黃土區高墩路基車輛行駛引起環境振動影響研究

李建偉 汪瀟瀟 黃德富 張程偉 王雙現

(1.中國建筑第六工程局有限公司，天津 300450； 2.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；3.三門峽市國道三一零南移項目建設管理有限公司，河南 三門峽 472000)

0 引言

車輛行駛過程中會產生振動荷載，在路基中產生彈性波，彈性波向四周傳播，從而對周邊建(構)筑物、土體中產生振動響應。振動的長期作用不僅會引起地基土沉降、道路路面結構變形損傷等一系列影響結構服役性能及行車舒適度、安全性的問題，車輛行駛過程中產生的振動污染還會給居民生活帶來負面影響，人們長期生活在振動環境中，會產生疲勞、精神衰弱等問題，進而影響身體健康。已有研究表明，車輛行駛速度、振源距離等因素影響了振動的產生和傳播，進而對周邊土體動力響應產生影響，研究這些因素的影響規律關系到道路工程方案設計，能為減速帶的設置以及行車舒適性提供一定參考，同時能為道路工程設計及運營維護提供一定參考。

近年來，隨著黃河流域生態保護與高質量發展上升為國家戰略，黃河流域得到了快速發展。在黃河中上游地區分布著大量黃土，黃土作為一種特殊土，在車輛行駛等振動荷載作用下極其容易產生沉陷導致路面開裂甚至形成裂縫。車輛荷載作為一種作用時間較短、荷載較小的動力荷載，與傳統振動相比具有不同的傳播特性，由此產生的振動影響范圍很廣, 甚至可能造成結構破壞，地面振動水平取決于車輛速度、振源距離等多種因素。

我國黃土地區新建了大量高墩快速路，在車輛行駛荷載作用下，產生的環境振動問題日益突出。由于部分城市道路的路面維護不及時，路面坑洼較多，以及為減少交通事故發生不得不設置減速帶，車輛經過路面坑洼或減速帶時，車輛振動較大，從而對周邊環境產生較為嚴重的振動污染問題。

目前對于車輛行駛引起環境振動的研究主要集中在地面動力響應特征以及不同因素對地面動力響應的影響。茅玉泉[1]選擇京廣線和隴海線各兩處良好地段進行現場實測，獲得了不同類型車輛在不同路基、不同路面、不同車速、不同載重及剎車等情況下的地面振動衰減曲線，并分析了地面振動特性。姚海林等[2]將汽車在不平整路面行駛產生的動荷載看作作用在Kelvin地基上無限大路面板表面的移動矩形荷載，分析了荷載速度、路面不平整情況以及地基阻尼和地基剛度對路面板的動力響應的影響。袁新敏等[3]對武漢市某繁忙交通干道進行振動測試，得到了測試路段在汽車通過時的環境振動數據，并對典型測點進行了頻譜分析。李皓玉等[4]采用二自由度1/4汽車懸架模型模擬汽車系統，計算分析了行車速度、懸架剛度、懸架阻尼、輪胎剛度和輪胎阻尼五個參數對瀝青路面動力響應的影響。張文星等[5]以福州大學旗山校區為試驗場地進行現場實測，采集了車輛以隨機速度通過橡膠減速帶產生的振動加速度信號，并對測試結果進行精度分析得到車輛通過減速帶產生振動信號的特性。目前國內外對于車輛行駛引起環境振動的研究內容頗豐，但黃土高墩路基下車輛行駛引起的環境振動較少，尤其是車速和振源距離對環境振動影響的分析。本文以黃土區高墩路基下車輛在道路上行駛產生的周邊環境振動為研究對象，采用現場實測方法，研究分析了車輛行駛速度、距激振源距離等因素對地面振動的影響規律。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

國道310洛三界至三門峽西段南移新建工程一項目分部所轄段落位于河南省三門峽市境內，線路自東向西，全長27 km，起止樁號K7+800～K34+800，全線路基挖方287萬m3、填方262萬m3、包含大橋5座、中橋3座、天橋7座、立體交叉4座、涵洞29道、通道21道、互通2座。

本項目40 m以上高墩柱共有11個，全部為薄壁空心墩，分別為方溝大橋6號、7號、8號、9號、10號、L11號墩，最高墩為方溝大橋L6號墩，墩高52.5 m，橋墩全部使用翻模法施工。

方溝大橋位于方溝村東南約500 m，中心樁號ZK7+895/YK7+915，本橋跨越深溝，全橋共4聯(4×40)m，橋面寬度為2×11.13 m，橋梁全長648 m；上部結構采用預應力混凝土(后張)T梁，先簡支后連續；下部結構橋臺采用肋板臺， 6號～11號橋墩采用薄壁空心墩，其余橋墩采用柱式墩，墩臺采用樁基礎。方溝大橋所處地形復雜，為深溝峽谷中，地面起伏較大，深溝中墩柱較高，最高達到52.5 m。

1.2 工程地質條件

國道310洛三界至三門峽西段南移新建工程經過黃土高原地帶，溝壑縱橫，該區域多為濕陷性黃土，黃土成因復雜，主要以風積和沖洪積砂質黃土為主，具有黏聚力弱、濕陷性強烈及含水率低等特點，黃土厚度多在10 m～25 m，局部濕陷厚度可達50 m。經過檢測，黃土的濕陷系數大于0.070，濕陷性很強烈。

