張燕，鄭鑫，2，龐惟肖，李波

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所）

列車引起飽和土場(chǎng)地地面振動(dòng)實(shí)測(cè)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(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所）

為了研究列車經(jīng)過(guò)引起的環(huán)境振動(dòng)在飽和土場(chǎng)地的傳播特性，對(duì)濱洲（哈爾濱到滿洲里）鐵路大慶市龍鳳濕地段列車經(jīng)過(guò)引起軌道附近地面振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。通過(guò)振動(dòng)級(jí)通用方法計(jì)算得到線型臺(tái)陣各實(shí)測(cè)點(diǎn)三分之一倍頻程各中心頻率的加速度振動(dòng)級(jí)，對(duì)比研究客、貨兩類列車引起的振動(dòng)加速度幅值和加速度振動(dòng)級(jí)衰減關(guān)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(dòng)級(jí)逐漸減?。涣熊嚱?jīng)過(guò)時(shí)，在30 Hz～80 Hz頻段振動(dòng)加速度級(jí)增加；列車運(yùn)行速度對(duì)振動(dòng)加速度級(jí)的影響比載重和車廂數(shù)大。

地面振動(dòng)；加速度振動(dòng)級(jí)；飽和土場(chǎng)地

隨著人類社會(huì)發(fā)展，人口迅速增長(zhǎng)，人們出行引起的交通擁堵問(wèn)題越來(lái)越顯著，軌道交通作為解決交通不便、交通擁堵問(wèn)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(gè)角落。但是隨著軌道交通發(fā)展出現(xiàn)的環(huán)境振動(dòng)與振動(dòng)噪聲問(wèn)題也引起了人們的關(guān)注。日本作為振動(dòng)影響最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，1976年，吉岡修、Takemiya等[1]對(duì)新干線線路兩側(cè)的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查，分析了不同場(chǎng)地、不同地基條件下的地基土卓越周期、振動(dòng)的衰減規(guī)律、衰減關(guān)系。茅玉泉[2]通過(guò)一系列的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究了交通運(yùn)輸車輛引起的地面振動(dòng)特性和振動(dòng)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(dòng)的特性及其傳播規(guī)律。陳建國(guó)等[4]通過(guò)建立車—橋子系統(tǒng)模型和墩—土子系統(tǒng)模型對(duì)高架橋軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算。高廣運(yùn)等[5]在上海地鐵一號(hào)線進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，結(jié)合軌道加速度測(cè)試數(shù)據(jù)及車輛體系振動(dòng)方程，建立地鐵列車振動(dòng)模擬荷載的數(shù)定表達(dá)式，分析地鐵引起的地面振動(dòng)響應(yīng)。雖然對(duì)于軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)已經(jīng)有了大量的研究，但針對(duì)軌道交通引起季節(jié)性凍土區(qū)飽和土場(chǎng)地環(huán)境振動(dòng)的報(bào)道很少。為了探索季節(jié)凍土區(qū)飽和土場(chǎng)地的動(dòng)力特性，對(duì)2014年冬季觀測(cè)得到的不同類型車輛經(jīng)過(guò)引起環(huán)境振動(dòng)的加速度振動(dòng)級(jí)進(jìn)行對(duì)比研究，得到不同類型車輛引起凍飽和土場(chǎng)地環(huán)境振動(dòng)的振動(dòng)級(jí)衰減關(guān)系。

1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

為考察軌道交通引起季凍區(qū)飽和土場(chǎng)地振動(dòng)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(dòng)衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了垂直于軌道方向的10點(diǎn)線型衰減觀測(cè)臺(tái)陣。點(diǎn)位布設(shè)平面圖如圖1所示。

圖1 臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)的平面布置圖Fig.1The layout of the observed array

觀測(cè)臺(tái)陣的GPS坐標(biāo)為北緯46.509°，東經(jīng)125.149°。觀測(cè)區(qū)域地勢(shì)平坦，長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)。文章的觀測(cè)時(shí)間分別為2014年1月，觀測(cè)時(shí)室外溫度為-26攝氏度，凍土深度1.8 m。經(jīng)過(guò)臺(tái)陣的列車型號(hào)不同，有客車、貨車、單獨(dú)車頭等，對(duì)這些經(jīng)過(guò)車輛一一采集數(shù)據(jù)備用。以如圖2a、圖2b所示的客運(yùn)列車和貨運(yùn)列車為例進(jìn)行研究，其中客運(yùn)列車的平均運(yùn)行速度為121 km·h-1，車廂數(shù)為17，貨運(yùn)列車的平均運(yùn)行速度為55 km·h-1，車廂數(shù)為58。

2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1 各方向振動(dòng)最大加速度衰減

觀測(cè)儀器采用圖3所示的JM5842無(wú)線加速度觀測(cè)儀，按圖1所示臺(tái)陣布點(diǎn)，10個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)，同步記錄臺(tái)陣各點(diǎn)在列車通過(guò)時(shí)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(shí)程，采樣頻率為256 Hz。

a.觀測(cè)客運(yùn)列車

圖2 過(guò)往的客運(yùn)、貨運(yùn)列車Fig.2Passing passenger train and cargo train

圖3 JM5842加速度觀測(cè)儀Fig.3JM5842 acceleration testing instrument

振動(dòng)最大加速度衰減關(guān)系是指各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值與距軌道中心線距離的擬合曲線。客運(yùn)列車各點(diǎn)z方向加速度幅值和貨運(yùn)列車各點(diǎn)z方向加速度幅值見(jiàn)表1，其衰減圖形如圖4、圖5所視。

