巖土地層高速鐵路高架橋段環境振動特性分析

邢夢婷 楊飛 魏子龍 姚永明 王平

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京100081；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都610031

隨著高速鐵路的快速發展，環境振動問題日益顯著。我國高速鐵路路網規模大，覆蓋地域廣且地質條件復雜多樣，我國軌道交通環境振動控制難度大。

國內外學者通過數值仿真和現場實測對環境振動進行了研究，并取得豐碩成果。和振興等［1］基于車輛-軌道耦合動力學理論，考慮了輪軌動態相互作用，采用數值模擬方法分析了車輛-軌道系統振動對地面的影響。王少林等［2］建立車輛-軌道-橋梁耦合系統，研究了高速行車條件下軌道及橋梁結構的動力特性。朱志輝等［3］建立車-橋-土-建筑物耦合系統三維有限元模型，分析了距振源距離、車速等參數對列車引發的建筑物振動的影響。Connolly等［4］通過測試發現，列車以臨界速度通過軌道時引發的高架線路共振會放大環境振動響應。Santos 等［5］通過現場試驗驗證了振動預測數值模型，研究了分層土體中彈性波的傳遞特性。譚燕［6］基于國內多條高速鐵路現場實測數據，分析了振動傳播衰減規律及不同隔振措施的隔振效果。張志俊等［7］研究了彈性支座對橋梁上車致振動的隔振效果。Fran?ois 等［8］探討了土體中振動隔離屏的設計和減振效果。劉鵬輝等［9］基于現場測試對比了各種減振措施在不同頻率范圍的減振效果。

本文選取日照市沿海地區一新建高速鐵路的高架橋段作為研究對象，先通過現場試驗對振源及環境振動特性進行初步分析，然后建立橋墩-巖土層三維有限元模型，探究巖土系統中振動波的傳播與衰減規律。

1 橋梁及周圍巖土體振動現場試驗

1.1 試驗概況

該高速鐵路高架段線路形式為32 m 雙線混凝土簡支梁橋上鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道。8 節車輛編組的CRH380B 客車以設計速度350 km/h 運行在橋上。橋長32.60 m，橋高3.05 m，墩高5.00 m，樁基為8 根鉆孔灌注樁。CRTSⅢ型板式無砟軌道由CN60 鋼軌、WJ-8 扣件、軌道板、自密實混凝土、隔離層和底座構成。

根據地質勘察資料，該區段基巖埋深較淺，上部地層為第四系上更新統沖洪積粉質黏土及粗礫砂，下伏基巖為燕山晚期花崗巖、構造巖及脈巖，整體表現出上軟下硬特性。將巖土體簡化為3 層結構，自上而下依次為軟弱土層、中風化軟巖層、微風化及未風化硬巖層，厚度分別為6、15、25 m。墩臺和樁基采用C40 混凝土。樁基深度15 m，混凝土及巖土體參數見表1。

表1 混凝土及巖土體參數

列車運行引起的振動將通過橋梁結構及周圍巖土體傳遞至地表。監測點布置在橋墩橫截面的箱梁底板、支座、橋墩中部、橋墩底部（P1 ～P4）及地面上（P6 ～P10），每個測點布設一個垂向加速度傳感器，如圖1所示。

圖1 測點布置（單位：m）

測試儀器有INV3062SC 智能數據采集系統、INV 9828 ICP型單向加速度傳感器。采樣頻率為2 048 Hz。正式采樣前須進行背景振動測試，以消除周圍環境對實測結果的干擾。

1.2 測試信號預處理

1.2.1 消除趨勢項

受各種因素影響原始數據會偏離基線，這種現象可用趨勢項來表征。原始數據偏離基線的程度隨時間變化，會直接影響測試的正確性，故需將趨勢項消除。基于最小二乘法原理，根據式（1）—式（3）對所測數據進行預處理。

