场地条件对高速铁路地基土振动影响的研究1

刘厚毅 周 游 钟康明 周正华 李玉萍 董 青 王伟明 宋加密

（南京工业大学，交通运输工程学院，南京 210009）

引言

随着城市化进程的不断发展，现代城市的规模在不断扩张，振动引起的危害越来越受到人们的关注，振动被列为七大环境公害之一，问题日益突出。振动引起的危害，指振动对人类正常生活与工作、对周围建筑及精密仪器的正常使用所造成的不良影响。振动以波的形式在构造物中传递能量，并通过与构造物相连的其他物体继续传播。在轨道交通系统中，振动主要因列车运行时的轮轨相互撞击而产生，再由轮轨传到轨道的扣件和道床，经路基引发地基土振动。随着人们维权意识的增强，铁路引起的振动成为人们日益关注的严重环境问题。一方面，全球范围内铁路基础建设快速发展；另一方面，更灵活的铁路运营调度以及更重和更快的列车投入运营，特别是具有快捷、舒适、安全等特点的高速铁路，近年来在世界范围内得到了广泛的发展，不同于传统的低速轨道交通，高速列车对轨道和周围地面造成的影响有显著增加。与日益增长的振动环境相对应，人们对生活质量的追求却越来越高，环境振动水平超过人体所能承受的上限水平时，将会引起人体生理和心理的不良反应。因此，对高速铁路引起的振动问题应给予高度重视。

国内外学者对地面振动做了大量的实测与分析，对振动产生的机理、振动传播的影响因素和振动的传播规律等方面做了深入研究，并获得了一些成果。Auersch（2006）基于理论分析方法，探讨了不同支撑条件下梁模型的振动响应。Fujikake（1986）建立了高速列车-高架桥-地基土动力相互作用的分析模型，并就新干线高速列车对环境振动的影响进行了现场试验。

在中国，葛勇等（2010）对渝遂铁路CRH2高速列车引起的地基土振动进行了实测，应用正交经验模式分解法和Hilbert变换对地表的竖向振动加速度进行了频谱分析。陶夏新等（2002）、崔高航等（2008）和郑鑫等（2010）基于地震工程学原理，用地脉动台阵试验方法，对轨道交通引起的环境振动进行了现场测试和振源的模拟反演。周华飞等（2006）针对高速列车引起的环境振动问题，分别以移动线源非均布荷载和粘弹性半空间体模拟运动列车荷载和地基，分析了高速列车引起的地基土振动。谭燕（2011）实测了京津城际高架线、京广线等高速列车引起的环境振动并分析了其频谱特性，研究了振动传播及衰减的规律。马利衡等（2014）通过现场测试和数值分析，从时域和频域两方面分析了高速列车引起的环境振动特征和传播规律，发现振动传播过程中高频成分衰减迅速，低频成分衰减较慢。

相比之下，关于高速列车引起的地基土不同深度处的振动响应及其随深度衰减规律的研究工作相对较少。鉴于此，本文基于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类场地条件下的路堤式和高架桥式高速铁路地基土振动加速度响应测试数据，分析了不同场地条件下和不同路基形式的高速铁路地基土振动加速度随深度的变化规律。同时，通过对测试记录进行傅立叶变换，分析了高速列车引起的地基土不同深度处的频谱特征及其随深度变化的规律，以期为开展地基土低应变水平下的疲劳特征分析提供参考。

1 现场振动试验

高铁振动测试选择京沪高铁滁州至上海段，包括Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类场地，路基形式包括路堤式和高架桥式，其中滁州观测场地属于Ⅱ类场地、路堤式路基，观测点布置于距离轨道中心线20m处；无锡观测场地属于Ⅲ类场、高架桥式路基，观测点分别布置于轨道中心线正下方两桥墩中间处和桥墩外侧距离轨道中心线9m处；昆山观测场地属于Ⅳ类场地、高架桥式路基，测点布置于轨道中心线正下方两桥墩中间处。为避免其它因素产生振动干扰，测试场地均位于开阔田野段，附近无其它建筑和交通设施，周围较寂静，适宜开展测试。

