此，在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地介紹了對地基土振動進行現(xiàn)場實測的過程和方法，對振動數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的方法，以及對振動數(shù)據(jù)進行分析的方法。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的主要特性，方便研究者與自己的研究成果進行對比驗證。最后，提出了需要進一步深入研究的問題。

1 現(xiàn)場實測方法

1.1 測前場地數(shù)據(jù)獲取

場地數(shù)據(jù)主要包括列車的動力參數(shù)和地基土的特征參數(shù)這兩大部分，它們都與高速列車引起的地基土振動特性息息相關(guān)。

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

表1 世界現(xiàn)行部分高速列車的主要參數(shù)

圖1 測試場地剖面圖

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、動彈性模量、剪切波速、衰減系數(shù)這6個參數(shù)。首先，應(yīng)采用地質(zhì)鉆孔勘探的方法，勘察土的類型和各土層的埋深?？碧降慕Y(jié)果將會生成一個場地剖面圖來反應(yīng)土層在橫向和垂向上的分布以及各個土層的類型，如圖1所示。

進一步還需要通過室內(nèi)土工試驗來測量土壤的靜彈性模量，泊松比和土粒密度。對于土的動彈性模量、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)驗值來代替。本文對常見地基土的這些特性進行了相應(yīng)的總結(jié)，見表2[19-21]。

表2 常見地基土的動力特性

1.2 地基土振動測量

在地基土振動的測量中，一般采用振動速度測振儀或者振動加速度測振儀。振動速度直接與振動的能量相關(guān)(E=1/2mv2)反映了振動級別的大小。振動加速度則與作用力成正比例關(guān)系(F=am)，反映了列車振動的動力響應(yīng)。振動速度和振動加速度可通過微積分進行相互變換。本文中以振動速度為例進行說明。地基土振動實測的過程主要包括3個步驟，分別為測點布置、儀器安置和參數(shù)設(shè)置。

測點的布置應(yīng)采用變間距法。根據(jù)現(xiàn)有研究的結(jié)果，振動在10 m內(nèi)隨距離的增加衰減較快，隨后衰減變緩，普通場地30 m外的振動基本就很微弱，接近本底振動。所以有必要在近場處加密測試點位而在遠(yuǎn)場處稀疏點位。對于土性均勻的場地，建議水平向的測振距離為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)振動異常，表現(xiàn)為局部振動放大現(xiàn)象，所以應(yīng)在土性變化處加密測點。垂向點位的設(shè)置應(yīng)該根據(jù)土層的分布來確定，盡量將點位設(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特性。

測量儀器的安置，應(yīng)采用“一平二定三固”的方法。一平指首先應(yīng)平整場地，清除地基土表面的碎屑。二定指使用羅盤測定測振儀的方向并且保持測振儀水平。需要注意的是，由于測振儀的測頭一般都帶有磁性，會對羅盤造成干擾，所以應(yīng)先用羅盤定好方位，在點位處做好標(biāo)記再放置儀器。三固指的是對測振探頭進行固定，要求將探頭的1/3～1/2埋到土中，并適當(dāng)進行壓實。對于無法挖埋的硬質(zhì)場地，可以使用石膏拌水進行固定。

測振儀參數(shù)的設(shè)置主要為采樣頻率和采樣時間這兩個參數(shù)。高速列車的通過時間一般小于10 s，所以采樣時間建議設(shè)置為20 s，保證5 s的提前量和5 s的滯后量來采集前背景振動和后背景振動。根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率是原始信號最高頻率的兩倍的時候，采樣得到的數(shù)字信號可以完整地保留原始信號的信息。在實際應(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 高速列車所引起的地基土振動的信號

實測結(jié)果將獲得一系列記錄了振動速度的時間序列數(shù)據(jù)。如圖2所示，為某一次振動所采集的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

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

背景振動指的是除了所要檢測的振動(主振動)外的其余振動。它會疊加到主振動上引起振動信號的放大，所以必須進行背景壓縮來恢復(fù)高鐵振動的真實值。壓縮算法為

(1)

式中，F(xiàn)(t)為測量得到的以時間為序列的振動數(shù)據(jù)；Bmax為背景振動速度的最大值；Vmax為所采集振動信號的最大值。

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

圖3 背景振動壓縮前后對比

大量研究表明，高速列車所引起的地基土振動的主要頻率在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)會對振動信號形成較大的干擾。較低頻成分，也稱為直流分量，主要是測量過程中儀器誤差所產(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，振動信號將會偏離基線，偏移量會隨時間的增加而增加，形成所謂的滑移現(xiàn)象[22]。如圖4(a)所示，在進行積分之后，積分值急劇地增加。這種滑移現(xiàn)象將會使計算的振動級別變大，影響對振動能量的真實評價。圖4(b)則為進行低頻濾波處理后的積分，可以看到積分值隨基線對稱地上下波動，滑移現(xiàn)象基本消除。雖然較高頻成分主要是由高速列車所產(chǎn)生的[23]，但可以對高頻成分不予關(guān)心，因為高頻成分不會對人體或建筑物產(chǎn)生顯著的影響。但高頻成分會使振動波產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象而不平滑，如圖4(c)所示。圖4(d)為進行高頻濾波處理后的振動波，可以看到毛刺現(xiàn)象被消除，振動波譜變得光滑。

