高铁激励下饱和冻土场地振动衰减特性分析

申译文 郑 鑫 解恒燕

（黑龙江八一农垦大学土木水利学院，黑龙江 大庆 163319）

0 引言

随着哈大高速铁路的开通运营，标志着我国开始在高寒地区发展高速轨道交通。哈齐高铁、哈牡高铁的相继开通，标志着我国高铁技术在高寒地区的适应性进一步增强［1］。我国北方高寒地区分布着广袤的冻土层，大庆市位于黑龙江省西部平原地带，冬季受西伯利亚寒冷气流的影响，最低气温为-35℃，冻土深度为1.8～2 m［2］。

21世纪初，国内外开始对轨道交通所引起的环境振动进行研究。2005年，日本学者Takemiya［3］对时速200 km/h以上的日本新干线高速列车进行观测试验，发现振动产生的轮对效应与列车的轮对间距是相互对应的。2012年，Verbraken［4］采用现场测试与数值模拟相结合的方法对科隆的高速列车所引起的沿线振动进行研究，并提出一种提高数值精确度的方法。

我国对轨道交通环境振动的研究虽起步较晚，但我国学者在轨道交通方面和高速轨道交通方面也进行研究。2004年，蒋通等［5］根据上海明珠线的现场实测记录数据，从现场实测和数值分析两方面入手，来研究高架轨道交通荷载所引起的环境振动情况、发生机理、传播规律和衰减关系，提出明珠线列车经过引起环境振动的振级统计回归公式，并进行验证。2005年，凌贤长等［6］对大庆季节冻土区的路基进行现场监测，在三个不同时期（凝固期、融化期、正常期）来研究季节性冻土区在不同列车速度、不同列车车型情况下列车行经过所引起路基振动加速度的变化规律。2013年，刘凯雁［7］通过现场观测法对高架轨道交通产生的环境振动进行观测试验，从而获得一批高架结构和自由场地振动的宝贵数据，并分析由高架轨道交通引起的自有场地的垂向、纵向、水平向振动强度衰减特性。2019年，贾辰钰［8］在黑龙江省大庆市龙凤湿地处对高速轨道交通引起的融化状态的饱和土场地进行现场观测，并通过时域和频域分析对高速轨道交通引起饱和土场地环境振动进行评价。

在我国北方有大范围的冻土区，既有季节性冻土区，也有久性冻土区。我国的季节性冻土面积约为5.137×106km2，占陆地面积的53.5%［9］。在饱和冻土场地中，冻土层中的水都结成冰，冻结锋面以上的土体都处于土颗粒与冰连为一体的状态，该状态既不是两相介质，也不是单向介质，而属于一种胶体状态。振动波的传播与速度、传播介质等因素有关［10］，所以振动波在饱和冻土介质中的传播特性与其他场地不同。所以，为了研究高铁激励下饱和冻土场地的环境振动问题，采用现场观测法对大庆市龙凤湿地的高铁线进行观测试验。

1 观测试验

为研究高铁荷载引起的饱和冻土场地的振动衰减关系，2021年1月在黑龙江省大庆市龙凤湿地进行现场观测试验，观测对象为哈齐高铁线大庆龙凤湿地段。根据张燕［11］的研究，确定龙凤湿地场地的土样性质为饱和土，所以在冬季严寒天气条件下的龙凤湿地为饱和冻土场地。根据试验方案，设计的现场观测台阵布置如图1所示。

图1 台阵布置图

观测台阵共设置7个测点，所有测点都垂直于轨道方向，并呈线型布置。受现场地形的限制，10 m处地表是已冻结的冰面，导致该处无法设置测点，所以在15 m处土体表面设置测点，其余测点都间隔10 m布置。每个测点处都放置有加速度观测仪，在列车经过的始末，同时开启和关闭，来保证采集到的数据的完整性。试验当天室外温度为-22℃，采集到的列车数据平均速度为175 km/h，列车组车厢数为8节。现场采集频率为256 Hz，由相关研究可知［12］，现场采样频率能满足列车引起的振动频率范围。列车的上行方向为齐齐哈尔-哈尔滨方向，下行方向反之。本次试验共观测到15组列车数据，以此来保证数据的有效性。根据相关研究［13］中的结论，列车引起地面振动主要与其竖直方向振动有关，故本次试验主要对竖直方向的数据进行分析。

