綜合交通樞紐場(chǎng)地土體振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)研究

易 兵，高 慰，李青良，李小珍，梁 林

（1.重慶城市綜合交通樞紐開(kāi)發(fā)投資有限公司，重慶430000；2.西南交通大學(xué) 橋梁工程系，成都610031；3.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶430000）

綜合交通樞紐作為綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，集各種運(yùn)輸方式信息、設(shè)備和組織管理于一體，其帶來(lái)的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題也引起了人們的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外針對(duì)綜合交通樞紐振動(dòng)問(wèn)題的研究主要采用經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型、解析模型和數(shù)值分析模型[1-5]三種方法，而數(shù)值分析模型是最常用的方法，采用數(shù)值分析模型必然涉及土體的振動(dòng)傳遞特性分析。本文采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)某綜合交通樞紐的土體振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行了分析。

針對(duì)土體的振動(dòng)特性的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用振動(dòng)傳遞函數(shù)[6-9]對(duì)其進(jìn)行分析。土體振動(dòng)傳遞函數(shù)根據(jù)土體的詳細(xì)參數(shù)對(duì)土體的振動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，但其預(yù)測(cè)的精確性還有待于進(jìn)一步研究。

本文采用更為直接的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究振動(dòng)波在場(chǎng)地中的傳播規(guī)律，為綜合交通樞紐環(huán)境振動(dòng)的數(shù)值分析提供土體振動(dòng)傳遞特性參數(shù)，同時(shí)也為類似工程的土體振動(dòng)傳遞試驗(yàn)提供一種參考方法。研究振動(dòng)波在場(chǎng)地中的傳播規(guī)律，進(jìn)行地面振動(dòng)傳播及衰減試驗(yàn)。同時(shí)，準(zhǔn)確測(cè)定場(chǎng)地振動(dòng)傳播和衰減規(guī)律，也是準(zhǔn)確確定有限元計(jì)算[10-15]參數(shù)所需要的。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)的對(duì)象為重慶沙坪壩綜合交通樞紐，該樞紐由成渝高鐵、輕軌1號(hào)線、輕軌9號(hào)線、輕軌環(huán)線及城市下穿道路等形成的一個(gè)立體交叉空間交通系統(tǒng)。該樞紐為國(guó)內(nèi)外首個(gè)集高速鐵路、城市軌道交通、城市道路及大型上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)為一體的超級(jí)綜合體。本次測(cè)試區(qū)域?yàn)檎痉勘眰?cè)雙子塔基坑，圖1給出了測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖1 雙子塔基坑現(xiàn)場(chǎng)圖

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)為場(chǎng)地地面振動(dòng)傳播試驗(yàn)：以人為敲擊為激勵(lì)，測(cè)量距敲擊點(diǎn)一定距離內(nèi)的地面振動(dòng)加速度，以考察不同頻率振動(dòng)波在場(chǎng)地內(nèi)的水平傳播及衰減規(guī)律。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置、測(cè)試設(shè)備與方法

在基坑內(nèi)選取3個(gè)位置，布置3組測(cè)點(diǎn)。第1組測(cè)點(diǎn)CD1，共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為5 m，布置方向?yàn)槟媳毕颍ù怪避壍婪较颍?，測(cè)點(diǎn)編號(hào)N1，N2，N3，N4；第2 組測(cè)點(diǎn)CD2，共布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5 m，布置方向?yàn)槟媳毕颍ù怪避壍婪较颍?，測(cè)點(diǎn)編號(hào)N1，N2，N3，N4；第3 組測(cè)點(diǎn)CD3，共布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5 m，布置方向?yàn)闁|西向（沿軌道方向），測(cè)點(diǎn)編號(hào)N1，N2，N3，N4，N5。具體測(cè)點(diǎn)布置情況示意圖見(jiàn)圖2，測(cè)點(diǎn)布置現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖3。