测试仪器为5台24位三通道ETNA 2型数字强震动加速度仪，主要技术指标详见文献1ETNA 2数字强振动加速度仪性能规格与技术参数书.。现场测试采样率设置为200Hz，测试前对仪器进行了一致性检验，结果表明仪器具有很好的一致性。每个测试场地分别设置了4—5个深度（0m、1m、2m、3m、4m或5m）的测点，测试仪器的布设按照统一规定方向（水平向X：垂直轨道方向；水平向Y：平行轨道方向；竖向Z：竖向），把仪器放置不同深度处（钻孔底部使用预制好的水泥柱压实压平）并调平将其固定，用预制好的方体水泥块将仪器压实。采用触发记录模式，手动触发后5台仪器将同时记录，现场测试中记录了每台仪器的手动触发时间及高速列车通过的时刻，并用激光测速仪测试了各组列车通过测试现场的车速，同时观察了列车类型，便于后期数据处理时查阅参考。各场地测点布置示意图见图1。

图1 测点布设示意图Fig.1 Arrangement of measuring points

2 数据处理与分析

首先，对记录数据进行筛选，筛选出运行速度约300km/h、车型为CRH380AL并以16节车厢编组运行的列车经过时记录的振动加速度数据。

鉴于原始振动加速度记录存在一定的零位漂移，为了消除此零位漂移，对原始振动加速度记录at进行了零阶基线校正，具体处理步骤如下：

（1）依据无列车通过时间段内的加速度记录，计算得到加速度平均值a0。

（2）从有列车经过时记录的加速度记录at中减去加速度平均值a0，则得到无零位漂移的振动加速度记录时程。图2给出了滁州测试场地高速列车通过时不同测试深度处的振动加速度时程。

依据经基线校正过的列车通过时的振动加速度记录，确定了各次列车通过时不同深度测点的两水平向（垂直轨道水平向和平行轨道水平向）与竖向峰值加速度，并通过傅里叶变换得到了振动加速度记录的傅里叶振幅谱，为分析各场地振动加速度峰值及振幅谱随深度的变化特征提供依据。

图2 滁州测试场地不同深度测点三分量振动加速度时程曲线Fig.2 The acceleration time history curves of three component vibration at different depths in the Chuzhou test site

2.1 滁州测试场地

滁州测试场地为Ⅱ类场地、路堤式路基，列车以300km/h的速度通过测点时，地基土三分量振动加速度频谱曲线如图3所示，图4为多组列车经过时测得的三分量振动加速度最大值的平均值随深度的变化曲线。由于滁州测试场地地下4m处达强风化岩，因此该场地测试深度为4m，各测点的深度分别为0m、1m、2m和4m。

从图3可以看出，地表振动频带约20—70Hz，随着深度增加，频带逐渐变窄，约20—60Hz，而各测试深度处的优势频率约为30Hz；在0—1m深度内，三分量振动频谱幅值迅速衰减；随着深度的增加三分量振动频谱幅值衰减逐渐变缓；此外，随着深度的增加，高频振动较低频振动衰减快。

图3 滁州测试场地不同深度测点三分量振动加速度频谱曲线Fig.3 The acceleration spectrum curves of three component vibration at different depths in the Chuzhou test site

图4 滁州场地三分量振动加速度峰值随深度变化曲线Fig.4 The peak curves of three component vibration acceleration at different depths in the Chuzhou test site

由4图可知，滁州场地在同一位置处，垂直轨道方向、平行轨道方向和竖向振动加速度总体均随深度的增加呈逐步衰减的趋势，并且由地表至地下1m深时振动幅值衰减较快，随着深度增加，振动幅值衰减变缓。在0—1m深度内，垂直轨道水平向振动加速度幅值衰减约66%，平行轨道水平向加速度衰减约65%，竖向加速度幅值衰减约55%，显示出垂直轨道水平向和平行轨道水平向加速度幅值衰减较竖向快；在1—4m深度内，水平向加速度衰减约17%，竖向加速度衰减约17%，水平向与竖向衰减速率相近。上述特征在图2中也有体现。

