列车引起饱和土场地地面振动实测分析

张燕，郑鑫，2，庞惟肖，李波

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.中国地震局工程力学研究所）

列车引起饱和土场地地面振动实测分析

张燕1，郑鑫1，2，庞惟肖1，李波1

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.中国地震局工程力学研究所）

为了研究列车经过引起的环境振动在饱和土场地的传播特性，对滨洲（哈尔滨到满洲里）铁路大庆市龙凤湿地段列车经过引起轨道附近地面振动进行现场观测。通过振动级通用方法计算得到线型台阵各实测点三分之一倍频程各中心频率的加速度振动级，对比研究客、货两类列车引起的振动加速度幅值和加速度振动级衰减关系。结果表明：随着距轨道中心线距离的增加，加速度幅值和加速度振动级逐渐减小；列车经过时，在30 Hz～80 Hz频段振动加速度级增加；列车运行速度对振动加速度级的影响比载重和车厢数大。

地面振动；加速度振动级；饱和土场地

随着人类社会发展，人口迅速增长，人们出行引起的交通拥堵问题越来越显著，轨道交通作为解决交通不便、交通拥堵问题最便捷、便宜的交通工具之一，已经遍布在世界各地的每个角落。但是随着轨道交通发展出现的环境振动与振动噪声问题也引起了人们的关注。日本作为振动影响最为严重的国家之一，1976年，吉冈修、Takemiya等[1]对新干线线路两侧的环境振动问题进行调查，分析了不同场地、不同地基条件下的地基土卓越周期、振动的衰减规律、衰减关系。茅玉泉[2]通过一系列的实测实验研究了交通运输车辆引起的地面振动特性和振动传播衰减规律。陶夏新[3]研究了城市轨道周边自由地表垂向振动的特性及其传播规律。陈建国等[4]通过建立车—桥子系统模型和墩—土子系统模型对高架桥轨道交通引起的环境振动问题进行了理论分析和数值计算。高广运等[5]在上海地铁一号线进行振动测试，结合轨道加速度测试数据及车辆体系振动方程，建立地铁列车振动模拟荷载的数定表达式，分析地铁引起的地面振动响应。虽然对于轨道交通引起的环境振动已经有了大量的研究，但针对轨道交通引起季节性冻土区饱和土场地环境振动的报道很少。为了探索季节冻土区饱和土场地的动力特性，对2014年冬季观测得到的不同类型车辆经过引起环境振动的加速度振动级进行对比研究，得到不同类型车辆引起冻饱和土场地环境振动的振动级衰减关系。

1 现场观测

为考察轨道交通引起季冻区饱和土场地振动的传播规律、衰减特性，在借鉴以往研究成果中轨道交通引起环境振动衰减规律的基础上，设计了垂直于轨道方向的10点线型衰减观测台阵。点位布设平面图如图1所示。

图1 台阵测点的平面布置图Fig.1The layout of the observed array

观测台阵的GPS坐标为北纬46.509°，东经125.149°。观测区域地势平坦，长期处于饱和状态。文章的观测时间分别为2014年1月，观测时室外温度为-26摄氏度，冻土深度1.8 m。经过台阵的列车型号不同，有客车、货车、单独车头等，对这些经过车辆一一采集数据备用。以如图2a、图2b所示的客运列车和货运列车为例进行研究，其中客运列车的平均运行速度为121 km·h-1，车厢数为17，货运列车的平均运行速度为55 km·h-1，车厢数为58。

2 实测结果分析

2.1 各方向振动最大加速度衰减

观测仪器采用图3所示的JM5842无线加速度观测仪，按图1所示台阵布点，10个测点同时触发，同步记录台阵各点在列车通过时的地表x（平行轨道方向），y（垂直轨道方向）及z（铅垂方向）的加速度时程，采样频率为256 Hz。

a.观测客运列车

图2 过往的客运、货运列车Fig.2Passing passenger train and cargo train

图3 JM5842加速度观测仪Fig.3JM5842 acceleration testing instrument

振动最大加速度衰减关系是指各个测点的振动加速度幅值与距轨道中心线距离的拟合曲线。客运列车各点z方向加速度幅值和货运列车各点z方向加速度幅值见表1，其衰减图形如图4、图5所视。

表1 客运列车和货运列车的振动加速度幅值/m·s-2Table 1The vibration acceleration amplitude of passenger train and cargo train/m·s-2

由图4、图5可以看出，近轨道测点处客运列车的加速度幅值大于货运列车，这与列车运行的速度有关；随距离轨道中心线距离增加，振动加速度幅值逐渐减小，y=30 m以后两类列车引起振动的加速度幅值衰减趋于平稳。

图4 客运列车振动加速度幅值衰减关系Fig.4The attenuation relationship of vibration acceleration amplitude caused by passenger train

图5 货运列车振动加速度幅值衰减关系Fig.5The attenuation relationship of vibration acceleration amplitude caused by cargo train

