王 強 袁 成 習(xí) 博 杜廣宇 劉 洋

(1. 中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100844； 2. 西南交通大學(xué)， 成都 610031；3. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 武漢 430063； 4. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

地震是一種發(fā)生概率小但對鐵路行車安全危害性極大的突發(fā)性自然災(zāi)害，往往會在極短時間內(nèi)造成十分嚴(yán)重的災(zāi)害損失和人員傷亡[1-3]。特別是當(dāng)列車運行速度達到200 km/h以上時，地震對路基、橋梁、軌道等結(jié)構(gòu)的沖擊可能導(dǎo)致危害旅客生命安全的重大事故。地震是高速鐵路運營安全的重要隱患，高速鐵路較為發(fā)達的日本、法國、德國、韓國以及中國臺灣地區(qū)等，均建立了地震監(jiān)測與緊急處置系統(tǒng)，以防止或減輕地震災(zāi)害對鐵路運輸安全的危害。按照報警時效性來分，地震監(jiān)控系統(tǒng)一般分為報警系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)兩類。地震報警系統(tǒng)主要通過監(jiān)測S波，當(dāng)?shù)卣饎蛹铀俣冗_到一定閾值后發(fā)出警報，采取相應(yīng)應(yīng)急措施減少災(zāi)害損失；而地震預(yù)警技術(shù)則是利用P波和S波的速度差(本地預(yù)警)、電信號和地震波的速度差(異地預(yù)警)，在地震發(fā)生后，當(dāng)破壞性地震波尚未來襲前發(fā)出預(yù)警，從而采取相應(yīng)措施，避免重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[4]。

在目前地震預(yù)報技術(shù)還很不成熟的情況下，發(fā)展地震預(yù)警技術(shù)是減輕或避免地震對高速鐵路危害的重要措施[5]。因此，相繼建立了高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)[6-8]。測震井是高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)中重要的組成部分。然而現(xiàn)階段高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的測震井問題仍然比較突出，且隨著運行速度的增加，將對測震井的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)提出了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。因此需對測震井關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)開展系統(tǒng)研究，提出需求建議。梳理運營期間地震預(yù)警系統(tǒng)測震井問題后，重點關(guān)注測震井在幾何尺寸方面存在的問題，提出解決措施建議。

本文通過建立數(shù)值仿真分析模型，施加地震波，研究測震井設(shè)置深度及截面尺寸對地震動監(jiān)測精度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，測震井幾何尺寸對測量精度有一定的影響，地震波在測震井中的傳播具有放大效應(yīng)。

1 幾何模型及計算方法

建立儀器墩-測震井-土體耦合地震模型，固定儀器墩尺寸為0.4 m×0.4 m×0.1 m，調(diào)整測震井截面尺寸和深度，研究測震井尺寸對監(jiān)測精度的影響。設(shè)計4組幾何模型，改變測震井長寬高的尺寸如表1所示，分別對各個幾何模型施加3種強度下的3種地震波進行加速度響應(yīng)分析，即每組幾何模型進行3個工況的分析，總共12個工況。在本節(jié)的分析中，模型尺寸為15 m×15 m×50 m。土體采用M-C本構(gòu)模型，彈性模量50 MPa，泊松比為0.3，內(nèi)摩擦角為20°，粘聚力為20 kPa，密度為1.8 g/cm3。邊界條件為：儀器墩與測震井綁定連接，模型頂面與測震井頂面標(biāo)高相同；地震作用以加速度時程的方式施加在模型底部，底部的側(cè)向和縱向加速度為0；模型水平振動方向側(cè)面上等高度的點位移相同，施加多點耦合約束；模型四周邊界面上的縱向位移被限制，這種邊界條件被稱為“free horizontal& zero vertical”，在國內(nèi)外地震荷載的模擬中廣泛應(yīng)用，取得了較好的結(jié)果[9-11]。

