長城土遺址車輛振動效應測試分析

石玉成，王旭東，郭青林，劉 琨，李 舒

（1.蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局黃土地震工程開放實驗室,甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省巖土防災工程技術研究中心,甘肅 蘭州 730000；4.敦煌研究院, 甘肅 敦煌 736200)

0 前言

作為世界文化遺產，長城具有極高的歷史價值、科學價值和藝術價值。在長期自然環境及人類生產活動的破壞作用下，大量長城遺址已消失在歷史長河中。尤其是分布于西北地區的土長城，所保存下來的遺址也已千瘡百孔、風化剝蝕及大面積坍塌等十分嚴重。因此，對長城的科學保護研究已是當務之急。

天祝縣城以西殘存的漢、明長城，由于缺乏有效的保護措施目前破損嚴重。擬建的高速公路穿越長城土遺址保護范圍之內，車輛振動可能對遺址的保護產生不利影響。根據文物保護需要，需對車輛振動效應進行測試。

車輛或機械振動對文物的影響問題已越來越引起人們的重視。如何科學合理地判定其影響程度并采取必要的防振對策，進行現場實地測試獲取數據是非常必要的。本文選取了3個具有代表性的場地，在不同車輛振動條件下,測試各種振源引起的振動破壞效應,以便為交通道路選線、施工或采取相應的保護工程措施提供依據。目前國內外通常以質點速度來衡量環境振動對建筑物、構筑物或文物的影響參量，并以此提出環境振動限值。為了更為全面地反映車輛振動效應，在本次測試中分別進行了速度和加速度的測試，作為綜合分析時的參考。

1 測試技術及測試結果

1.1 測試儀器

在工程檢測中采用的數字采集儀器應有較寬的頻帶范圍以便使檢測對象的特征頻率置于觀測儀器的幅頻特征曲線的線性范圍內，同時還要求儀器應有較高的靈敏度和分辨率以保證振動幅值的檢測精度。測試儀器采用北京東方振動和噪聲技術研究所研制的 INV306D型智能信號自動采集處理分析儀，該測試系統由采集系統（主機）、DLF-6型六路四合一放大器、檢波器和計算機三部分組成。儀器性能穩定，準確度高。INV306D型采集主機通過標準 RS-232 聯線與計算機實行全自動通訊。采樣通道:16道,前置放大10～10 000倍,程控放大16～256倍;采樣頻率:最低0.001 Hz;采樣分析精度:12位A/D,常規幅值誤差＜0.1%,頻率誤差＜0.01%。該儀器可調整預置參數及存貯振動信號, 具有實時圖形分析與顯示、實時信號處理等功能。根據本次測試工作要求，采用中國地震局工程力學研究所研制的891-2型拾振器，其振動頻率的量測范圍為0.5～500 Hz，最大量程1.8 m/s。為了得到準確的測試結果，測試前對測試系統進行了系統標定，得到了各通道的幅頻特征曲線。

1.2 測試方法及分析處理結果

場地選擇要真實反映城墻未來遭遇到的實際振動情況，測點布置及間距根據場地情況和測試需求進行布設。為反映車輛在不同時段內所引起的振動效應，采集記錄系統對其進行了全過程的實時跟蹤，記錄時間足夠長。同時，為了完整地描述測點在空間的運動狀態，分別測量測點的三個正交分量（徑向、切向、垂直）隨時間變化的加速度和速度時程。

（1）場地Ⅰ測試結果

場地Ⅰ毗鄰一邊坡，邊坡之上為長城土遺址。測點布置見圖 1。車輛振動加速度三分向測試結果列于表1～表3之中，振動速度三分向測試結果見表4～表6。

圖1 場地Ⅰ測點布置圖Fig.1 Layout of measuring points in site Ⅰ.

表1 場地Ⅰ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(徑向)

表2 場地Ⅰ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(切向)

表3 場地Ⅰ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(垂向)

表4 場地Ⅰ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(徑向)

表5 場地Ⅰ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(切向)

表6 場地Ⅰ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(垂向)

（2）場地Ⅱ測試結果

場地Ⅱ選擇一長城墻體進行測試，在墻體上和墻腳下分別布置兩個測點（圖2）。車輛振動加速度三分向測試結果列于表7～表9之中，振動速度三分向測試結果見表10～表12。

圖2 場地Ⅱ測點布置圖Fig.2 Layout of measuring points in site Ⅱ.

表7 場地Ⅱ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(徑向)

表8 場地Ⅱ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(切向)

表9 場地Ⅱ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(垂向)

表10 場地Ⅱ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(徑向)

表11 場地Ⅱ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(切向)

（3）場地Ⅲ測試結果

場地Ⅲ選擇一平坦場地進行測試，場地較為堅硬。測點布置見圖 3。車輛振動加速度三分向測試結果列于表13～表15之中，振動速度三分向測試結果見表16～表18。

表12 場地Ⅱ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(垂向)

圖3 場地Ⅲ測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points in site Ⅲ.

