高鐵激勵下飽和凍土場地振動衰減特性分析

申譯文 鄭 鑫 解恒燕

（黑龍江八一農墾大學土木水利學院，黑龍江 大慶 163319）

0 引言

隨著哈大高速鐵路的開通運營，標志著我國開始在高寒地區發展高速軌道交通。哈齊高鐵、哈牡高鐵的相繼開通，標志著我國高鐵技術在高寒地區的適應性進一步增強［1］。我國北方高寒地區分布著廣袤的凍土層，大慶市位于黑龍江省西部平原地帶，冬季受西伯利亞寒冷氣流的影響，最低氣溫為-35℃，凍土深度為1.8～2 m［2］。

21世紀初，國內外開始對軌道交通所引起的環境振動進行研究。2005年，日本學者Takemiya［3］對時速200 km/h以上的日本新干線高速列車進行觀測試驗，發現振動產生的輪對效應與列車的輪對間距是相互對應的。2012年，Verbraken［4］采用現場測試與數值模擬相結合的方法對科隆的高速列車所引起的沿線振動進行研究，并提出一種提高數值精確度的方法。

我國對軌道交通環境振動的研究雖起步較晚，但我國學者在軌道交通方面和高速軌道交通方面也進行研究。2004年，蔣通等［5］根據上海明珠線的現場實測記錄數據，從現場實測和數值分析兩方面入手，來研究高架軌道交通荷載所引起的環境振動情況、發生機理、傳播規律和衰減關系，提出明珠線列車經過引起環境振動的振級統計回歸公式，并進行驗證。2005年，凌賢長等［6］對大慶季節凍土區的路基進行現場監測，在三個不同時期（凝固期、融化期、正常期）來研究季節性凍土區在不同列車速度、不同列車車型情況下列車行經過所引起路基振動加速度的變化規律。2013年，劉凱雁［7］通過現場觀測法對高架軌道交通產生的環境振動進行觀測試驗，從而獲得一批高架結構和自由場地振動的寶貴數據，并分析由高架軌道交通引起的自有場地的垂向、縱向、水平向振動強度衰減特性。2019年，賈辰鈺［8］在黑龍江省大慶市龍鳳濕地處對高速軌道交通引起的融化狀態的飽和土場地進行現場觀測，并通過時域和頻域分析對高速軌道交通引起飽和土場地環境振動進行評價。

在我國北方有大范圍的凍土區，既有季節性凍土區，也有久性凍土區。我國的季節性凍土面積約為5.137×106km2，占陸地面積的53.5%［9］。在飽和凍土場地中，凍土層中的水都結成冰，凍結鋒面以上的土體都處于土顆粒與冰連為一體的狀態，該狀態既不是兩相介質，也不是單向介質，而屬于一種膠體狀態。振動波的傳播與速度、傳播介質等因素有關［10］，所以振動波在飽和凍土介質中的傳播特性與其他場地不同。所以，為了研究高鐵激勵下飽和凍土場地的環境振動問題，采用現場觀測法對大慶市龍鳳濕地的高鐵線進行觀測試驗。

1 觀測試驗

為研究高鐵荷載引起的飽和凍土場地的振動衰減關系，2021年1月在黑龍江省大慶市龍鳳濕地進行現場觀測試驗，觀測對象為哈齊高鐵線大慶龍鳳濕地段。根據張燕［11］的研究，確定龍鳳濕地場地的土樣性質為飽和土，所以在冬季嚴寒天氣條件下的龍鳳濕地為飽和凍土場地。根據試驗方案，設計的現場觀測臺陣布置如圖1所示。

圖1 臺陣布置圖

觀測臺陣共設置7個測點，所有測點都垂直于軌道方向，并呈線型布置。受現場地形的限制，10 m處地表是已凍結的冰面，導致該處無法設置測點，所以在15 m處土體表面設置測點，其余測點都間隔10 m布置。每個測點處都放置有加速度觀測儀，在列車經過的始末，同時開啟和關閉，來保證采集到的數據的完整性。試驗當天室外溫度為-22℃，采集到的列車數據平均速度為175 km/h，列車組車廂數為8節。現場采集頻率為256 Hz，由相關研究可知［12］，現場采樣頻率能滿足列車引起的振動頻率范圍。列車的上行方向為齊齊哈爾-哈爾濱方向，下行方向反之。本次試驗共觀測到15組列車數據，以此來保證數據的有效性。根據相關研究［13］中的結論，列車引起地面振動主要與其豎直方向振動有關，故本次試驗主要對豎直方向的數據進行分析。