2 时程分析

选择平均速度为175 km/h的列车所引起的振动数据为分析对象，得到各测点处的加速度时程图，如图2所示。

从图2可以看出，0 m处的振动加速度值的变化非常明显，主要作用时间约为8 s，从图2可以看出，列车的轮对效应明显［14］。在0～15 m内，列车振动加速度衰减明显。在15 m处，加速度轮对效应不明显。在30 m处，加速度又出现小的凸起变化。这种凸起变化在20 m和40 m后都没有出现，初步判断这与表面波的传播速度小于体波有关，振动波在30 m处产生局部放大的现象［15］。30 m后的加速度值趋于稳定。

图2 加速度时程图

3 功率谱分析

对加速度数据进行频域分析，并通过快速傅里叶转换将时域信号转换到频率域，从而计算出各测点处的功率谱，如图3所示。

通过图3可以看出，0 m处振动能量要明显高于其他观测点的振动能量，主要集中在40～80 Hz。在0～15 m内，振动能量衰减迅速，在15～20 m内，振动能量相近。在30 m处振动能量又出现较大的变化，这与时程分析时的局部放大现象相呼应。50 m处低频能量0～20 Hz间出现能量波动，在高频60 Hz也出现小的能量波动，但振动范围不大。这说明饱和土层对高频波的吸收效果要好于低频波［16］，所以低频波在远处出现能量波动。

图3 各测点功率谱图

4 衰减关系

根据时域分析数据，得到各测点处的峰值加速度衰减曲线图，如图4所示。从图4中可以看出，在加速度衰减的过程中，0～15 m的衰减最快，在30 m出现局部放大现象。

图4 峰值加速度衰减曲线图

根据计算可得，各测点间的峰值加速度衰减量的百分值如表1所示。衰减量表示在各个距离范围内，振动衰减的量占区间总值的大小。由表1可以看出，由高速列车所引起的土体加速度大部分在0～20 m衰减完毕，在20 m后，除局部放大区外，都呈现缓慢的起伏状态，近乎本底振动［17］。

表1 各测点间加速度衰减量

根据功率谱数据，按照郑春昱［18］求得高铁所引起的各测点处的加速度振动级VAL，各中心频率的振动级随距离的变化如图5所示。

由图5可知，随着距离的增大，各中心频率处的振动级也随之增大。采用1/3倍频程分析［19］振动级随频率发生变化，共有21个中心频率。在21个中心频率点中，1～31.5 Hz的振动级随距离衰减不明显，衰减变化最明显的主要集中在40 Hz、50 Hz、63 Hz、80 Hz、100 Hz。这5个中心频率点处的振动级在各测点的衰减量如表2所示。

图5 各中心频率的振动级随距离的变化

表2 中心频率点处振动级随距离衰减量单位：%

由表2可以看出，0～15 m内，50 Hz处的振动级衰减最多，共衰减25.7%。其次是63 Hz处，衰减25.6%。40 Hz、80 Hz、100 Hz处的振动级在0～15 m间的衰减量都在20%以下。从15 m开始，各频率点的振动级衰减趋于稳定。这说明高铁荷载激励下饱和冻土的振动级衰减影响范围主要在0～15 m，频率范围只在40～100 Hz。

5 结语

本研究通过现场试验的方法对高铁荷载激励下引起的饱和冻土场地的振动衰减特性进行研究，分别对观测数据进行时程分析、功率谱分析、振动级分析，又从峰值加速度衰减和中心频率点处振动级衰减两方面对衰减特性进行分析。分析结果表明，高铁荷载激励下引起的饱和冻土振动加速度随距离的增加而逐渐衰减，加速度和加速度振动级主要集中在0～20 m，其中0～15 m的衰减最快。高铁荷载激励下对饱和冻土场地的振动影响，距离上主要集中在0～15 m，振动级主要集中在40～100 Hz。