2.2 无锡测试场地

无锡测试场地为Ⅲ类场地、高架桥式路基，高架桥高度约10.5m。测点布设在桥墩外侧距离轨道中心线9m处。列车以300km/h的速度通过测点时，地基土三分量振动加速度频谱曲线如图5所示，图6为多组列车经过时测得的三分量振动加速度最大值的平均值随深度的变化曲线。

图5 无锡测试场地不同深度测点三分量振动加速度频谱曲线Fig.5 The acceleration spectrum curves of three component vibration at different depths in the Wuxi test site

图6 无锡场地三分量振动加速度峰值随深度变化曲线Fig.6 The peak curves of three component vibration acceleration at different depths in the Wuxi test site

由图5可以得出，地表振动频带约10—60Hz，优势频率约42Hz，在1m深处频带变宽，约10—80Hz，但谱值较地表小。随着深度进一步增大，振动频带变窄，为10—60Hz，但谱值随深度衰减很小。总体上，不同深度处振动优势频率基本接近。

由图6可以看出，对于无锡测试场地，垂直轨道水平向、平行轨道水平向和竖向加速度峰值总体均随深度的增加而逐渐衰减，由地表至地下1m衰减明显较快，且垂直轨道水平向加速度峰值衰减最快，其次是平行轨道水平向，竖向最慢。随着测试深度进一步增加，三分量加速度峰值衰减逐渐变慢，平行轨道水平向和竖向加速度峰值在3m深处略有放大，垂直轨道水平向加速度峰值在2m深以下基本无衰减。各测点加速度峰值平均值的定量分析表明，深度0—1m内，垂直轨道水平向加速度峰值衰减约70%，平行轨道水平向加速度峰值衰减约54%，竖向加速度峰值衰减约24%，两水平向衰减明显快于竖向；深度1—2m内，三分量加速度峰值衰减变缓，垂直轨道方向加速度衰减约7%，平行轨道方向加速度衰减约10%，竖向加速度衰减约3%。测试深度为2—5m时，三分量加速度峰值变化趋势表现不同，平行轨道水平向和竖向加速度峰值呈现先增加后逐渐变小的趋势（3m深相对2m深的平行轨道水平向峰值增加约5%、竖向峰值增加约6%，5m深相对3m深的平行轨道水平向峰值减少19%、竖向峰值减少约14%）；然而，垂直轨道水平向加速度峰值变化很小，5m深处的峰值相对于2m处仅减少10%。

2.3 昆山测试场地

昆山测试场地为Ⅳ类场地、高架桥式路基，高架桥高约10m，测试场地深1.5—5m处为淤泥与淤泥土。测点布设在轨道中心线正下方两桥墩中间处。列车以300km/h的速度通过测点时，地基土不同深度处三分量振动加速度频谱曲线见图7。鉴于昆山测试场地地基土振动响应在一定深度处明显放大，为了对比分析，在无锡测试场地与昆山测试场地相同位置处进行了补充测试，以便更好地分析下伏软弱土层对地基土振动响应的影响。此工况的无锡测试场地三分量振动加速度频谱曲线见图8，图9和图10分别为昆山段和无锡段多组列车经过时测得的三分量振动加速度最大值的平均值随深度变化的曲线。

