高速轨道交通引起饱和土场地环境振动评价方法分析

贾辰钰 郑 鑫* 解恒燕 郑春昱

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆163319）

饱和土场地的振动特性与其他单相介质场地完全不同。温度升高时，夏季的饱和土场地可以看作为双相介质，所以固相与液相两者之间的相互作用必须考虑在场地的振动之内[1]。随着社会迅速发展，交通、建筑，机械等引起的环境振动问题应运而生，尤其是轨道交通荷载引起的振动，这些振动对农田灌溉设施的影响一方面会造成农田灌渠的裂缝，使得灌溉水下渗，浪费水资源。另一方面会影响水库等结构安全，危及周边人的生命安全以及农田水资源的损失与浪费。因此，探究湿地附近的饱和土场地的动力特性、寻求高速轨道交通引起饱和土场地环境振动的评价方法至关重要。

1 现场观测

2019 年8 月中旬在哈- 大- 齐就快速客运专线龙凤湿地段进行了夏季的现场实测。观测所选的场地地势较为平坦并且临近大庆市龙凤湿地，视野开阔，有利于观测工作的进行。由于现场观测地理条件的优势，在高架桥桥墩上也一并布置了加速度振动观测仪。图1 为现场观测台阵布置图。

观测地点的GPS 坐标为北纬46.516°，东经125.168°。夏季时当天的观测温度为28℃。经过6 个测点构成的台阵列车型号为CRH 动车组列车，除采集场地振动信息外，还现场量测了列车通过观测场地的瞬时速度及平均速度。图2 所示为一上行方向（齐齐哈尔方向- 哈尔滨方向）动车组列车，其平均运行速度为244km/h，车厢数为8。图3 所示为一下行方向（哈尔滨- 齐齐哈尔方向）动车组列车，其平均运行速度为200km/h 车厢数为16。

图2 上行方向动车组

图3 下行方向动车组

黑龙江省大庆市龙凤湿地的土壤长期处于饱和状态，选取此地作为观测地更具代表性。饱和土指的是土壤内孔隙中完全充满水的土，依据《土工试验标准》，将饱和度大于85%且的土称之为饱和土。通过观测现场采取的饱和土样，经过实验室试验及综合分析，确定土样为饱和土。

2 高速轨道振动在饱和土中的传播

本文以图2 所示的高速列车为例，按观测地衰减台阵布置测点，6 个测点在列车经过时同时触发，设定采样频率为256Hz，记录了高速列车经过湿地饱和土可以引起水平向x 和y、铅垂向z 三个方向的振动，按照标准规定，本文主要研究列车运行引起的地面垂向振动[2]。

2.1 高速轨道引起饱和土振动加速度衰减规律分布

为了保证数据的完整性，本次现场观测计选择测量了20 组动车，测量动车从驶来至完全离去前后共10 秒的环境振动变化情况，然后经过相关软件进行分析处理，相对精准的截取动车经过时间的时程曲线，减少因人为操作而造成的误差[3]。图4 为距离轨道中心处观测各点z 方向加速度时程曲线图。

图4 各点Z 方向加速度时程图

根据图4 可以看出，各个测点的振动加速度能量幅值随着距轨道中心线距离的增加而逐渐表现出逐渐衰减的趋势。因此初步判断高速列车经过时引起的饱和土振动的影响范围在距轨道中心线40m 处。

图5 加速度振动衰减曲线图

现采取的控制标准为GB10070-88《城市区域环境振动测量方法》[4]，依据其规定的测量要求，选取各个测量点在同一方向各时程的最大值，以最大值的算术平均值为评价量，统计振动的衰减规律[5]。图5 给出了高速列车距轨道中心线距离的不同对应地面振动峰值加速度的衰减曲线变化。由此可看出，在高速列车保持相同速度条件时，峰值加速度均随着距轨道中心线距离的增加而逐渐减小，衰减均是先迅速之后缓慢，在距离轨道中心线20m 以内振动衰减相对较快，20m 以后振动的衰减逐渐变缓，在50m～60m 区间的距离范围内，加速度不但没有衰减，反而略有增大的反弹趋势现象，文献[6]给出了这一局部放大现象的形成机理。

2.2 饱和土振动加速度频谱分析

图6 夏季观测各点z 方向加速度功率谱

由图6 可见，在夏季观测饱和土的场地环境下，在距离轨道中心线30m 以内的范围，高速轨道振动的频率域主要能量聚集在0Hz-70Hz 区间内，随着距离轨道中心线的增加，环境振动的能量反而有所减弱。y=30m 以后10Hz-60Hz 高频段的能量迅速衰减，20-40Hz 的低频段上仍然有较为显著的能量聚集。在夏季饱和土融化状态下，y=40m 以后的高速轨道交通荷载对饱和土场地基本没有影响。

3 高速轨道交通引起环境振动评价方法

我国具有代表性同时目前国内采用最多的控制标准为GB10070-88 《城市区域环境振动标准》[7]以及配套的GB10071-88《城市区域环境振动测量方法》。此标准归属于环境质量控制标准。此标准的振动评价选取的指标为z 振级，标准中推荐的昼间时间为6：00-12：00，垂直于地面方向，记为VLz[8]。

振动加速度级、加速度与基准加速度之比以10 为底的对数乘20，记为VAL。单位为dB。根据定义，振动加速度级6：00-12：00 表达式为：

其中，arms为振动加速度的有效值，单位为m/s2。

a0代表振动基准加速度有效值，a0取值一般为1×10-6m/s2。

如表2 所示，依据振动环境功能区划，更提出了新的z 振级极限值，规定在各类区域建筑物室外0.5m 以内的振动敏感处放置的各测量点，并且标明了对于城市轨道交通与铁路振动的方面，测试评价量采取每类车通过的时程的最大振级VLzmax[9]。表1给出了其容许限值。

表1 GB10070-88 规定的城市各类区域Z 振级容许值

表2 GB10070-88 规定的城市各类区域Z 振级容许值

图7 各点的加速度振动级

根据图7 可知，随着频率的逐渐增加，z 振级总体呈上升的趋势，在距轨道中心线20m 的范围内，加速度振动级逐渐升高，距轨道中心线的距离大于20m 后z 振级的增加在逐渐变缓[10]。根据上图可看出，高速列车在通过时引起z 方向在30-90Hz 频段各1/3 倍频带的加速度振动级升高，在25Hz 以下的各频带振动级相对较小。在距轨道中心线30m 处VLz 为42.3dB，得出的结果同时满足文献[7] 中规定的铁路干线两侧区域地面振动Z振级限值80dB 的要求[11，12]。

4 结论

通过高速轨道交通引起饱和土场地环境振动现场实测各点的z 方向加速度时程幅值分析，给出了加速度幅值随着与线路中心线距离的衰减关系，分析结果表明，随着与轨道中心线距离的增加，高速轨道交通引起环境振动的能量幅值呈现出衰减的趋势，但在特定某点可能会出现加速度幅值局部放大的现象。分析了环境振动评价指标加速度振级中的z 振级VLz，根据各测点图中显示的结果，表明实测地面振动z 振级值随着距轨道中心线横向距离的增加而减小，且在距轨道中心线30m 处，z振级值满足《城市区域环境振动标准》中铁路干线两侧区域的限值要求。