華北平原季凍區重載列車振動傳播規律研究

董 捷， 武志輝

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000)

重載鐵路因其具有運能大、成本低、效率高等優勢而受到廣泛重視。與此同時，重載鐵路列車運行引起的環境問題日益嚴重，尤其是噪聲污染及環境振動污染等問題。與普通鐵路相比，重載鐵路列車運行產生的振動具有顯著的低頻、高幅值、長持時等特點，對路基體及周邊環境將造成更大的影響。

國內外眾多學者通過理論分析模型、數值仿真模擬、相似模型試驗結合現場實測數據針對鐵路列車引起的振動問題進行研究，許多預測評估計算模型用來探究列車行駛引起道砟層、路基、地表的動力響應特性。Salvador等[1]研發一套計算程序，該程序可以用來獲取并驗證均勻移動列車荷載作用下道砟層和地面垂向加速度振動情況，并通過實測驗證了該程序計算結果的可靠性。和振興等[2]提出一種車輛-軌道-地基耦合二維平面數值分析模型，預測列車通過時地基振動加速度及頻域成分衰減特性。高廣運等[3]結合薄層法力學分析原理研究地面豎向振動加速度特征。在數值動力仿真研究方面，Zhang等[4]首次運用PFC(Paticle Flow Code)有限差分軟件建立二維有砟軌道模型，分析高速列車荷載作用下軌枕、道砟層及路基體動力特性。Bian等[5]為了更好地闡釋高速鐵路列車振動傳播規律，建立列車-軌道-路基耦合2.5D動力數值分析模型，進一步得出高速列車運行產生振動速度、振級的變化規律。為更逼真地分析列車通過時產生的地表振動傳播特性，Sayeed等[6-7]在研究過程中，通過建立三維有限元數值計算模型，探究高速鐵路列車運行產生的振動響應特性。李瓊林等[8]通過動力有限元數值模擬方法，研究季節變化對列車行駛引起的路基動應力分布規律的影響。馬利衡等[9]建立數值模型研究列車作用下地面的振動響應。在相似模型試驗研究方面，Bian等[10-11]建立高速鐵路軌道相似模型試驗，研究高速鐵路振動響應規律。王啟云等[12]通過軌道-路基實尺試驗模型對列車荷載作用下的路基動力響應進行分析。此外，現場測試可以獲取現場第一手資料，能客觀綜合地反映列車動載作用下真實振動情況。陳建國等[13]通過對地面豎向、橫向振動的現場測試，研究了運行列車引起的地面振動級其傳播規律。Chen等[14-15]通過現場實測振動情況，分別研究了列車荷載作用下路基振動加速度幅值、動土壓力、振動頻譜曲線及地面振動響應規律。Kouroussis等[16-17]為了預測在普通鐵路列車通過時地面振動響應情況，進一步優化傳統三維數值分析模型，并結合實測數據重點研究鋼軌缺陷及列車速度對地面振動的影響。

研究發現，列車振動傳播規律現有研究成果多針對城市軌道交通、高速鐵路，相比而言，關于重載鐵路列車行駛過程中振動響應的研究內容較少。陳迎慶等[18]通過現場測試，得到重載列車不同速度運行時鐵路線不同距離處環境振動振級水平及頻域特性。Petriaev[19]開展現場實測工作，重點研究重載列車通過時基床的動力響應規律，認為隨著列車荷載和速度的增加，基床的動力響應程度大幅度提高。總結發現，針對季節性凍土區重載列車振動荷載激勵作用下路基體及周邊環境動力響應的影響規律的研究尚不多見。

為此，論文現場測試特選擇車型多、開行密度高、地層相對均勻的大秦鐵路陽原段開展現場測試工作，在地表凍土層形成前后，分別對試驗段路堤及周邊環境進行振動加速度測試。論文探討了該季凍區不同時期重載車致振動衰減規律，研究重載列車不同車型、車速、土層含水率及凍土層等因素對振動響應的影響規律。此外，對測得的加速度數據進行快速傅里葉(Fast Fourier Transform Algorithm,FFT)變換求得振動加速度頻譜圖，進一步對比分析了不同時期加速度頻譜圖變化特性。

