黄土区高墩路基车辆行驶引起环境振动影响研究

李建伟 汪潇潇 黄德富 张程伟 王双现

(1.中国建筑第六工程局有限公司，天津 300450； 2.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；3.三门峡市国道三一零南移项目建设管理有限公司，河南 三门峡 472000)

0 引言

车辆行驶过程中会产生振动荷载，在路基中产生弹性波，弹性波向四周传播，从而对周边建(构)筑物、土体中产生振动响应。振动的长期作用不仅会引起地基土沉降、道路路面结构变形损伤等一系列影响结构服役性能及行车舒适度、安全性的问题，车辆行驶过程中产生的振动污染还会给居民生活带来负面影响，人们长期生活在振动环境中，会产生疲劳、精神衰弱等问题，进而影响身体健康。已有研究表明，车辆行驶速度、振源距离等因素影响了振动的产生和传播，进而对周边土体动力响应产生影响，研究这些因素的影响规律关系到道路工程方案设计，能为减速带的设置以及行车舒适性提供一定参考，同时能为道路工程设计及运营维护提供一定参考。

近年来，随着黄河流域生态保护与高质量发展上升为国家战略，黄河流域得到了快速发展。在黄河中上游地区分布着大量黄土，黄土作为一种特殊土，在车辆行驶等振动荷载作用下极其容易产生沉陷导致路面开裂甚至形成裂缝。车辆荷载作为一种作用时间较短、荷载较小的动力荷载，与传统振动相比具有不同的传播特性，由此产生的振动影响范围很广, 甚至可能造成结构破坏，地面振动水平取决于车辆速度、振源距离等多种因素。

我国黄土地区新建了大量高墩快速路，在车辆行驶荷载作用下，产生的环境振动问题日益突出。由于部分城市道路的路面维护不及时，路面坑洼较多，以及为减少交通事故发生不得不设置减速带，车辆经过路面坑洼或减速带时，车辆振动较大，从而对周边环境产生较为严重的振动污染问题。

目前对于车辆行驶引起环境振动的研究主要集中在地面动力响应特征以及不同因素对地面动力响应的影响。茅玉泉[1]选择京广线和陇海线各两处良好地段进行现场实测，获得了不同类型车辆在不同路基、不同路面、不同车速、不同载重及刹车等情况下的地面振动衰减曲线，并分析了地面振动特性。姚海林等[2]将汽车在不平整路面行驶产生的动荷载看作作用在Kelvin地基上无限大路面板表面的移动矩形荷载，分析了荷载速度、路面不平整情况以及地基阻尼和地基刚度对路面板的动力响应的影响。袁新敏等[3]对武汉市某繁忙交通干道进行振动测试，得到了测试路段在汽车通过时的环境振动数据，并对典型测点进行了频谱分析。李皓玉等[4]采用二自由度1/4汽车悬架模型模拟汽车系统，计算分析了行车速度、悬架刚度、悬架阻尼、轮胎刚度和轮胎阻尼五个参数对沥青路面动力响应的影响。张文星等[5]以福州大学旗山校区为试验场地进行现场实测，采集了车辆以随机速度通过橡胶减速带产生的振动加速度信号，并对测试结果进行精度分析得到车辆通过减速带产生振动信号的特性。目前国内外对于车辆行驶引起环境振动的研究内容颇丰，但黄土高墩路基下车辆行驶引起的环境振动较少，尤其是车速和振源距离对环境振动影响的分析。本文以黄土区高墩路基下车辆在道路上行驶产生的周边环境振动为研究对象，采用现场实测方法，研究分析了车辆行驶速度、距激振源距离等因素对地面振动的影响规律。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

国道310洛三界至三门峡西段南移新建工程一项目分部所辖段落位于河南省三门峡市境内，线路自东向西，全长27 km，起止桩号K7+800～K34+800，全线路基挖方287万m3、填方262万m3、包含大桥5座、中桥3座、天桥7座、立体交叉4座、涵洞29道、通道21道、互通2座。

本项目40 m以上高墩柱共有11个，全部为薄壁空心墩，分别为方沟大桥6号、7号、8号、9号、10号、L11号墩，最高墩为方沟大桥L6号墩，墩高52.5 m，桥墩全部使用翻模法施工。

方沟大桥位于方沟村东南约500 m，中心桩号ZK7+895/YK7+915，本桥跨越深沟，全桥共4联(4×40)m，桥面宽度为2×11.13 m，桥梁全长648 m；上部结构采用预应力混凝土(后张)T梁，先简支后连续；下部结构桥台采用肋板台， 6号～11号桥墩采用薄壁空心墩，其余桥墩采用柱式墩，墩台采用桩基础。方沟大桥所处地形复杂，为深沟峡谷中，地面起伏较大，深沟中墩柱较高，最高达到52.5 m。

1.2 工程地质条件

国道310洛三界至三门峡西段南移新建工程经过黄土高原地带，沟壑纵横，该区域多为湿陷性黄土，黄土成因复杂，主要以风积和冲洪积砂质黄土为主，具有黏聚力弱、湿陷性强烈及含水率低等特点，黄土厚度多在10 m～25 m，局部湿陷厚度可达50 m。经过检测，黄土的湿陷系数大于0.070，湿陷性很强烈。