2.2 加速度振动级衰减

轨道交通引起的环境振动是复杂振动信号，它包含多种频率成分。国际上通常用加速度来评价振动强度[6]，加速度振动级可定义为：

其中aref为振动加速度基准值，我国标准取10-6m/ s2[1]，arms为振动加速度有效值（加速度有效值能较好反应振动能量传递结果），加速度有效值为：

式中Pw（x，f）为加速度功率谱密度，f1、f2为上、下限频率。

1/3倍频程计算振动加速度级是国际通用的分析环境振动的方法[7]。1/3倍频程是指评价振动时各频率段的范围，它不仅能够获得详细的频谱，而且每隔10个频带中心频率增大10倍，其中心频率为1，1.25，1.6，2，2.5，3.15，4，5，6.3，8 Hz，可按比例增大或缩小[8]。1/3倍频带上限频率与下限频率的关系为上、下限频率与中心频率的关系为根据这些关系以及中心频率求得上、下限频率。根据式（1）和式（2）计算得到客运列车经过产生振动引起地表各点加速度级如图6所示，得到货运列车经过产生振动引起地表各点加速度级如图7所示。

图6 客车经过各点振动加速度级Fig.6Vibration acceleration level of passenger train passing

图7 货车经过各点振动加速度级Fig.7Vibration acceleration level of cargo train

由图6、图7可见，随着频率的增加冬夏两季的振动加速度级整体呈上升趋势，这与王福彤副教授的研究结果相似[9]；无论是客运列车还是货运列车经过引起的振动在30 Hz～80 Hz频段的振动级高，25 Hz以下的各频带振动级较小，距离轨道中心线30 m以后的点在频率为16 Hz时，振动加速度级较为突出；从y=10 m、y=20 m可以明显看出客运列车引起振动的加速度级比货运列车高，不论从载重和车厢数来看，货运列车都高于客运列车，唯有运行速度低于客运列车，说明列车运行速度对于振动影响更为显著。

3 结论

在对冬季饱和土场地轨道交通引起环境振动实际观测的基础上，对比分析客运、货运两类列车铅垂方向的振动加速度级，得到以下结论：a随着距轨道中心线距离的增加，振动的加速度级大体上呈衰减趋势；b轨道交通荷载引起的环境振动的振动频率集中在30 Hz～80 Hz；c列车运行速度比列车载重、列车长度对振动的影响显著。

［1］张昕.高架轨道交通引起环境振动的实测和理论分析研究［D］.上海：同济大学，2002.

［2］茅玉泉.交通运输车辆引起的地面振动特性和衰减［J］.建筑结构学报，1987（1）：12-19.

［3］王福彤，陶夏新，崔高航，等.地面城轨交通近轨道区域自由地表振动实测研究［J］.振动与冲击，2011，30（5）：131-135.

［4］陈建国，夏禾，曹艳梅.高架轨道交通引起的环境振动影响分析与预测［J］.程力学，2012，29（6）：285-291.

［5］高广运，朱林圆，李卫华，等.上海地铁一号线人民广场振动测试与分析［J］.地震工程学报，2014，36（3）：429-433.

［6］崔高航.轨道交通引起环境振动研究及轨道谱参数虚拟反演［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

［7］张向东，闫维明，任珉，等.交通环境振动测试中的本底振动分析［J］.振动与冲击，2009，28（4）：177-179.

［8］陈建国，高架轨道交通引起的环境振动预测与参数研究［D］.北京：北京交通大学，2009.

［9］王福彤.城市轨道交通地面振动源的频域反演［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

Test Analysis of Ground Vibration in Saturated Soil Site Caused by Train

Zhang Yan1，Zheng Xin1，2，Pang Weixiao1，Li Bo1
（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration）

In order to investigate propagation characteristics of the environmental vibration caused by train in saturated soil site，a practical test of ground vibration was conducted in Bin-Zhou rail，which passed the Longfeng wetland of Daqing.The acceleration vibration level of a third octave center frequency of the linear array every measured point was obtained by the general formula of vibration level，comparatively study the attenuation relationship of vibration acceleration amplitude and the acceleration vibration attenuation relations caused by passenger train and cargo train.The test results showed that the attenuation relationship of vibration acceleration amplitude and the vibration acceleration level of vibration was substantially decreased with the increasing distance from the point to the track.When the train passed，the vibration acceleration increased in 30 Hz-80 Hz.The influence of train running speed was bigger than load and the number of cars for vibration acceleration level.

ground vibration；vibration acceleration level；saturated soil site

TB53

A

1002-2090（2017）01-0115-04

2015-03-21

黑龙江省教育厅科学技术研究面上项目（12531441）；黑龙江省自然科学基金面上项目（E201330）。

张燕（1992-），女，黑龙江八一农垦大学工程学院2013级硕士研究生。

郑鑫，男，副教授，硕士研究生导师，E-mail:zhxin@aliyun.com。