式中：xk為第k個測點的原始振動數據；yk為處理后的振動數據；n為測點個數。

以測點P5、P6和P7為例，消除趨勢項前后垂向加速度時程曲線見圖2。可見，消除趨勢項后垂向加速度更穩定。

圖2 消除趨勢項前后對比

1.2.2 去除本底振動

受周邊條件影響，所測試的振動不僅由研究對象產生，還由地脈動、機器設備振動等其他振源產生，因此，處理實測信號時應去除這些固有因素產生的本底振動。譜幅值修正是去除本底振動的常用方法。該方法基于目標振動與測試振動相位一致的假定，對原始數據經傅里葉變換得到的垂向加速度幅值譜進行修正，得到目標振動的幅值。

以信噪比較小的地面遠場測點P8、P9、P10 為例，對比測試振動與本底振動的垂向加速度功率譜密度頻程曲線，見圖3。可以看出本底振動具有較大的幅值，應予以消除。

圖3 測試振動與本底振動的垂向加速度功率譜密度頻程曲線

1.3 試驗結果分析

分別從加速度峰值、時頻域分布兩方面對巖土地層區段高架橋上高速列車運行誘發的橋梁和地面振動傳遞規律進行分析。

1.3.1 加速度峰值

橋梁和地面10組測試數據的加速度峰值見圖4。可見：①外部激勵作用下列車荷載產生的振動對橋梁上部結構影響顯著，在橋梁阻尼作用下沿著箱梁底板（P1）→支座（P2）→橋墩中部（P3）→橋墩底部（P4）垂向傳遞路徑，加速度峰值卻呈現出明顯的衰減特性，測點間衰減速度有所不同。從箱梁底板（P1）經支座傳遞至橋墩中部（P3）的過程中加速度峰值迅速衰減，箱梁底板加速度峰值（0.645 m/s2）約為橋墩中部（0.174 m/s2）的4倍；從橋墩中部（P3）至橋墩底部（P4）加速度峰值衰減緩慢，兩處加速度峰值相差不大。②從橋墩底部（P4）至地面（P5）加速度峰值有所衰減。這是由于在橋梁樁基與樁周巖土體的耦合作用下發生的濾波效應所致。③隨著距橋墩底部的距離增加，地面測點的加速度峰值先大幅減小后略微增大。距橋墩30 m以內測點（P5—P8）的衰減速率較大，而距橋墩45、60 m處測點（P9、P10）的加速度峰值呈現出不同程度的局部放大現象。

圖4 列車通過時各測點的加速度峰值

1.3.2 時頻域分布

連續小波變換是一種良好的時頻分析方法［10］，適用于分析同時包含高頻和低頻信息的非平穩信號。相比連續小波變換，常數Q非平穩gabor變換（Constant-Q Nonstationary Gabor Transform，CQ-NSGT）在處理振動信號過程中具有較高的時間分辨率和頻率分辨率。

選取P5—P10 的時域信號進行處理，得到列車通過時地面不同位置垂向加速度時頻域分布，見圖5。

圖5 地面不同位置垂向加速度時頻域分布

由圖5可見：①垂向加速度表現出低頻（1 ～80 Hz）振動特性。對于距橋墩較近的測點P5、P6 和P7，隨著距橋墩距離增加垂向加速度逐漸減小，主要頻段的峰值頻率相應減小，這主要是由于巖土介質的阻尼耗能作用所致。②對于距橋墩較遠的測點P8、P9 和P10，隨著距橋墩距離增加垂向加速度有所增大，距橋墩60 m 處的地面測點P10 不僅垂向加速度增大，而且振動頻段更寬，主頻成分豐富。除在1 ～25 Hz低頻帶有多個主頻外，在40 ～50 Hz還出現多個峰值頻率，為振動放大頻段。這是因為彈性波以某一入射角傳播至地層分界面時會發生反射與折射，出現疊加放大現象。

1.3.3 單個頻率激勵下加速度衰減規律

從時頻域分析的優勢頻段中選取13、23、30、39、57、75 Hz 六個頻率，分析得到單個頻率激勵下垂向加速度的空間分布，見圖6。可見：單個頻率激勵下隨著距橋墩底部距離（P5—P9）增加，垂向加速度整體呈波動衰減趨勢。橋梁結構（P1—P4）在57 Hz呈現共振現象，這可能是由于該頻率與橋梁部件固有頻率相近而出現高階振動模態所致。從距橋墩45 m到60 m（P9—P10）在各單頻激振下垂向加速度緩慢增加，不同頻率疊加呈現出振動放大現象。