2 現場實測研究

2.1 測試場地

本文選擇的測試場地位于方溝大橋深溝中墩柱周圍附近，測試道路路面為瀝青路面結構。在測試開始之前進行現場實地調研，包括路面情況、交通特點等。實測時汽車最大行駛速度為80 km/h，具體試驗方案如表1所示。

表1 測試方案

2.2 測試方法

本文振動測量采用意大利MOHO公司生產的地脈動儀TROMINO，TROMINO是一種小型的一體化振動采集儀器，配備有9個通道：3個通道連接到3個正交電動速度計，3個通道連接到3個正交數字加速度計可以測量頻率在[0.1,1024] Hz范圍的10-6mm/s級的速度和10-6g級的加速度。信號采集時，振動信號被轉換成數字信號保存在存儲器中，可以使用專業軟件Grilla將其導出。

本文主要對采樣得到的信號進行時域分析和頻域分析，為了明確汽車行駛產生的振動，選擇較為安靜的路段進行試驗，同時采集相同條件下無試驗汽車經過的路面振動信號作為背景振動，將此背景振動數據與試驗汽車經過時采集的振動數據進行對比分析。

不同的國家、不同的標準對于振動強度的評價指標有所不同，其中主要包括振動速度(加速度)峰值、振動速度(加速度)最大值、振動速度(加速度)有效值等。對于車輛行駛產生的短暫性振動，主要使用反映振動的最大幅值的指標。除此之外，振動加速度級VAL和速度振級LV等可以用來評價振動強度。

3 測試結果及分析

汽車以20 km/h,50 km/h和80 km/h速度行駛通過時測點B處(離汽車行駛軌跡水平距離為3.2 m)的地面振動速度時頻曲線如圖1,圖2所示。

由以上振動速度時程曲線可以看出，汽車在道路上行駛時地面產生的振動速度與地面背景振動速度有較大差異，這表明汽車行駛對周圍環境產生振動影響。為了進一步分析汽車通過減速帶引起地面振動的時域特性，利用MTLAB編制程序計算得到不同測點處汽車以不同車速通過時引起的地面振動速度最大值，具體如圖3,圖4所示。

由圖3可以看出，在點A和B處測量得到汽車通過時地面產生的豎向振動速度幅值最大，在點C處測量得到汽車通過減速帶時地面產生的豎向振動速度幅值遠大于Y方向振動速度幅值，且僅略小于X方向振動速度幅值，表明汽車經過時產生的振動以豎向振動為主；在測點A,B和C處汽車以20 km/h,50 km/h和 80 km/h速度行駛通過減速帶時地面產生的水平振動速度和豎向振動速度都依次增大，表明了在一定范圍內，汽車行駛通過減速帶的速度越大，地面產生的振動速度越大。

由圖4可知，汽車以相同速度行駛通過時，與汽車距離不同的測點處產生的水平和豎向振動速度幅值大小不同，水平向振動速度幅值隨距離的變化規律不明顯，而豎向振動速度幅值隨著距汽車距離的增大呈現出衰減的趨勢。

從以上所有振動速度頻程譜曲線可以看出，無汽車經過時地面背景振動速度頻率和汽車通過時引起的地面振動速度頻率都集中在100 Hz以下。

對比圖3，圖4可知，汽車以20 km/h行駛通過時各測點振動速度的優勢頻率如表2所示，各優勢頻率段對應的速度幅值如表3所示。

表2 20 km/h行駛時各測點振動速度的優勢頻率

表3 各優勢頻率段對應的速度幅值

將表2，表3數據與背景振動進行對比可以看出，汽車通過時引起地面水平向振動和豎向振動的頻率為0 Hz～20 Hz和0 Hz～40 Hz。表2，表3數據表明，水平向振動在向遠處傳播時高頻部分和低頻部分都呈現出衰減的趨勢，但高頻部分衰減快，低頻部分幾乎衰減不明顯，豎向振動向遠處傳播時呈現出衰減趨勢，但衰減速度很小。

無汽車經過時地面環境背景振動速度時程曲線的1/3頻程譜分析如圖5所示，汽車以50 km/h速度行駛通過時測點A,B和C處(離汽車行駛軌跡水平距離為1 m,3.2 m和7.2 m)的地面振動速度1/3倍頻程譜曲線如圖6所示。

由圖5,圖6可知，汽車在道路上行駛引起的地面振動中，豎向振動幅值大于水平向振動幅值，頻率為10 Hz的振動部分對地面的振動影響均較大，此頻率既不是人體最敏感的振動頻率也幾乎不會與人體器官發生共振，各測點量值均小于GB 50868—2013建筑工程容許振動標準給出的建筑物內人體舒適性的容許振動速度值，這表明汽車在城市道路上正常行駛時產生的振動滿足人體舒適性要求。此外，隨著距激振源距離的減小，豎向振動幅值呈現出增大的趨勢。

4 結論

本文以黃土區高墩路基為對象，通過對車輛行駛引起的地面振動情況進行現場測量，研究分析了車輛行駛速度、距激振源距離等因素對地面振動的影響規律，得到以下結論：

1)汽車在城市道路上行駛經過時地面產生的振動以豎向振動為主，水平向振動和豎向振動量級大小相同，且行車速度越大，振源距離越小，地面產生的振動越大。

2)汽車行駛時地面產生的水平向振動向遠處傳播時高頻部分衰減快，低頻部分衰減慢；而豎向振動衰減不明顯。

3)汽車在城市道路上正常行駛時產生振動的主頻率在10 Hz附近。

4)汽車在城市道路上正常行駛時產生的振動滿足人體舒適性要求。