表1 數(shù)值模擬中的幾何模型、地震波類型及動強度表

2 模態(tài)和自振頻率分析

由于測震井尺寸較土域的范圍相對較小，故整個模型的自振頻率主要由土體決定，不同幾何模型的自振特性差異不大，故本節(jié)以幾何工況S6為代表，進行水平方向的自振頻率和模態(tài)分析，研究帶測震井場地的基本動力特性。在Abaqus頻率分析步中計算得到水平方向的前4階位移陣型如圖1所示。從圖1可以看出，陣型的位移云圖呈明顯的水平分層分布，前4階自振頻率分別為0.4 Hz，1.2 Hz，2.0 Hz和2.8 Hz，頻率間隔均為0.8 Hz。由一維場地地震波傳播理論可知，自由場地的1階頻率為Vs/(4H)，其中V是土體剪切波速，H為上覆土層厚度。模型中的場地彈模50 MPa，剪切波速為103.4 m/s，土層厚50 m，一維理論計算得到的1階自振頻率為0.51，略大于三維有限元中得到的結(jié)果，這是由于一維假設(shè)下，所有質(zhì)點的縱向位移和側(cè)向位移被假設(shè)為0，使得一維模型剛度大于實際三維條件的緣故。此外，觀察不同陣型測震井處的位移可知，在低階振型下，測震井頂面左右的位移幾乎相同，而隨著振型階數(shù)增加，測震井頂面位移分布不再水平，離地震作用方向較近的一側(cè)(即圖1(d)中左側(cè))位移會超過右側(cè)，測震井會出現(xiàn)一定程度的“搖擺振動”，而測震井周圍的土體振動也隨之受到影響。

圖1 測震井-土場地前四階振型圖

3 測震井周圍土體加速度時程曲線對比

選取幾何模型S6在3種地震波作用下，測震井周圍1 m處土場地的加速度進行分析。輸入地震加速度，以及儀器墩頂部監(jiān)測得到加速度時間曲線分別如圖2所示。從圖2可以看出，各個監(jiān)測點信號出現(xiàn)的時間不同，這是因為地震波由基巖向地面方向傳遞，經(jīng)過不同深度的監(jiān)測點時存在時間差。在EL Centrol波，地震動強度0.2g的工況下，加速度從土域底部傳遞至監(jiān)測信號處土體放大程度較小，從監(jiān)測信號處土域傳遞至土域頂面放大明顯。土域底面監(jiān)測點的加速度峰值為0.199 m/s2,監(jiān)測信號處土體加速度峰值為0.200 m/s2,土域底面的加速度峰值為0.375 m/s2。在Kobe波和Wc波時也有相同的特征。這是因為測震井剛度大于土體，地震波傳遞至測震井會出現(xiàn)放大效應(yīng)，從而影響周圍土體的振動。

圖2 不同地震波作用下幾何模型S6的加速度時間曲線圖

4 地震過程的加速度云圖

以幾何模型S6在EL centrol波作用下的計算模型為代表，輸入地震動0.2g，分析不同時刻加速度傳播特征。將不同時刻模型加速度繪制在變形圖上，如圖3所示。從圖3可以看出，初始時刻尚未施加地震作用，整個模型的加速度均為0；0.102 s時刻，底部區(qū)域在地震作用下發(fā)生位移，加速度有明顯的分層現(xiàn)象，且振動正在朝模型頂部傳播；0.3 s時刻，振動繼續(xù)朝模型頂部傳播，傳播到達的區(qū)域均會發(fā)生相應(yīng)的變形，振動波未到達的區(qū)域則沒有加速度和位移；0.504 s時刻，振動波首次達到頂部，此時模型頂部加速度最小，為10-9m/s2數(shù)量級；1.212 s時刻，攜帶最大能量的輸入波信號波到達模型頂部，此時模型頂部的加速度信號達到局部最大，但由于仍有后續(xù)波到達，此時模型頂部加速度信號仍未到達最大；5.526 s時刻，模型頂部加速度達到最大，測震井周圍土域的信號也達到最大。

圖3 不同時刻場地中加速度傳播 (幾何模型S6，EL centrol地震波)圖

提取加速度最大時刻的測震井模型位移云圖如圖4所示。從圖4可以看出，測震井周圍土體的位移較測震井相對較大，場地土的位移以剪切變形為主，而測震井由于尺寸較小，自身應(yīng)變較小，其變形主要是水平向的剛體位移為主。

圖4 測震井模型位移云圖(加速度最大時刻)

應(yīng)力最大時刻測震井和儀器墩的位移云圖如圖5所示。從圖5可以看出，地震作用下測震井最大應(yīng)力出現(xiàn)在測震井底部4個角點處，這主要是應(yīng)力集中導(dǎo)致的?？傮w上，測震井和儀器墩的應(yīng)力較小，對混凝土材料，尚未進入塑性變形，結(jié)構(gòu)安全。

圖5 測震井和儀器墩的應(yīng)力云圖(5.478 s)