圖6 單個頻率下垂向加速度的空間分布

2 數值模擬

2.1 模型的建立

根據表1中參數建立橋墩—巖土層三維有限元模型，進一步研究振動以彈性波的形式在巖土地層中的傳播衰減規律。模型自上而下包括橋墩、承臺、樁基及其周邊巖土體。橋墩采用梁單元模擬，承臺、樁基、巖土層均采用實體單元模擬。考慮到列車荷載引發的地層振動應變一般小于10-4，將巖土層視為線彈性材料。假設各個分層均為均勻、各向同性體且相鄰巖土層間不發生相對滑動。

整個模型尺寸為100 m（沿線路方向）×160 m（垂直于線路方向）×60 m（深度）。為了更加精確地模擬波的傳播，有限元模型網格劃分的最大長度不超過模擬波長的1/6，因此本模型的上部土層網格尺寸設置為0.5 m，中部和下部巖層網格尺寸均設置為0.8 m。

采用有限元模型模擬彈性半無限地基時在人工截取的邊界上會發生波的反射從而導致模擬失真，因此本文的巖土層四周和底面均設為低反射邊界，頂面為自由面。模型采用應用較為廣泛的瑞利阻尼，反映振動能量在巖土層中的耗散［11］。

荷載施加方式為在橋墩頂部施加單位簡諧荷載F(t)= cos(2πft)δ(x-vt)。其中：f為頻率；t為時間；δ為相位；v為加載速度。加載頻率為1 ～ 100 Hz，掃頻間隔為2 Hz。

2.2 模擬結果分析

以施加荷載的橋墩底部地面處為原點，在地面上距橋墩 2.5、7.5、15.0、30.0、45.0、60.0 m 處布置測點。單個頻率激勵下地面豎向位移等值線見圖7。位移響應僅反映單位荷載作用下橋墩-樁基-巖土層耦合系統的固有特性。

圖7 單個頻率激勵下地面豎向位移等值線

由圖7 可見：①不同加載頻率下地面豎向位移隨著距橋墩底部距離增加逐漸衰減，越靠近橋墩地面豎向位移越大。15 Hz 以下的低頻和83 Hz 以上的高頻隨距橋墩底部距離增加振動快速衰減，而其間中高頻段振動傳播較遠，30 m 以外在13 ～43 Hz 頻段位移響應仍然顯著。②巖土地層中位移響應主要集中在60 m區域，而土質地層中位移響應主要集中在20 m以內近場區［11］，可見巖土地層對振動的濾波作用較弱。巖土地層中在1 ～100 Hz 的加載頻率下，20 m 以外的地面振動響應在10 ～60 Hz頻段頻率成分仍然較為豐富。因此，巖土地層區段高速鐵路環境振動評估不僅要考慮20 m 以內15 ～83 Hz 中高頻段的地面振動，還應關注20 m 以外的地面振動，尤其是還未完全衰減的10 ～20 Hz較低頻段的振動。

3 結論

1）運行列車荷載產生的中高頻振動對橋梁上部結構影響顯著，沿著箱梁底板→支座→橋墩中部→橋墩底部垂向傳遞路徑，加速度峰值呈現出明顯的衰減特性，支座處垂向加速度較大。在橋梁樁基與樁周巖土體的耦合濾波作用下，從橋墩底部至地面加速度峰值有所衰減。

2）振動以彈性波的形式在巖土地層中衰減，主要衰減頻率在15 Hz以下和83 Hz以上，其間中高頻段衰減相對較弱。

3）與土質地層相比，巖土地層對振動的濾波作用較弱，20 m 以外的地面振動響應在10 ～60 Hz 頻段頻率成分仍然較為豐富，應特別關注尚未完全衰減的10 ～20 Hz較低頻段的振動。