圖2 3組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

每個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)測(cè)試3個(gè)加速度方向，分別為Z向（豎向）、X向（東西向）和Y向（南北向）。圖3給出某測(cè)點(diǎn)布置圖及人工激勵(lì)施加示意圖。

試驗(yàn)采用INV3060S 智能信號(hào)采集儀（16 通道），加速度傳感器采用891-II 型傳感器，力錘采用LC1304B型，錘頭材質(zhì)為鋼。對(duì)3組測(cè)點(diǎn)依次采集，每組測(cè)點(diǎn)采集12組數(shù)據(jù)（采用人工激勵(lì)），激勵(lì)點(diǎn)距第一個(gè)測(cè)點(diǎn)5 m，采樣頻率取1 024 Hz，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集3個(gè)方向加速度，圖5為振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖3 3組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 人工激勵(lì)及測(cè)點(diǎn)加速度傳感器布置圖

圖5 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：m）

試驗(yàn)采用一次錘擊方式，圖6給出了錘擊力的頻譜曲線，可以看出：錘擊力在0～500 Hz 頻段內(nèi)均可激起較大的振動(dòng)，這說(shuō)明錘擊試驗(yàn)是可行的。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 頻域分析

圖7－圖9分別給出了在人工激勵(lì)下第1、第2和第3 組測(cè)點(diǎn)（CD1、CD2 和CD3）的振動(dòng)加速度級(jí)頻譜圖。第1 組測(cè)點(diǎn)N1、N2、N3、N4 分別為距離激勵(lì)點(diǎn)5 m、10 m、15 m、20 m的測(cè)點(diǎn)，從圖7可以看出，東西向、南北向和豎向振動(dòng)均為N1的振動(dòng)加速度級(jí)最大，分別為77.6 dB、84.1 dB、85.6 dB，在人工激勵(lì)下東西向的振動(dòng)加速度響應(yīng)最小，南北向與垂向振動(dòng)響應(yīng)接近。

從圖7可以看出N2、N3、N4 的振動(dòng)響應(yīng)大小衰減不大，振動(dòng)衰減主要集中在5 m～10 m范圍。

圖6 錘擊力頻譜曲線

東西向、南北向和豎向振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻率集中在40 Hz～250 Hz。

第2 組測(cè)點(diǎn)N1、N2、N3、N4 分別為距離激勵(lì)點(diǎn)5 m、10 m、15 m、20 m 的測(cè)點(diǎn)，從圖8可以看出，N1測(cè)點(diǎn)東西向、南北向和豎向的最大振動(dòng)加速度級(jí)分別為73.8 dB、75.1 dB、77.3 dB，在人工激勵(lì)下東西向振動(dòng)響應(yīng)最小，南北向次之，垂向振動(dòng)響應(yīng)最大。從圖8可以看出，東西向、南北向振動(dòng)在63 Hz～250 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)隨離激勵(lì)點(diǎn)的增加衰減明顯，在5 m～10 m范圍內(nèi)衰減最快；豎向振動(dòng)在20 Hz～250 Hz頻率范圍內(nèi)衰減明顯，在5 m～10 m 范圍內(nèi)衰減最快。東西向、南北向和豎向振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻率范圍集中在16 Hz～250 Hz。

圖7 第1組測(cè)點(diǎn)CD1振級(jí)頻譜圖

第3組測(cè)點(diǎn)N1、N2、N3、N4、N5分別為距離激勵(lì)點(diǎn)5 m、10 m、15 m、20 m、25 m 的測(cè)點(diǎn)，從圖9可以看出，N1 測(cè)點(diǎn)東西向、南北向和豎向的最大振動(dòng)加速度級(jí)分別為77.1 dB、75.0 dB、80.7 dB，在人工激勵(lì)下南北向振動(dòng)響應(yīng)最小，東西向次之，垂向振動(dòng)響應(yīng)最大。