表1 客運(yùn)列車和貨運(yùn)列車的振動(dòng)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(cè)點(diǎn)處客運(yùn)列車的加速度幅值大于貨運(yùn)列車，這與列車運(yùn)行的速度有關(guān)；隨距離軌道中心線距離增加，振動(dòng)加速度幅值逐漸減小，y=30 m以后兩類列車引起振動(dòng)的加速度幅值衰減趨于平穩(wěn)。

圖4 客運(yùn)列車振動(dòng)加速度幅值衰減關(guān)系Fig.4The attenuation relationship of vibration acceleration amplitude caused by passenger train

圖5 貨運(yùn)列車振動(dòng)加速度幅值衰減關(guān)系Fig.5The attenuation relationship of vibration acceleration amplitude caused by cargo train

2.2 加速度振動(dòng)級(jí)衰減

軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)是復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)，它包含多種頻率成分。國(guó)際上通常用加速度來(lái)評(píng)價(jià)振動(dòng)強(qiáng)度[6]，加速度振動(dòng)級(jí)可定義為：

其中aref為振動(dòng)加速度基準(zhǔn)值，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)取10-6m/ s2[1]，arms為振動(dòng)加速度有效值（加速度有效值能較好反應(yīng)振動(dòng)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(jì)算振動(dòng)加速度級(jí)是國(guó)際通用的分析環(huán)境振動(dòng)的方法[7]。1/3倍頻程是指評(píng)價(jià)振動(dòng)時(shí)各頻率段的范圍，它不僅能夠獲得詳細(xì)的頻譜，而且每隔10個(gè)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(guān)系為上、下限頻率與中心頻率的關(guān)系為根據(jù)這些關(guān)系以及中心頻率求得上、下限頻率。根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得到客運(yùn)列車經(jīng)過(guò)產(chǎn)生振動(dòng)引起地表各點(diǎn)加速度級(jí)如圖6所示，得到貨運(yùn)列車經(jīng)過(guò)產(chǎn)生振動(dòng)引起地表各點(diǎn)加速度級(jí)如圖7所示。

圖6 客車經(jīng)過(guò)各點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)Fig.6Vibration acceleration level of passenger train passing

圖7 貨車經(jīng)過(guò)各點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)Fig.7Vibration acceleration level of cargo train

由圖6、圖7可見(jiàn)，隨著頻率的增加冬夏兩季的振動(dòng)加速度級(jí)整體呈上升趨勢(shì)，這與王福彤副教授的研究結(jié)果相似[9]；無(wú)論是客運(yùn)列車還是貨運(yùn)列車經(jīng)過(guò)引起的振動(dòng)在30 Hz～80 Hz頻段的振動(dòng)級(jí)高，25 Hz以下的各頻帶振動(dòng)級(jí)較小，距離軌道中心線30 m以后的點(diǎn)在頻率為16 Hz時(shí)，振動(dòng)加速度級(jí)較為突出；從y=10 m、y=20 m可以明顯看出客運(yùn)列車引起振動(dòng)的加速度級(jí)比貨運(yùn)列車高，不論從載重和車廂數(shù)來(lái)看，貨運(yùn)列車都高于客運(yùn)列車，唯有運(yùn)行速度低于客運(yùn)列車，說(shuō)明列車運(yùn)行速度對(duì)于振動(dòng)影響更為顯著。

3 結(jié)論

在對(duì)冬季飽和土場(chǎng)地軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)實(shí)際觀測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析客運(yùn)、貨運(yùn)兩類列車鉛垂方向的振動(dòng)加速度級(jí)，得到以下結(jié)論：a隨著距軌道中心線距離的增加，振動(dòng)的加速度級(jí)大體上呈衰減趨勢(shì)；b軌道交通荷載引起的環(huán)境振動(dòng)的振動(dòng)頻率集中在30 Hz～80 Hz；c列車運(yùn)行速度比列車載重、列車長(zhǎng)度對(duì)振動(dòng)的影響顯著。

［1］張昕.高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的實(shí)測(cè)和理論分析研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2002.

［2］茅玉泉.交通運(yùn)輸車輛引起的地面振動(dòng)特性和衰減［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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(dòng)實(shí)測(cè)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2011，30（5）：131-135.

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

［5］高廣運(yùn)，朱林圓，李衛(wèi)華，等.上海地鐵一號(hào)線人民廣場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試與分析［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2014，36（3）：429-433.

［6］崔高航.軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)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(xué)，2009.

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

［8］陳建國(guó)，高架軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)預(yù)測(cè)與參數(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009.

［9］王福彤.城市軌道交通地面振動(dòng)源的頻域反演［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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(xué)技術(shù)研究面上項(xiàng)目（12531441）；黑龍江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（E201330）。

張燕（1992-），女，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院2013級(jí)碩士研究生。

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