巖土地層高速鐵路高架橋段環(huán)境振動特性分析

邢夢婷 楊飛 魏子龍 姚永明 王平

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都610031

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，環(huán)境振動問題日益顯著。我國高速鐵路路網(wǎng)規(guī)模大，覆蓋地域廣且地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，我國軌道交通環(huán)境振動控制難度大。

國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值仿真和現(xiàn)場實測對環(huán)境振動進行了研究，并取得豐碩成果。和振興等［1］基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，考慮了輪軌動態(tài)相互作用，采用數(shù)值模擬方法分析了車輛-軌道系統(tǒng)振動對地面的影響。王少林等［2］建立車輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)，研究了高速行車條件下軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。朱志輝等［3］建立車-橋-土-建筑物耦合系統(tǒng)三維有限元模型，分析了距振源距離、車速等參數(shù)對列車引發(fā)的建筑物振動的影響。Connolly等［4］通過測試發(fā)現(xiàn)，列車以臨界速度通過軌道時引發(fā)的高架線路共振會放大環(huán)境振動響應(yīng)。Santos 等［5］通過現(xiàn)場試驗驗證了振動預(yù)測數(shù)值模型，研究了分層土體中彈性波的傳遞特性。譚燕［6］基于國內(nèi)多條高速鐵路現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析了振動傳播衰減規(guī)律及不同隔振措施的隔振效果。張志俊等［7］研究了彈性支座對橋梁上車致振動的隔振效果。Fran?ois 等［8］探討了土體中振動隔離屏的設(shè)計和減振效果。劉鵬輝等［9］基于現(xiàn)場測試對比了各種減振措施在不同頻率范圍的減振效果。

本文選取日照市沿海地區(qū)一新建高速鐵路的高架橋段作為研究對象，先通過現(xiàn)場試驗對振源及環(huán)境振動特性進行初步分析，然后建立橋墩-巖土層三維有限元模型，探究巖土系統(tǒng)中振動波的傳播與衰減規(guī)律。

1 橋梁及周圍巖土體振動現(xiàn)場試驗

1.1 試驗概況

該高速鐵路高架段線路形式為32 m 雙線混凝土簡支梁橋上鋪設(shè)CRTSⅢ型板式無砟軌道。8 節(jié)車輛編組的CRH380B 客車以設(shè)計速度350 km/h 運行在橋上。橋長32.60 m，橋高3.05 m，墩高5.00 m，樁基為8 根鉆孔灌注樁。CRTSⅢ型板式無砟軌道由CN60 鋼軌、WJ-8 扣件、軌道板、自密實混凝土、隔離層和底座構(gòu)成。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該區(qū)段基巖埋深較淺，上部地層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土及粗礫砂，下伏基巖為燕山晚期花崗巖、構(gòu)造巖及脈巖，整體表現(xiàn)出上軟下硬特性。將巖土體簡化為3 層結(jié)構(gòu)，自上而下依次為軟弱土層、中風化軟巖層、微風化及未風化硬巖層，厚度分別為6、15、25 m。墩臺和樁基采用C40 混凝土。樁基深度15 m，混凝土及巖土體參數(shù)見表1。

表1 混凝土及巖土體參數(shù)

列車運行引起的振動將通過橋梁結(jié)構(gòu)及周圍巖土體傳遞至地表。監(jiān)測點布置在橋墩橫截面的箱梁底板、支座、橋墩中部、橋墩底部（P1 ～P4）及地面上（P6 ～P10），每個測點布設(shè)一個垂向加速度傳感器，如圖1所示。

圖1 測點布置（單位：m）

測試儀器有INV3062SC 智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、INV 9828 ICP型單向加速度傳感器。采樣頻率為2 048 Hz。正式采樣前須進行背景振動測試，以消除周圍環(huán)境對實測結(jié)果的干擾。

1.2 測試信號預(yù)處理

1.2.1 消除趨勢項

受各種因素影響原始數(shù)據(jù)會偏離基線，這種現(xiàn)象可用趨勢項來表征。原始數(shù)據(jù)偏離基線的程度隨時間變化，會直接影響測試的正確性，故需將趨勢項消除?；谧钚《朔ㄔ?，根據(jù)式（1）—式（3）對所測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