1 現場監測概況

1.1 測試目的

隨著重載鐵路列車軸重及牽引質量的不斷提高，鐵路路基及周邊場地振動明顯增大，重載鐵路振動持時長、循環次數多、影響范圍廣，由此產生的振動問題日益突出。針對重載鐵路運行引起振動較大的問題，通過對不同時期大秦鐵路線路基及地表振動加速度測試，研究了重載列車振動荷載激勵作用下路基體及周邊環境動力響應規律。大秦線西起山西省大同市(中國最大的煤炭能源基地之一)，東至海濱煤港秦皇島市，線路跨越山西省、河北省及北京市，全長約為643.4 km，是中國第一條開行萬噸重載列車的運煤專用鐵路線。自1992年開通運營以來，鐵道部對大秦鐵路實施持續擴能技術改造，重載列車軸重越來越大、行車的密度越來越髙、列車編組長度越來越長，全線運量逐年大幅提高。目前，其擴能改造隨之引起車致環境振動問題日益突出，且受華北地區京津冀協同發展戰略影響，針對華北地區大秦重載鐵路開展環境振動測試研究工作顯得尤為迫切。

大秦鐵路監測試驗重車線鋼軌采用75 kg/m，輕車線采用60 kg/m，Ⅱ型軌枕為主，采用石灰巖與玄武巖混砟道床，測試段以路堤為主。測試場地位于河北省張家口市陽原縣化稍營鎮，該地區夏季最高氣溫39 ℃，地表土層含水率約為14%～18%，經雨季土壤水分恢復之后，秋季地層含水量可達15%～20%。冬季最低氣溫-27 ℃，其中12月中旬至次年3月為季凍期，平均凍結深度1.5～1.9 m。試驗段位于華北平原地區，地勢開闊平坦，地表多為新黃土，厚度約為2 m左右，其下砂卵石層，且分布較均勻。

1.2 測試方案

為滿足測試精度和所需要的溫度范圍，地表振動加速度測試系統采用cDAQ-9174四槽盒Compact DAQ機箱，一種多通道并行數據采集的高性能數據采集系統，可實現混合傳感器測試采樣，同時適用于混合信號數據的采集；加速度傳感器為高靈敏度CT1100LC型傳感器，該傳感器電壓靈敏度約1 000 mv/g、采集量程為-5～5g、采集頻率范圍0.2～1 600 Hz、數據采集均勻穩定，其性能滿足公路、鐵路車輛荷載引起的地表振動測試工作要求。

重車運行一側沿垂直鋼軌方向共布設8個測點，其中測點1布置在路肩處，測點2布置于路堤坡腳處，測點3～8距路肩水平距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m、55 m、70 m，現場概況及具體測點布置情況,如圖1和圖2所示。測試表明，在重載列車荷載激勵作用下，路堤體及周邊環境鉛垂向振動加速度較大，因此，本次試驗重點研究鉛垂向振動加速度響應規律。

(a) 加速度傳感器

(b) 加速度采集系統

圖2 測點布置示意圖

2 監測結果分析

2.1 非凍結期振動響應

非凍結期監測時間分別為2016年夏季7月中旬和秋季11月26日，地表無凍土層形成，采樣頻率為1 600 Hz，共采集26組數據，208條記錄。列車主要為C80系列、C70、X70等。C80系列重載列車滿載軸質量25 t，空車軸質量5 t，運行速度55～92.7 km/h；C70重載列車滿載軸質量23 t，空車軸質量5.9 t，運行速度56～84 km/h；X70滿載列車軸質量22 t，運行速度62.6 km/h。試驗共采集到5組列車交匯運行數據。