濾波處理主要通過傅里葉變換(FFT)和逆傅里葉變換(RFFT)實現(xiàn)。首先通過快速傅里葉變換將振動信號從時域轉(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)換回時域，就完成了濾波的過程。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)對比

對數(shù)據(jù)進行預(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，另一方面還能對數(shù)據(jù)進行初步的檢驗。如果對數(shù)據(jù)進行預(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 振級分析

評價振動級別的指標(biāo)主要有最大振動速度、平均速度、有效速度(計算均方根值)等。其中以有效速度為基礎(chǔ)的“三分之一倍頻有效振級譜”法[24-25]，可以較好地對振動級別進行分析和評價。有效振級是通過計算均方根值，并將計算結(jié)果進行對數(shù)處理。均方根值反應(yīng)了振動能量的大小，對數(shù)處理則可以使計算結(jié)果易于比較。三分之一倍頻處理可以使數(shù)據(jù)簡化集中到研究所關(guān)心的幾個中心頻率上。這種方法可通過以下幾個步驟實現(xiàn)[25]。

(1)使用快速傅里葉變換將時域數(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為進行快速傅里葉變換的截止時間長度。

(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個中心頻率，頻率值將會增加一倍。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)點的數(shù)目。

(5)

圖5 三分之一倍頻有效振級譜

(5)計算各個中心頻率處的振級，單位為dB

(6)

一般參考速度為:σ0=2.54×10-8m/s。

(6)計算總的振級

(7)

圖5為一計算實例，從圖5中可以很清楚地看出振動波在不同頻率處的振動級別。

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

(1)主頻分析。找出不同距離點位處振動的主要頻率，分析它們的分布特征。

(2)振動強度衰減特性分析。以點位距離為橫坐標(biāo)，振級為縱坐標(biāo)，統(tǒng)計所有點位的總振動級別的大小，可以得到一條振動能量的衰減曲線。進一步可以通過數(shù)學(xué)函數(shù)來擬合這條曲線，從而建立相應(yīng)的振動強度衰減模型。

(3)振動頻率衰減分析。通過對比不同點位處的主要頻率，可以發(fā)現(xiàn)振動波在頻率域的衰減特性。

(4)列車車速影響分析。通過對比不同車速的“三分之一倍頻有效振級譜”，可以分析振動特性隨車速增加的變化。

3 對現(xiàn)有研究成果的主要認(rèn)識

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

(1)振動在頻率域的分布特性。振動頻率主要分布在0～100 Hz[15]的頻率域內(nèi)，并且可以將其細(xì)分為3個次級區(qū)間，分別為0～10 Hz(低頻)、10～40 Hz(中頻)，40～100 Hz (高頻)。在這3個區(qū)間內(nèi)通常會分別存在3個振動峰值。

(2)振級隨車速增加而變化的特性。 在車速較低時，振動的級別只會隨著車速的增加而平穩(wěn)地增加[23]。但當(dāng)車速超過某些臨界速度之后(瑞利波速和軌道臨界速度)，振級將會隨著車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，隨著車速的增加，頻譜將會向高頻率的方向滑移[7]。

(3)振動波在地基土中的衰減特性。 振動波的強度會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的頻率有關(guān)[29]。振動強度受到地質(zhì)條件的影響較大，振動在較軟的地基土中要比在較硬的地基土中強烈得多，而且在軟土中傳播的距離也更遠(yuǎn)。 在傳播過程中，高頻成分較容易衰減，在遠(yuǎn)場區(qū)域，主要為低頻成分的振動波。

(4)振動的異常放大現(xiàn)象。 振動的異常放大現(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)振動波從較硬的地基土中傳播到較軟的地基土中時，較軟的地基土未能及時響應(yīng)傳遞來自較硬地基土中的振動，導(dǎo)致振動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，振動波在不同土層傳播時會發(fā)生反射，反射波在某些點位疊加而產(chǎn)生振動放大。振動放大主要發(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 需要進一步深入研究的問題

雖然對高鐵引起地基土振動的研究已經(jīng)取得了不少成果，但仍存在一些需要進一步研究的問題。

(1)當(dāng)高速列車在山體隧道中運行的時候，振動波將會從一個較寬的底部(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)造面都會嚴(yán)重影響振動的傳播。受山體地形起伏的影響，測點布置難度較大，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仍需較好的方法來進行研究。

(2)當(dāng)高速鐵路穿過高速公路或地鐵線路的時候，來自不同振動場的振動波將會疊加放大，造成意想不到的傷害。高鐵與地鐵或高速汽車的交會概率較小，需要長期監(jiān)測才能獲得足夠的數(shù)據(jù)，而且，高鐵所引起的地基土振動振源屬于樁基振動，而地鐵屬于地下振動，兩者的疊加會造成分析的困難。數(shù)值模擬則會由于多場振動的存在和土的彈塑性模型的建立，使得求解過程難以收斂。

(3)雨水的影響。雖然在暴雨天氣，高速列車會減速運行或停運，但暴雨過后，某些地勢低洼處會有積水。水位上升會導(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。振動波在土水多相介質(zhì)中的傳播機理還不清楚，可能會產(chǎn)生超孔隙水壓力而導(dǎo)致地基承載力進一步下降。而且，在雨水場地，測振儀器難以安置，測量結(jié)果可靠性低。

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

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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，主要從事土動力學(xué)與環(huán)境振動的研究。E-mail：870657385@qq.com

TB535

A

2095-0373(2016)04-0040-07

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