对于昆山场地，垂直轨道水平向、平行轨道水平向和竖向振动加速度峰值在0—1m深度范围内均随着深度的增加而逐渐衰减，但衰减较慢；在1—5m深度范围内，三分量振动加速度峰值较地表和1m深处有所放大，且表现为1—3m放大效应逐渐变大，3m深度处加速度峰值最大，随后深度增加放大效应逐渐变小。地表至1m深范围内，垂直轨道水平向和平行轨道水平向加速度峰值相对于竖向衰减较快，两者均衰减约30%，而竖向衰减约5%；1—3m深度范围内，三分量振动加速度峰值增加，但变化趋势存在差异，平行轨道水平向加速度峰值增大约67%，垂直轨道水平向加速度峰值增大约95%，竖向加速度峰值增大约120%，由此可以看出，竖向振动加速度峰值增大效应明显大于两水平向，且垂直轨道水平向大于平行轨道水平向。而相同测试工况下，无锡场地所测得的振动加速度峰值随测试深度的变化特征（图10）则完全不同于昆山测试场地。相对于无锡测试场地，昆山测试场地下伏有淤泥和淤泥质土，表现出的放大效应可能是软弱土层所致。从定性的角度分析，由高架桥桩传递至软弱土层下伏土层的振动向上传播，经软弱土层会产生放大，并与地表传至软弱土层的振动叠加，从而导致振动幅值变大。

由图7可以看出，地表振动频带为3—43Hz，优势频带为30—40Hz，随测试深度的增加，40Hz以上高频分量的振动增强，优势频率先变高随后变低，其谱值总体呈增加的趋势。

图7 昆山测试场地不同深度测点三分量振动加速度频谱曲线Fig.7 The acceleration spectrum curve of three component vibration at different depths in Kunshan

图8 无锡测试场地两桥墩中间处不同深度测点三分量振动加速度频谱曲线Fig.8 The acceleration spectrum curves of three component vibration at different depths between two piers in the Wuxi test site

图9 昆山段三分量振动加速度峰值随深度衰减曲线Fig.9 The peak curves of three component vibration acceleration at different depths in the Kunshan test site

图10 无锡段三分量振动加速度峰值随深度衰减曲线Fig.10 The peak curves of three component vibration acceleration at different depths in the Wuxi test site

对比无锡测试场地2次测试结果可知，无论是振动加速度幅值还是其频谱随测试深度的变化（图5与图8，图6与图10），总体趋势基本近似，只是由于观测位置的不同，导致了幅值上的差异。

3 结论

为研究高速列车运行引起的路基地基土振动水平随深度的变化特征，本文选择3种不同场地类型及路基形式的工程场地，进行了高速列车运行引起的振动加速度测试，在此基础上，分析了地基土振动加速度幅值及频谱随深度的变化特征，结果表明：

（1）对于不同类型、不同路基形式的场地，在0—1m深度范围内振动加速度幅值均表现为逐渐减小的趋势，但衰减速率有一定的差异，Ⅲ类场地衰减最快，Ⅱ类场地次之，Ⅳ场地衰减最慢。

（2）1m深度以下，随着深度的增加，3类场地加速度幅值变化特征显著不同，Ⅱ类场地仍逐渐减小，衰减较0—1m深时慢；Ⅲ类场地总体呈现逐渐减小趋势，但在3m深处略有放大；对于Ⅳ类场地，2m及以下深处的振动加速度峰值比地表和1m深处更高，深度由2m增加到5m，振动加速度峰值先逐渐增大，在3m深处达到最大，继而相对3m深处的振动水平逐渐减小，但其加速度峰值仍较地表处高。

（3）振动加速度峰值随深度衰减的规律基本相似，均表现出水平向振动衰减较竖向振动衰减快，而对于两水平分量，垂直轨道水平向振动衰减略快于平行轨道水平向。

（4）对于昆山Ⅳ类场地，在深度大于1m后振动加速度峰值放大的趋势表现为竖向放大高于垂直轨道水平向与平行轨道水平向，且垂直轨道水平向略高于平行轨道水平向。

（5）高速列车运行引起的振动频带，其随深度变化的特征与场地相关，Ⅱ类场地处随深度增加振动频带逐渐变窄，谱值较地表小，优势频率差异不明显；Ⅲ类场地处随深度增加振动频带表现为先变宽继而变窄，谱值较地表小，总体上不同深度处振动优势频率基本接近；Ⅳ类场地处随深度增加振动频带逐渐变宽，优势频率先变高随后变低，其谱值总体呈增加的趋势。

（6）对于昆山测试场地，下伏淤泥和淤泥质土层可能是引起2m及以下深度处振动水平放大的主要原因。