5 不同尺寸測震井周圍土體加速度PGA放大系數(shù)比較分析

將不同幾何尺寸測震井周圍土體的加速度峰值(PGA)除以模型底部的加速度進行歸一化，即為PGA放大系數(shù)。3種地震波作用下測震井幾何尺寸與PGA放大系數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出，不同測震井尺寸下土域頂面的加速度均會放大，幾何編號為S6的模型土域頂面PGA放大系數(shù)最大。與底部輸入信號相比，儀器墩頂部的PGA放大系數(shù)也有一定程度放大，總體上，汶川波的放大系數(shù)較El centrol波和Kobe小，這是由于汶川波本身的卓越頻率較場地卓越頻率偏離最多的緣故。儀器墩的信號與地震輸入信號較為接近，放大系數(shù)一般都小于1.5，反映出測震井可以監(jiān)測到較為準(zhǔn)確的地震信號。另外，對于Kobe波和汶川波，測震井埋深越深，測震井周圍的土體加速度信號越大，主要是由于測震井結(jié)構(gòu)為混凝土制成，自身剛度遠(yuǎn)大于周圍土體，在波傳播過程中能量會朝著剛度大的區(qū)域聚集，導(dǎo)致測震井周圍土體振動比自同等條件下的自由場振動劇烈。

圖6 不同地震波作用下測震井幾何尺寸與PGA放大系數(shù)之間的關(guān)系圖

在測震井尺寸對PGA放大系數(shù)的影響方面，不同幾何模型下土域頂部和儀器墩的PGA放大系數(shù)與波型密切相關(guān)。EL centrol波作用下，監(jiān)測信號與地震輸入信號之間差別較小，埋深最淺的工況S7的監(jiān)測信號最大，井橫向最寬的工況S9的監(jiān)測信號最小，S9工況下的監(jiān)測信號甚至略小于地震輸入信號。Kobe波作用下，埋深最深的工況S8監(jiān)測信號最大，其次是S9；S6和S7的監(jiān)測信號最小，且二者較為接近，PGA放大系數(shù)約為1.2左右。汶川波作用下，埋深最淺的工況S7放大系數(shù)最小，僅為0.74左右，S9的放大系數(shù)為1.01，S6的放大系數(shù)最大，為1.12。

S6和S9工況深度相同，S9截面尺寸大于S6。整體來看S6和S9工況在地震波作用下監(jiān)測信號的放大系數(shù)接近，截面尺寸對監(jiān)測信號的影響不大。S6、S7、S8工況截面尺寸相同，S7深度最小,S8深度最大。在EL centrol波作用下3種工況的放大系數(shù)比較接近，然而在Kobe波作用下深度最大的S8工況放大系數(shù)最大，深度最小的S7工況放大系數(shù)最小。在汶川波作用下，S7工況的放大系數(shù)小于1，其他工況放大系數(shù)較為接近?？梢钥闯?，測震井深度對監(jiān)測信號的影響較大，且有深度越大時，監(jiān)測誤差越大的趨勢。

綜合4種測震井尺寸在3種地震波作用下的響應(yīng)分析，幾何編號為S6和S7下的儀器墩頂部PGA放大系數(shù)與輸入信號最為接近?？紤]到汶川波作用下，S7工況下的監(jiān)測信號會略小于輸入信號，對安全防護不利，故建議選用S6工況下的測震井設(shè)計，即長寬高分別為3 m、3 m、6 m。

6 結(jié)論

本文建立了地震作用下的測震井動力響應(yīng)模型，研究了地震波類型，輸入地震動強度，測震井幾何設(shè)計尺寸對儀器墩監(jiān)測地震信號精度的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在3種地震波作用下，加速度從土域底部傳遞至土域頂面的過程都具有放大趨勢，特別是在靠近測震井時，土體加速度的放大效應(yīng)更為明顯。這是因為測震井剛度大于土體，地震波傳遞至測震井會出現(xiàn)放大效應(yīng)，從而影響周圍土體的振動。

(2)場地土的位移以剪切變形為主，而測震井由于尺寸較小，自身應(yīng)變較小，其變形主要是水平向的剛體位移為主。地震作用下測震井最大應(yīng)力出現(xiàn)在測震井底部4個角點處，這主要是應(yīng)力集中導(dǎo)致的。

(3)綜合4種測震井尺寸在3種地震波作用下的響應(yīng)分析，從提升動強度較大時的地震預(yù)警精度角度考慮，施工條件允許的情況下，建議測震井尺寸為3 m×3 m×6 m。