從圖9可以看出，東西向、南北向振動(dòng)在1 Hz～250 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)隨離激勵(lì)點(diǎn)的增加衰減明顯，在5 m～10 m 范圍內(nèi)衰減最快；豎向振動(dòng)在20 Hz～250 Hz 頻率范圍內(nèi)衰減明顯，在5 m～10 m 范圍內(nèi)衰減最快。東西向、南北向和豎向振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻率范圍集中在16 Hz～250 Hz。

綜上所述，3組測(cè)點(diǎn)在人工激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)情況略有差別，第1 組測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率范圍為40 Hz～250 Hz，第2、3 組測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率范圍為16 Hz～250 Hz，這說(shuō)明場(chǎng)地不同區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)情況是有差別的?？傮w而言，振動(dòng)衰減在5 m～10 m范圍最快。

2.2 衰減規(guī)律

圖10－圖12分別給出了在人工激勵(lì)下第1、第2和第3 組測(cè)點(diǎn)（CD1、CD2 和CD3）的振動(dòng)加速度隨距離增加的衰減曲線。

從圖10可以看出，第1組測(cè)點(diǎn)東西向、南北向和豎向振動(dòng)在5 m～10 m范圍內(nèi)衰減最快，東西向、南北向和豎向振動(dòng)在5 m～10 m 范圍內(nèi)分別衰減了65%、80%、67%，在10 m～20 m 范圍內(nèi)衰減緩慢，其中16 m～20 m范圍振動(dòng)衰減最慢。

從圖11可以看出第2組測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨距離的衰減規(guī)律，東西向、南北向和豎向振動(dòng)在5～10 m范圍內(nèi)分別衰減了62%、81%、70%，各個(gè)方向振動(dòng)在10 m～20 mm 范圍內(nèi)衰減相對(duì)緩慢，南北向和豎向振動(dòng)在16 m～20 m范圍內(nèi)衰減最慢。

從圖12可以看出第3組測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨距離的衰減規(guī)律，東西向、南北向振動(dòng)在5 m～15 m范圍內(nèi)分別衰減了74%、77%，豎向振動(dòng)在5 m～10 m范圍內(nèi)衰減了85%。東西向、南北向振動(dòng)在5 m～15 m 范圍內(nèi)衰減最快，豎向振動(dòng)在5 m～10 m 范圍內(nèi)衰減最快，各方向振動(dòng)在15 m～25 m范圍內(nèi)振動(dòng)衰減速度緩慢。

綜上所述，各組測(cè)點(diǎn)振動(dòng)在5 m～10 m 范圍內(nèi)衰減較快，加速度衰減在50%以上，在15 m 范圍以后，振動(dòng)衰減緩慢，衰減量很小。振動(dòng)在同一土體的不同區(qū)域衰減規(guī)律略有差異，但總體規(guī)律一致。

圖8 第2組測(cè)點(diǎn)CD2振級(jí)頻譜圖

圖9 第3組測(cè)點(diǎn)CD3振級(jí)頻譜圖

圖10 第1組測(cè)點(diǎn)CD1振動(dòng)衰減

圖11 第2組測(cè)點(diǎn)CD2振動(dòng)衰減

圖12 第3組測(cè)點(diǎn)CD3振動(dòng)衰減

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)重慶沙坪壩綜合交通樞紐進(jìn)行土體特性傳遞試驗(yàn)后，得到了該區(qū)域的土體振動(dòng)衰減一般規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

（1）土體不同區(qū)域在人工激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)情況略有差異，總體而言，土體的振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻域集中在16 Hz～250 Hz頻率范圍內(nèi)。

（2）在人工激勵(lì)下，土體振動(dòng)在5 m～10 m范圍內(nèi)衰減較快，加速度衰減在50%以上，在15 m 范圍以后，振動(dòng)衰減緩慢，衰減量很小。振動(dòng)在同一土體的不同區(qū)域衰減規(guī)律略有差異，但總體規(guī)律一致。

（3）在人工激勵(lì)下，土體豎向振動(dòng)響應(yīng)普遍大于水平向振動(dòng)響應(yīng)，且水平向不同方向的振動(dòng)響應(yīng)有一定差異。