綜合交通樞紐場地土體振動傳遞特性試驗研究

易 兵，高 慰，李青良，李小珍，梁 林

（1.重慶城市綜合交通樞紐開發投資有限公司，重慶430000；2.西南交通大學 橋梁工程系，成都610031；3.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶430000）

綜合交通樞紐作為綜合交通運輸體系的重要組成部分，集各種運輸方式信息、設備和組織管理于一體，其帶來的環境振動問題也引起了人們的廣泛關注。國內外針對綜合交通樞紐振動問題的研究主要采用經驗預測模型、解析模型和數值分析模型[1-5]三種方法，而數值分析模型是最常用的方法，采用數值分析模型必然涉及土體的振動傳遞特性分析。本文采用現場試驗的方法對某綜合交通樞紐的土體振動傳遞特性進行了分析。

針對土體的振動特性的研究，國內外學者多采用振動傳遞函數[6-9]對其進行分析。土體振動傳遞函數根據土體的詳細參數對土體的振動特性進行預測，但其預測的精確性還有待于進一步研究。

本文采用更為直接的現場試驗，研究振動波在場地中的傳播規律，為綜合交通樞紐環境振動的數值分析提供土體振動傳遞特性參數，同時也為類似工程的土體振動傳遞試驗提供一種參考方法。研究振動波在場地中的傳播規律，進行地面振動傳播及衰減試驗。同時，準確測定場地振動傳播和衰減規律，也是準確確定有限元計算[10-15]參數所需要的。

1 試驗概況

試驗的對象為重慶沙坪壩綜合交通樞紐，該樞紐由成渝高鐵、輕軌1號線、輕軌9號線、輕軌環線及城市下穿道路等形成的一個立體交叉空間交通系統。該樞紐為國內外首個集高速鐵路、城市軌道交通、城市道路及大型上蓋物業開發為一體的超級綜合體。本次測試區域為站房北側雙子塔基坑，圖1給出了測試現場情況。

圖1 雙子塔基坑現場圖

1.1 試驗內容

試驗為場地地面振動傳播試驗：以人為敲擊為激勵，測量距敲擊點一定距離內的地面振動加速度，以考察不同頻率振動波在場地內的水平傳播及衰減規律。

1.2 測點布置、測試設備與方法

在基坑內選取3個位置，布置3組測點。第1組測點CD1，共布置4個測點，測點間距為5 m，布置方向為南北向（垂直軌道方向），測點編號N1，N2，N3，N4；第2 組測點CD2，共布置4 個測點，測點間距5 m，布置方向為南北向（垂直軌道方向），測點編號N1，N2，N3，N4；第3 組測點CD3，共布置5 個測點，測點間距5 m，布置方向為東西向（沿軌道方向），測點編號N1，N2，N3，N4，N5。具體測點布置情況示意圖見圖2，測點布置現場圖見圖3。

圖2 3組振動測點布置示意圖

每個加速度測點測試3個加速度方向，分別為Z向（豎向）、X向（東西向）和Y向（南北向）。圖3給出某測點布置圖及人工激勵施加示意圖。

試驗采用INV3060S 智能信號采集儀（16 通道），加速度傳感器采用891-II 型傳感器，力錘采用LC1304B型，錘頭材質為鋼。對3組測點依次采集，每組測點采集12組數據（采用人工激勵），激勵點距第一個測點5 m，采樣頻率取1 024 Hz，對每個測點采集3個方向加速度，圖5為振動測點布置圖。

圖3 3組振動測點布置現場圖

圖4 人工激勵及測點加速度傳感器布置圖

圖5 振動測點布置示意圖（單位：m）

試驗采用一次錘擊方式，圖6給出了錘擊力的頻譜曲線，可以看出：錘擊力在0～500 Hz 頻段內均可激起較大的振動，這說明錘擊試驗是可行的。

2 測試結果與分析

2.1 頻域分析

圖7－圖9分別給出了在人工激勵下第1、第2和第3 組測點（CD1、CD2 和CD3）的振動加速度級頻譜圖。第1 組測點N1、N2、N3、N4 分別為距離激勵點5 m、10 m、15 m、20 m的測點，從圖7可以看出，東西向、南北向和豎向振動均為N1的振動加速度級最大，分別為77.6 dB、84.1 dB、85.6 dB，在人工激勵下東西向的振動加速度響應最小，南北向與垂向振動響應接近。