重點針對上述三類重載列車分析振動加速度變化規律，選取時速為71.34 km/h的C80B列車、時速為68.65 km/h的C70列車、時速為62.60 km/h的X70列車。圖3為C80B列車滿載運行時C1、C4、C8測點處振動加速度時程譜。從圖3可知，路肩處振動加速度曲線能清晰的反映列車的編組情況和各輪軸間的相對位置關系，具有較明顯的振動峰值，并呈現明顯周期性變化。隨著測點至路肩距離的增大，振動曲線轉向架輪軸的相對位置關系變得較為模糊，無法清楚的辨認車輪經過的具體時刻，這是因為振動波在傳播過程中，容易產生反射、折射、彌散等現象，導致遠場振動加速度曲線轉向架輪對的非周期性。

(a) C1振動加速度時程譜

(b) C4振動加速度時程譜

(c) C8振動加速度時程譜

Fig.3 Time-histories of the vibration accelerations induced by a C80B train

圖4為振動加速度峰值及平均值隨至路肩距離增大衰減規律曲線，分析可知，隨著列車軸重的增加，路堤及周邊環境振動加速度幅值明顯增大，C80B列車引起的振動響應最大，C1處加速度峰值達到0.67 m/s2，C70、X70分別為0.49 m/s2、0.32 m/s2。在路肩至坡腳0～5 m區域內振動峰值衰減最快，C80B滿載列車作用下，坡腳處振動加速度峰值衰減率最大為71%，C70次之為64%，X70則為54%；在距離路肩5 m及更遠的區域，振動衰減趨勢放緩。

圖4 振動加速度衰減關系對比曲線

圖5反映了滿載C80B列車與空載C80列車交匯運行時路肩處加速度時程譜。結合圖4可知，與列車無交匯運行相比，列車交匯運行引起的振動加速度幅值明顯增大，C80列車交匯運行時路肩處鉛垂向加速度峰值為0.75 m/s2，相對于同期單程C80B滿載列車提高10.7%；坡腳處列車交匯運行加速度峰值為0.29 m/s2，相對于單程列車提高34.3%，加速度平均值為0.07 m/s2，相比提高36.3%；位于測距70 m處的C8測點，列車交匯運行時加速度峰值為0.06 m/s2，相對于單程列車提高20.3%，加速度平均值為0.01 m/s2，相比提高15.4%。

圖5 C80B列車交匯運行加速度時程譜

Fig.5 Time-history of the acceleration induced by C80B trains running in parallel after meeting

2.2 凍結期振動響應

凍結期監測時間為2017-01-22，測量時段處于凍結期，地表凍土層厚度約為1.6 m。監測采樣頻率為1 600 Hz，共采集23組數據，184條記錄。監測列車主要為C80系列、C70、X70等。C80系列列車運行速度約為50～95 km/h，C70列車運行速度62～69 km/h，X70列車運行速度54.14 km/h，本次監測試驗采集3組來往列車交匯運行數據。

選取時速為71.55 km/h的C80B列車、時速為66.40 km/h的C80E列車、時速為68.5 km/h的C70列車、時速為54.14 km/h的X70列車統計分析加速度特征值變化規律。

隨著列車軸重的增加，列車運行時振動加速度幅值明顯增大，C80系列引起的振動加速度最大，C70次之，X70最小,如圖6所示。隨著測點至路肩距離的增大加速度特征值迅速降低，其中路肩到坡腳之間的衰減幅值較大，其余測點的衰減趨勢逐漸減弱。

2.3 車速對振動影響

選取C80B列車不同速度運行時振動加速度進行分析，研究場地振動加速度特征值與列車速度的關系，車速范圍為75.5～91.3 km/h。各測點加速度特征值與列車速度關系，如圖7所示。由于列車速度提升，輪對作用于鋼軌的頻次增加，導致振動響應增強，因此隨著車速的提高振動加速度特征值逐漸增大。相比于其它測點，路肩處加速度變化幅值受車速的影響較小，當車速由75.5 km/h提高到91.3 km/h時，加速度幅值增加18.1%，與路肩相距20 m、70 m處地表振動加速度幅值分別提高了44.0%及22.2%。