式中：xk為第k個測點的原始振動數(shù)據(jù)；yk為處理后的振動數(shù)據(jù)；n為測點個數(shù)。

以測點P5、P6和P7為例，消除趨勢項前后垂向加速度時程曲線見圖2。可見，消除趨勢項后垂向加速度更穩(wěn)定。

圖2 消除趨勢項前后對比

1.2.2 去除本底振動

受周邊條件影響，所測試的振動不僅由研究對象產(chǎn)生，還由地脈動、機器設(shè)備振動等其他振源產(chǎn)生，因此，處理實測信號時應(yīng)去除這些固有因素產(chǎn)生的本底振動。譜幅值修正是去除本底振動的常用方法。該方法基于目標振動與測試振動相位一致的假定，對原始數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換得到的垂向加速度幅值譜進行修正，得到目標振動的幅值。

以信噪比較小的地面遠場測點P8、P9、P10 為例，對比測試振動與本底振動的垂向加速度功率譜密度頻程曲線，見圖3?？梢钥闯霰镜渍駝泳哂休^大的幅值，應(yīng)予以消除。

圖3 測試振動與本底振動的垂向加速度功率譜密度頻程曲線

1.3 試驗結(jié)果分析

分別從加速度峰值、時頻域分布兩方面對巖土地層區(qū)段高架橋上高速列車運行誘發(fā)的橋梁和地面振動傳遞規(guī)律進行分析。

1.3.1 加速度峰值

橋梁和地面10組測試數(shù)據(jù)的加速度峰值見圖4。可見：①外部激勵作用下列車荷載產(chǎn)生的振動對橋梁上部結(jié)構(gòu)影響顯著，在橋梁阻尼作用下沿著箱梁底板（P1）→支座（P2）→橋墩中部（P3）→橋墩底部（P4）垂向傳遞路徑，加速度峰值卻呈現(xiàn)出明顯的衰減特性，測點間衰減速度有所不同。從箱梁底板（P1）經(jīng)支座傳遞至橋墩中部（P3）的過程中加速度峰值迅速衰減，箱梁底板加速度峰值（0.645 m/s2）約為橋墩中部（0.174 m/s2）的4倍；從橋墩中部（P3）至橋墩底部（P4）加速度峰值衰減緩慢，兩處加速度峰值相差不大。②從橋墩底部（P4）至地面（P5）加速度峰值有所衰減。這是由于在橋梁樁基與樁周巖土體的耦合作用下發(fā)生的濾波效應(yīng)所致。③隨著距橋墩底部的距離增加，地面測點的加速度峰值先大幅減小后略微增大。距橋墩30 m以內(nèi)測點（P5—P8）的衰減速率較大，而距橋墩45、60 m處測點（P9、P10）的加速度峰值呈現(xiàn)出不同程度的局部放大現(xiàn)象。

圖4 列車通過時各測點的加速度峰值

1.3.2 時頻域分布

連續(xù)小波變換是一種良好的時頻分析方法［10］，適用于分析同時包含高頻和低頻信息的非平穩(wěn)信號。相比連續(xù)小波變換，常數(shù)Q非平穩(wěn)gabor變換（Constant-Q Nonstationary Gabor Transform，CQ-NSGT）在處理振動信號過程中具有較高的時間分辨率和頻率分辨率。

選取P5—P10 的時域信號進行處理，得到列車通過時地面不同位置垂向加速度時頻域分布，見圖5。

圖5 地面不同位置垂向加速度時頻域分布

由圖5可見：①垂向加速度表現(xiàn)出低頻（1 ～80 Hz）振動特性。對于距橋墩較近的測點P5、P6 和P7，隨著距橋墩距離增加垂向加速度逐漸減小，主要頻段的峰值頻率相應(yīng)減小，這主要是由于巖土介質(zhì)的阻尼耗能作用所致。②對于距橋墩較遠的測點P8、P9 和P10，隨著距橋墩距離增加垂向加速度有所增大，距橋墩60 m 處的地面測點P10 不僅垂向加速度增大，而且振動頻段更寬，主頻成分豐富。除在1 ～25 Hz低頻帶有多個主頻外，在40 ～50 Hz還出現(xiàn)多個峰值頻率，為振動放大頻段。這是因為彈性波以某一入射角傳播至地層分界面時會發(fā)生反射與折射，出現(xiàn)疊加放大現(xiàn)象。

1.3.3 單個頻率激勵下加速度衰減規(guī)律

從時頻域分析的優(yōu)勢頻段中選取13、23、30、39、57、75 Hz 六個頻率，分析得到單個頻率激勵下垂向加速度的空間分布，見圖6?？梢姡簡蝹€頻率激勵下隨著距橋墩底部距離（P5—P9）增加，垂向加速度整體呈波動衰減趨勢。橋梁結(jié)構(gòu)（P1—P4）在57 Hz呈現(xiàn)共振現(xiàn)象，這可能是由于該頻率與橋梁部件固有頻率相近而出現(xiàn)高階振動模態(tài)所致。從距橋墩45 m到60 m（P9—P10）在各單頻激振下垂向加速度緩慢增加，不同頻率疊加呈現(xiàn)出振動放大現(xiàn)象。