從圖7可以看出N2、N3、N4 的振動響應大小衰減不大，振動衰減主要集中在5 m～10 m范圍。

圖6 錘擊力頻譜曲線

東西向、南北向和豎向振動的優勢頻率集中在40 Hz～250 Hz。

第2 組測點N1、N2、N3、N4 分別為距離激勵點5 m、10 m、15 m、20 m 的測點，從圖8可以看出，N1測點東西向、南北向和豎向的最大振動加速度級分別為73.8 dB、75.1 dB、77.3 dB，在人工激勵下東西向振動響應最小，南北向次之，垂向振動響應最大。從圖8可以看出，東西向、南北向振動在63 Hz～250 Hz范圍內，振動隨離激勵點的增加衰減明顯，在5 m～10 m范圍內衰減最快；豎向振動在20 Hz～250 Hz頻率范圍內衰減明顯，在5 m～10 m 范圍內衰減最快。東西向、南北向和豎向振動的優勢頻率范圍集中在16 Hz～250 Hz。

圖7 第1組測點CD1振級頻譜圖

第3組測點N1、N2、N3、N4、N5分別為距離激勵點5 m、10 m、15 m、20 m、25 m 的測點，從圖9可以看出，N1 測點東西向、南北向和豎向的最大振動加速度級分別為77.1 dB、75.0 dB、80.7 dB，在人工激勵下南北向振動響應最小，東西向次之，垂向振動響應最大。

從圖9可以看出，東西向、南北向振動在1 Hz～250 Hz范圍內，振動隨離激勵點的增加衰減明顯，在5 m～10 m 范圍內衰減最快；豎向振動在20 Hz～250 Hz 頻率范圍內衰減明顯，在5 m～10 m 范圍內衰減最快。東西向、南北向和豎向振動的優勢頻率范圍集中在16 Hz～250 Hz。

綜上所述，3組測點在人工激勵下的振動響應情況略有差別，第1 組測點的振動優勢頻率范圍為40 Hz～250 Hz，第2、3 組測點的振動優勢頻率范圍為16 Hz～250 Hz，這說明場地不同區域的振動響應情況是有差別的。總體而言，振動衰減在5 m～10 m范圍最快。

2.2 衰減規律

圖10－圖12分別給出了在人工激勵下第1、第2和第3 組測點（CD1、CD2 和CD3）的振動加速度隨距離增加的衰減曲線。

從圖10可以看出，第1組測點東西向、南北向和豎向振動在5 m～10 m范圍內衰減最快，東西向、南北向和豎向振動在5 m～10 m 范圍內分別衰減了65%、80%、67%，在10 m～20 m 范圍內衰減緩慢，其中16 m～20 m范圍振動衰減最慢。

從圖11可以看出第2組測點振動隨距離的衰減規律，東西向、南北向和豎向振動在5～10 m范圍內分別衰減了62%、81%、70%，各個方向振動在10 m～20 mm 范圍內衰減相對緩慢，南北向和豎向振動在16 m～20 m范圍內衰減最慢。

從圖12可以看出第3組測點振動隨距離的衰減規律，東西向、南北向振動在5 m～15 m范圍內分別衰減了74%、77%，豎向振動在5 m～10 m范圍內衰減了85%。東西向、南北向振動在5 m～15 m 范圍內衰減最快，豎向振動在5 m～10 m 范圍內衰減最快，各方向振動在15 m～25 m范圍內振動衰減速度緩慢。

綜上所述，各組測點振動在5 m～10 m 范圍內衰減較快，加速度衰減在50%以上，在15 m 范圍以后，振動衰減緩慢，衰減量很小。振動在同一土體的不同區域衰減規律略有差異，但總體規律一致。

圖8 第2組測點CD2振級頻譜圖

圖9 第3組測點CD3振級頻譜圖

圖10 第1組測點CD1振動衰減

圖11 第2組測點CD2振動衰減

圖12 第3組測點CD3振動衰減

3 結語

針對重慶沙坪壩綜合交通樞紐進行土體特性傳遞試驗后，得到了該區域的土體振動衰減一般規律，得到主要結論如下：

（1）土體不同區域在人工激勵下的振動響應情況略有差異，總體而言，土體的振動優勢頻域集中在16 Hz～250 Hz頻率范圍內。

（2）在人工激勵下，土體振動在5 m～10 m范圍內衰減較快，加速度衰減在50%以上，在15 m 范圍以后，振動衰減緩慢，衰減量很小。振動在同一土體的不同區域衰減規律略有差異，但總體規律一致。

（3）在人工激勵下，土體豎向振動響應普遍大于水平向振動響應，且水平向不同方向的振動響應有一定差異。