表13 場地Ⅲ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(徑向)

表14 場地Ⅲ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(切向)

表15 場地Ⅲ車輛振動峰值加速度（PGA）測試結果(垂向)

表16 場地Ⅲ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(徑向)

表17 場地Ⅲ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(切向)

表18 場地Ⅲ車輛振動峰值速度（PGV）測試結果(垂向)

測試結果表明：

（1）車輛行駛所產生的振動頻率一般在10～30 Hz范圍內，中低頻率成分較為豐富。在場地Ⅰ測得的各測點的振動峰值加速度范圍為 0.063～13.889 cm/s2，振動峰值速度范圍為 0.002～0.05 cm/s；在場地Ⅱ測得的各測點的振動峰值加速度范圍為 0.733～49.217 cm/s2，振動峰值速度范圍為0.007～0.201 cm/s；在場地Ⅲ測得的各測點的振動峰值加速度范圍為0.004～9.40 cm/s2，振動峰值速度范圍為0.002～0.058 cm/s。

（2）車輛振動效應與車輛載重和車速關系很密切，車輛越重、速度越快，振動幅值明顯增大。

（3）隨著距離的增大，振動幅值總體上呈衰減趨勢，尤其當場地條件較為堅硬時衰減更為明顯；但當場地較為松軟且車輛較重時，在一定范圍內振動幅值反而增大。

（4）墻體對振動會產生一定的放大效應，墻體頂部的振動效應要比墻腳明顯。

（5）上述3個場地的測試結果表明，振動加速度和速度總體上較小，當車輛會車或連續過車時，振動幅值較大。

2 長城土遺址文物振動防護閾值分析

關于有重要意義的文物振動防護標準問題振動防護標準的確定問題非常復雜，它與巖土建筑文物的結構形式、地基的巖土性質、附屬構筑物特征及現狀的不同情況等許多因素有關，且應留有一定的安全裕度。德國（DIN4150標準）對作為文物保護的重要遺跡、古建筑和歷史性建筑物的爆破振動防護標準為3 mm/s；英國(Ashley)對古建筑和歷史紀念物的爆破振動防護標準為7.5 mm/s；葡萄牙(Esfevs)對需特別保護的歷史紀念物（均勻的砂石）的環境振動標準為5 mm/s；瑞士（SN460 312）對振動敏感的結構、具有歷史意義的紀念性建筑物的環境振動標準為3～5 mm/s；我國的《機械工業環境保護設計規定》(JB11-88)對有保護價值的建筑物和古建筑（針對于文物保護而言），一般情況下速度限值為3～5 mm/s（30～60 Hz）[1-3]。在通常條件下，振動主頻率越高，其速度限值越高。鑒于土長城遺址的重要性和抗震現狀，峰值速度閾值可確定為1.5 mm/s，其安全性是可以得到保障的。

3 結論和建議

（1）本文的測試方案可較好地反映車輛振動效應的實際情況，其結果可作為設計施工部門進行抗振分析、安全評估和制定振動防護措施的重要依據。

（2）不同場地條件和不同車輛振動條件下，絕大部分測點的振動速度峰值小于1.5 mm/s，對長城文物不會產生影響；但在車輛組合振動條件下，個別測點振動速度峰值較大，達到 2 mm/s，峰值加速度達到49 cm/s2，相當于遭到Ⅴ度地震的襲擊，達到了振動公害的控制標準或經驗值，對長城文物有一定影響。

（3）需要說明的是，車輛振動源引起的破壞效應常常是非常復雜的，既與振動源（車重、車速等）有關，也與場地條件、建筑物本身抗震能力有關。盡管本次測試結果較小，但若擬建高速公路距離長城遺址較近，且高速公路建成運營后車輛行駛速度提高，仍將對長城文物產生不利影響。

（4）建議在高速公路選線和布局時，考慮與長城土遺址的距離關系。同時，需要特別指出的是，必須高度重視未來施工機械振動對長城的影響問題，目前在高速公路建設中常用的設備有裝載機、挖掘機、混凝土攪拌機、強夯機、壓路機等大型機械，其中尤以強夯機、壓路機振動最為強烈，其振動強度要比本次測試的車輛振動大得多，肯定會對土遺址文物產生嚴重影響，建議施工單位在穿越長城文物保護區施工時，要采取切實有效的防護措施（如改變傳統的施工工藝，開挖減振溝等），確保文物安全。同時，在施工之前應開展詳細的試驗性測試工作，進一步監測大型施工機械振動效應，確保機械振動對長城文物無明顯不利影響。

（5）建議文物管理部門對殘存的長城土遺址進行搶救性保護，對城墻基礎進行加固，對墻體可考慮采用適當的工程措施予以保護處理，以抵御環境振動和風蝕等災害的影響。同時，在高速公路建成運營后，建議與交通行政主管部門進行協商出臺相關政策，在通過長城遺址保護范圍時，車輛限速在60 km/h以內。

[1]陳丙午,林學文,陳雪茜,等.爆破振動對莫高窟的影響[J].敦煌研究文集（上）:125-133，蘭州：甘肅民族出版社.

[2]中國工程建設標準化協會建筑振動專業委員會.建筑振動工程手冊[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]林宗元.巖土工程勘察設計手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1996.