圖6 單個頻率下垂向加速度的空間分布

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)表1中參數(shù)建立橋墩—巖土層三維有限元模型，進一步研究振動以彈性波的形式在巖土地層中的傳播衰減規(guī)律。模型自上而下包括橋墩、承臺、樁基及其周邊巖土體。橋墩采用梁單元模擬，承臺、樁基、巖土層均采用實體單元模擬?？紤]到列車荷載引發(fā)的地層振動應(yīng)變一般小于10-4，將巖土層視為線彈性材料。假設(shè)各個分層均為均勻、各向同性體且相鄰巖土層間不發(fā)生相對滑動。

整個模型尺寸為100 m（沿線路方向）×160 m（垂直于線路方向）×60 m（深度）。為了更加精確地模擬波的傳播，有限元模型網(wǎng)格劃分的最大長度不超過模擬波長的1/6，因此本模型的上部土層網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5 m，中部和下部巖層網(wǎng)格尺寸均設(shè)置為0.8 m。

采用有限元模型模擬彈性半無限地基時在人工截取的邊界上會發(fā)生波的反射從而導(dǎo)致模擬失真，因此本文的巖土層四周和底面均設(shè)為低反射邊界，頂面為自由面。模型采用應(yīng)用較為廣泛的瑞利阻尼，反映振動能量在巖土層中的耗散［11］。

荷載施加方式為在橋墩頂部施加單位簡諧荷載F(t)= cos(2πft)δ(x-vt)。其中：f為頻率；t為時間；δ為相位；v為加載速度。加載頻率為1 ～ 100 Hz，掃頻間隔為2 Hz。

2.2 模擬結(jié)果分析

以施加荷載的橋墩底部地面處為原點，在地面上距橋墩 2.5、7.5、15.0、30.0、45.0、60.0 m 處布置測點。單個頻率激勵下地面豎向位移等值線見圖7。位移響應(yīng)僅反映單位荷載作用下橋墩-樁基-巖土層耦合系統(tǒng)的固有特性。

圖7 單個頻率激勵下地面豎向位移等值線

由圖7 可見：①不同加載頻率下地面豎向位移隨著距橋墩底部距離增加逐漸衰減，越靠近橋墩地面豎向位移越大。15 Hz 以下的低頻和83 Hz 以上的高頻隨距橋墩底部距離增加振動快速衰減，而其間中高頻段振動傳播較遠，30 m 以外在13 ～43 Hz 頻段位移響應(yīng)仍然顯著。②巖土地層中位移響應(yīng)主要集中在60 m區(qū)域，而土質(zhì)地層中位移響應(yīng)主要集中在20 m以內(nèi)近場區(qū)［11］，可見巖土地層對振動的濾波作用較弱。巖土地層中在1 ～100 Hz 的加載頻率下，20 m 以外的地面振動響應(yīng)在10 ～60 Hz頻段頻率成分仍然較為豐富。因此，巖土地層區(qū)段高速鐵路環(huán)境振動評估不僅要考慮20 m 以內(nèi)15 ～83 Hz 中高頻段的地面振動，還應(yīng)關(guān)注20 m 以外的地面振動，尤其是還未完全衰減的10 ～20 Hz較低頻段的振動。

3 結(jié)論

1）運行列車荷載產(chǎn)生的中高頻振動對橋梁上部結(jié)構(gòu)影響顯著，沿著箱梁底板→支座→橋墩中部→橋墩底部垂向傳遞路徑，加速度峰值呈現(xiàn)出明顯的衰減特性，支座處垂向加速度較大。在橋梁樁基與樁周巖土體的耦合濾波作用下，從橋墩底部至地面加速度峰值有所衰減。

2）振動以彈性波的形式在巖土地層中衰減，主要衰減頻率在15 Hz以下和83 Hz以上，其間中高頻段衰減相對較弱。

3）與土質(zhì)地層相比，巖土地層對振動的濾波作用較弱，20 m 以外的地面振動響應(yīng)在10 ～60 Hz 頻段頻率成分仍然較為豐富，應(yīng)特別關(guān)注尚未完全衰減的10 ～20 Hz較低頻段的振動。