2 现场实测研究

2.1 测试场地

本文选择的测试场地位于方沟大桥深沟中墩柱周围附近，测试道路路面为沥青路面结构。在测试开始之前进行现场实地调研，包括路面情况、交通特点等。实测时汽车最大行驶速度为80 km/h，具体试验方案如表1所示。

表1 测试方案

2.2 测试方法

本文振动测量采用意大利MOHO公司生产的地脉动仪TROMINO，TROMINO是一种小型的一体化振动采集仪器，配备有9个通道：3个通道连接到3个正交电动速度计，3个通道连接到3个正交数字加速度计可以测量频率在[0.1,1024] Hz范围的10-6mm/s级的速度和10-6g级的加速度。信号采集时，振动信号被转换成数字信号保存在存储器中，可以使用专业软件Grilla将其导出。

本文主要对采样得到的信号进行时域分析和频域分析，为了明确汽车行驶产生的振动，选择较为安静的路段进行试验，同时采集相同条件下无试验汽车经过的路面振动信号作为背景振动，将此背景振动数据与试验汽车经过时采集的振动数据进行对比分析。

不同的国家、不同的标准对于振动强度的评价指标有所不同，其中主要包括振动速度(加速度)峰值、振动速度(加速度)最大值、振动速度(加速度)有效值等。对于车辆行驶产生的短暂性振动，主要使用反映振动的最大幅值的指标。除此之外，振动加速度级VAL和速度振级LV等可以用来评价振动强度。

3 测试结果及分析

汽车以20 km/h,50 km/h和80 km/h速度行驶通过时测点B处(离汽车行驶轨迹水平距离为3.2 m)的地面振动速度时频曲线如图1,图2所示。

由以上振动速度时程曲线可以看出，汽车在道路上行驶时地面产生的振动速度与地面背景振动速度有较大差异，这表明汽车行驶对周围环境产生振动影响。为了进一步分析汽车通过减速带引起地面振动的时域特性，利用MTLAB编制程序计算得到不同测点处汽车以不同车速通过时引起的地面振动速度最大值，具体如图3,图4所示。

由图3可以看出，在点A和B处测量得到汽车通过时地面产生的竖向振动速度幅值最大，在点C处测量得到汽车通过减速带时地面产生的竖向振动速度幅值远大于Y方向振动速度幅值，且仅略小于X方向振动速度幅值，表明汽车经过时产生的振动以竖向振动为主；在测点A,B和C处汽车以20 km/h,50 km/h和 80 km/h速度行驶通过减速带时地面产生的水平振动速度和竖向振动速度都依次增大，表明了在一定范围内，汽车行驶通过减速带的速度越大，地面产生的振动速度越大。

由图4可知，汽车以相同速度行驶通过时，与汽车距离不同的测点处产生的水平和竖向振动速度幅值大小不同，水平向振动速度幅值随距离的变化规律不明显，而竖向振动速度幅值随着距汽车距离的增大呈现出衰减的趋势。

从以上所有振动速度频程谱曲线可以看出，无汽车经过时地面背景振动速度频率和汽车通过时引起的地面振动速度频率都集中在100 Hz以下。

对比图3，图4可知，汽车以20 km/h行驶通过时各测点振动速度的优势频率如表2所示，各优势频率段对应的速度幅值如表3所示。

表2 20 km/h行驶时各测点振动速度的优势频率

表3 各优势频率段对应的速度幅值

将表2，表3数据与背景振动进行对比可以看出，汽车通过时引起地面水平向振动和竖向振动的频率为0 Hz～20 Hz和0 Hz～40 Hz。表2，表3数据表明，水平向振动在向远处传播时高频部分和低频部分都呈现出衰减的趋势，但高频部分衰减快，低频部分几乎衰减不明显，竖向振动向远处传播时呈现出衰减趋势，但衰减速度很小。

无汽车经过时地面环境背景振动速度时程曲线的1/3频程谱分析如图5所示，汽车以50 km/h速度行驶通过时测点A,B和C处(离汽车行驶轨迹水平距离为1 m,3.2 m和7.2 m)的地面振动速度1/3倍频程谱曲线如图6所示。

由图5,图6可知，汽车在道路上行驶引起的地面振动中，竖向振动幅值大于水平向振动幅值，频率为10 Hz的振动部分对地面的振动影响均较大，此频率既不是人体最敏感的振动频率也几乎不会与人体器官发生共振，各测点量值均小于GB 50868—2013建筑工程容许振动标准给出的建筑物内人体舒适性的容许振动速度值，这表明汽车在城市道路上正常行驶时产生的振动满足人体舒适性要求。此外，随着距激振源距离的减小，竖向振动幅值呈现出增大的趋势。

4 结论

本文以黄土区高墩路基为对象，通过对车辆行驶引起的地面振动情况进行现场测量，研究分析了车辆行驶速度、距激振源距离等因素对地面振动的影响规律，得到以下结论：

1)汽车在城市道路上行驶经过时地面产生的振动以竖向振动为主，水平向振动和竖向振动量级大小相同，且行车速度越大，振源距离越小，地面产生的振动越大。

2)汽车行驶时地面产生的水平向振动向远处传播时高频部分衰减快，低频部分衰减慢；而竖向振动衰减不明显。

3)汽车在城市道路上正常行驶时产生振动的主频率在10 Hz附近。

4)汽车在城市道路上正常行驶时产生的振动满足人体舒适性要求。