圖6 振動加速度衰減關系對比曲線

圖7 列車不同速度加速度衰減曲線

另外，在相距路肩20 m處，車速由75.5 km/h提高到79.8 km/h時，加速度增幅33.7%，車速由81.4 km/h提高到91.3 km/h所對應的加速度增幅為22.8%，同樣相距路肩55 m處加速度相應的增幅分別為31.0%與12.8%，可見，當車速增加到一定程度時，速度的變化對振動加速度幅值的影響程度有所降低。

2.4 凍土層對振動加速度影響分析

季凍區不同時期路堤及周邊地表土層的凍融層厚度分布有所差異，從而對場地振動造成一定影響。論文基于非凍結期及深度凍結期(凍土層約為1.6 m厚)測試數據，針對C80B、C70、X70重載列車荷載激勵，研究凍土層對路堤及周邊環境振動加速度分布的影響規律。

圖8反映了凍土層形成前后場地振動加速度特征值隨路肩距離變化衰減規律，從圖8可以看出，不同時期加速度特征值衰減趨勢基本一致，都表現為路肩至坡腳處衰減幅值較大，其余各點衰減趨勢較為平緩；而凍結期C70與X70貨車運行引起的地表振動加速度特征值在距路肩水平距離10 m后明顯大于非凍結期，這說明凍土層加劇了地表遠場振動反應的強度，由于凍土覆蓋層增大了路堤表層及周邊土體表層的剛度，體系耗能較非凍結期有所減少，致使振動反應強度增大，幅值增大約為10%～26%。

(a) C80B列車運行加速度衰減對比

(b) C70列車運行加速度衰減對比

(c) X70列車運行加速度衰減對比

2.5 凍土層對頻域影響分析

選取夏季、秋季和冬季三個不同時期加速度信號進行快速傅里葉變換(FFT)變換，對比研究地層含水率及凍土層對振動加速度頻譜分布特性的影響。測試試驗段夏秋季節地表土層含水率有一定差異，從夏秋兩季加速度頻域曲線可以看出，含水率不同對振動強度及頻域分布影響較小。圖9反映了測點3、測點8頻譜對比結果。遠離路肩10 m處凍結期頻率分布范圍主要在10～85 Hz，較非凍結期主要頻率15～65 Hz分布范圍廣；在距路肩70 m處的C8測點，相比于非凍結期的頻譜范圍10～55 Hz，凍結期則為20～70 Hz，總之，相比于無凍土層時加速度頻譜分布特性而言，凍土期各測點的頻譜分布范圍較廣，高頻振動成分較為豐富，說明凍土層的存在更便于高頻振動向外傳播。

(a) C3測點頻域對比

(b) C8測點頻域對比

通過對比頻譜曲線幅值可知，C3到C8之間振動能量衰減較快，近場振動以高頻為主，遠場振動以低頻為主，與文獻[20]所得結論基本一致。隨著距離的增加，相對于低頻部分而言，高頻部分的衰減速度更快，低頻振動能量雖然較小，但振動傳播距離更遠。

3 結論

對夏季、秋季、冬季不同時期大秦鐵路重載列車運行條件下路堤及周邊環境振動進行現場實測，論文研究了不同重載車型、車速及季節因素影響下路堤及場地振動傳播特性，結論如下：

(1) 通過對比X70、C70和C80貨運列車運行條件時的地表動力響應發現，鉛垂向加速度峰值隨列車軸重增加而增大，地表加速度特征值隨至路肩水平距離的增大而迅速衰減，路肩到坡腳之間的衰減幅值最大，距路肩更遠的區域，振動衰減趨勢逐漸放緩。

(2) 隨著列車速度的提升，加速度特征值均逐漸增大，但當車速增加到一定程度，約為90 km/h，速度的變化對振動加速度幅值的影響程度有所降低。同樣，列車交匯運行會不同程度地加劇鐵路附近地表振動響應強度。

(3) 對比研究發現，夏秋兩季地表土層不同含水率對地面振動影響較小。地表凍土層的存在使得路堤及場地整體剛度增大，從而導致振動響應加劇；此外，凍土層存在造成振動加速度頻譜分布范圍較廣，高頻成分較為豐富，近場振動以高頻為主，遠場振動以低頻為主。