高速軌道交通引起飽和土場地環(huán)境振動評價方法分析

賈辰鈺 鄭 鑫* 解恒燕 鄭春昱

（黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江 大慶163319）

飽和土場地的振動特性與其他單相介質(zhì)場地完全不同。溫度升高時，夏季的飽和土場地可以看作為雙相介質(zhì)，所以固相與液相兩者之間的相互作用必須考慮在場地的振動之內(nèi)[1]。隨著社會迅速發(fā)展，交通、建筑，機械等引起的環(huán)境振動問題應運而生，尤其是軌道交通荷載引起的振動，這些振動對農(nóng)田灌溉設施的影響一方面會造成農(nóng)田灌渠的裂縫，使得灌溉水下滲，浪費水資源。另一方面會影響水庫等結構安全，危及周邊人的生命安全以及農(nóng)田水資源的損失與浪費。因此，探究濕地附近的飽和土場地的動力特性、尋求高速軌道交通引起飽和土場地環(huán)境振動的評價方法至關重要。

1 現(xiàn)場觀測

2019 年8 月中旬在哈- 大- 齊就快速客運專線龍鳳濕地段進行了夏季的現(xiàn)場實測。觀測所選的場地地勢較為平坦并且臨近大慶市龍鳳濕地，視野開闊，有利于觀測工作的進行。由于現(xiàn)場觀測地理條件的優(yōu)勢，在高架橋橋墩上也一并布置了加速度振動觀測儀。圖1 為現(xiàn)場觀測臺陣布置圖。

觀測地點的GPS 坐標為北緯46.516°，東經(jīng)125.168°。夏季時當天的觀測溫度為28℃。經(jīng)過6 個測點構成的臺陣列車型號為CRH 動車組列車，除采集場地振動信息外，還現(xiàn)場量測了列車通過觀測場地的瞬時速度及平均速度。圖2 所示為一上行方向（齊齊哈爾方向- 哈爾濱方向）動車組列車，其平均運行速度為244km/h，車廂數(shù)為8。圖3 所示為一下行方向（哈爾濱- 齊齊哈爾方向）動車組列車，其平均運行速度為200km/h 車廂數(shù)為16。

圖2 上行方向動車組

圖3 下行方向動車組

黑龍江省大慶市龍鳳濕地的土壤長期處于飽和狀態(tài)，選取此地作為觀測地更具代表性。飽和土指的是土壤內(nèi)孔隙中完全充滿水的土，依據(jù)《土工試驗標準》，將飽和度大于85%且的土稱之為飽和土。通過觀測現(xiàn)場采取的飽和土樣，經(jīng)過實驗室試驗及綜合分析，確定土樣為飽和土。

2 高速軌道振動在飽和土中的傳播

本文以圖2 所示的高速列車為例，按觀測地衰減臺陣布置測點，6 個測點在列車經(jīng)過時同時觸發(fā)，設定采樣頻率為256Hz，記錄了高速列車經(jīng)過濕地飽和土可以引起水平向x 和y、鉛垂向z 三個方向的振動，按照標準規(guī)定，本文主要研究列車運行引起的地面垂向振動[2]。

2.1 高速軌道引起飽和土振動加速度衰減規(guī)律分布

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，本次現(xiàn)場觀測計選擇測量了20 組動車，測量動車從駛來至完全離去前后共10 秒的環(huán)境振動變化情況，然后經(jīng)過相關軟件進行分析處理，相對精準的截取動車經(jīng)過時間的時程曲線，減少因人為操作而造成的誤差[3]。圖4 為距離軌道中心處觀測各點z 方向加速度時程曲線圖。

圖4 各點Z 方向加速度時程圖

根據(jù)圖4 可以看出，各個測點的振動加速度能量幅值隨著距軌道中心線距離的增加而逐漸表現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢。因此初步判斷高速列車經(jīng)過時引起的飽和土振動的影響范圍在距軌道中心線40m 處。