2 時程分析

選擇平均速度為175 km/h的列車所引起的振動數據為分析對象，得到各測點處的加速度時程圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，0 m處的振動加速度值的變化非常明顯，主要作用時間約為8 s，從圖2可以看出，列車的輪對效應明顯［14］。在0～15 m內，列車振動加速度衰減明顯。在15 m處，加速度輪對效應不明顯。在30 m處，加速度又出現小的凸起變化。這種凸起變化在20 m和40 m后都沒有出現，初步判斷這與表面波的傳播速度小于體波有關，振動波在30 m處產生局部放大的現象［15］。30 m后的加速度值趨于穩定。

圖2 加速度時程圖

3 功率譜分析

對加速度數據進行頻域分析，并通過快速傅里葉轉換將時域信號轉換到頻率域，從而計算出各測點處的功率譜，如圖3所示。

通過圖3可以看出，0 m處振動能量要明顯高于其他觀測點的振動能量，主要集中在40～80 Hz。在0～15 m內，振動能量衰減迅速，在15～20 m內，振動能量相近。在30 m處振動能量又出現較大的變化，這與時程分析時的局部放大現象相呼應。50 m處低頻能量0～20 Hz間出現能量波動，在高頻60 Hz也出現小的能量波動，但振動范圍不大。這說明飽和土層對高頻波的吸收效果要好于低頻波［16］，所以低頻波在遠處出現能量波動。

圖3 各測點功率譜圖

4 衰減關系

根據時域分析數據，得到各測點處的峰值加速度衰減曲線圖，如圖4所示。從圖4中可以看出，在加速度衰減的過程中，0～15 m的衰減最快，在30 m出現局部放大現象。

圖4 峰值加速度衰減曲線圖

根據計算可得，各測點間的峰值加速度衰減量的百分值如表1所示。衰減量表示在各個距離范圍內，振動衰減的量占區間總值的大小。由表1可以看出，由高速列車所引起的土體加速度大部分在0～20 m衰減完畢，在20 m后，除局部放大區外，都呈現緩慢的起伏狀態，近乎本底振動［17］。

表1 各測點間加速度衰減量

根據功率譜數據，按照鄭春昱［18］求得高鐵所引起的各測點處的加速度振動級VAL，各中心頻率的振動級隨距離的變化如圖5所示。

由圖5可知，隨著距離的增大，各中心頻率處的振動級也隨之增大。采用1/3倍頻程分析［19］振動級隨頻率發生變化，共有21個中心頻率。在21個中心頻率點中，1～31.5 Hz的振動級隨距離衰減不明顯，衰減變化最明顯的主要集中在40 Hz、50 Hz、63 Hz、80 Hz、100 Hz。這5個中心頻率點處的振動級在各測點的衰減量如表2所示。

圖5 各中心頻率的振動級隨距離的變化

表2 中心頻率點處振動級隨距離衰減量單位：%

由表2可以看出，0～15 m內，50 Hz處的振動級衰減最多，共衰減25.7%。其次是63 Hz處，衰減25.6%。40 Hz、80 Hz、100 Hz處的振動級在0～15 m間的衰減量都在20%以下。從15 m開始，各頻率點的振動級衰減趨于穩定。這說明高鐵荷載激勵下飽和凍土的振動級衰減影響范圍主要在0～15 m，頻率范圍只在40～100 Hz。

5 結語

本研究通過現場試驗的方法對高鐵荷載激勵下引起的飽和凍土場地的振動衰減特性進行研究，分別對觀測數據進行時程分析、功率譜分析、振動級分析，又從峰值加速度衰減和中心頻率點處振動級衰減兩方面對衰減特性進行分析。分析結果表明，高鐵荷載激勵下引起的飽和凍土振動加速度隨距離的增加而逐漸衰減，加速度和加速度振動級主要集中在0～20 m，其中0～15 m的衰減最快。高鐵荷載激勵下對飽和凍土場地的振動影響，距離上主要集中在0～15 m，振動級主要集中在40～100 Hz。