圖5 加速度振動衰減曲線圖

現(xiàn)采取的控制標準為GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[4]，依據(jù)其規(guī)定的測量要求，選取各個測量點在同一方向各時程的最大值，以最大值的算術平均值為評價量，統(tǒng)計振動的衰減規(guī)律[5]。圖5 給出了高速列車距軌道中心線距離的不同對應地面振動峰值加速度的衰減曲線變化。由此可看出，在高速列車保持相同速度條件時，峰值加速度均隨著距軌道中心線距離的增加而逐漸減小，衰減均是先迅速之后緩慢，在距離軌道中心線20m 以內(nèi)振動衰減相對較快，20m 以后振動的衰減逐漸變緩，在50m～60m 區(qū)間的距離范圍內(nèi)，加速度不但沒有衰減，反而略有增大的反彈趨勢現(xiàn)象，文獻[6]給出了這一局部放大現(xiàn)象的形成機理。

2.2 飽和土振動加速度頻譜分析

圖6 夏季觀測各點z 方向加速度功率譜

由圖6 可見，在夏季觀測飽和土的場地環(huán)境下，在距離軌道中心線30m 以內(nèi)的范圍，高速軌道振動的頻率域主要能量聚集在0Hz-70Hz 區(qū)間內(nèi)，隨著距離軌道中心線的增加，環(huán)境振動的能量反而有所減弱。y=30m 以后10Hz-60Hz 高頻段的能量迅速衰減，20-40Hz 的低頻段上仍然有較為顯著的能量聚集。在夏季飽和土融化狀態(tài)下，y=40m 以后的高速軌道交通荷載對飽和土場地基本沒有影響。

3 高速軌道交通引起環(huán)境振動評價方法

我國具有代表性同時目前國內(nèi)采用最多的控制標準為GB10070-88 《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》[7]以及配套的GB10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》。此標準歸屬于環(huán)境質(zhì)量控制標準。此標準的振動評價選取的指標為z 振級，標準中推薦的晝間時間為6：00-12：00，垂直于地面方向，記為VLz[8]。

振動加速度級、加速度與基準加速度之比以10 為底的對數(shù)乘20，記為VAL。單位為dB。根據(jù)定義，振動加速度級6：00-12：00 表達式為：

其中，arms為振動加速度的有效值，單位為m/s2。

a0代表振動基準加速度有效值，a0取值一般為1×10-6m/s2。

如表2 所示，依據(jù)振動環(huán)境功能區(qū)劃，更提出了新的z 振級極限值，規(guī)定在各類區(qū)域建筑物室外0.5m 以內(nèi)的振動敏感處放置的各測量點，并且標明了對于城市軌道交通與鐵路振動的方面，測試評價量采取每類車通過的時程的最大振級VLzmax[9]。表1給出了其容許限值。

表1 GB10070-88 規(guī)定的城市各類區(qū)域Z 振級容許值

表2 GB10070-88 規(guī)定的城市各類區(qū)域Z 振級容許值

圖7 各點的加速度振動級

根據(jù)圖7 可知，隨著頻率的逐漸增加，z 振級總體呈上升的趨勢，在距軌道中心線20m 的范圍內(nèi)，加速度振動級逐漸升高，距軌道中心線的距離大于20m 后z 振級的增加在逐漸變緩[10]。根據(jù)上圖可看出，高速列車在通過時引起z 方向在30-90Hz 頻段各1/3 倍頻帶的加速度振動級升高，在25Hz 以下的各頻帶振動級相對較小。在距軌道中心線30m 處VLz 為42.3dB，得出的結果同時滿足文獻[7] 中規(guī)定的鐵路干線兩側區(qū)域地面振動Z振級限值80dB 的要求[11，12]。

4 結論

通過高速軌道交通引起飽和土場地環(huán)境振動現(xiàn)場實測各點的z 方向加速度時程幅值分析，給出了加速度幅值隨著與線路中心線距離的衰減關系，分析結果表明，隨著與軌道中心線距離的增加，高速軌道交通引起環(huán)境振動的能量幅值呈現(xiàn)出衰減的趨勢，但在特定某點可能會出現(xiàn)加速度幅值局部放大的現(xiàn)象。分析了環(huán)境振動評價指標加速度振級中的z 振級VLz，根據(jù)各測點圖中顯示的結果，表明實測地面振動z 振級值隨著距軌道中心線橫向距離的增加而減小，且在距軌道中心線30m 處，z振級值滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》中鐵路干線兩側區(qū)域的限值要求。