综合交通枢纽场地土体振动传递特性试验研究

2019-10-22李青良李小珍

噪声与振动控制 2019年5期

易兵，高慰，李青良，李小珍，梁林

（1.重庆城市综合交通枢纽开发投资有限公司，重庆430000；2.西南交通大学桥梁工程系，成都610031；3.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆430000）

综合交通枢纽作为综合交通运输体系的重要组成部分，集各种运输方式信息、设备和组织管理于一体，其带来的环境振动问题也引起了人们的广泛关注。国内外针对综合交通枢纽振动问题的研究主要采用经验预测模型、解析模型和数值分析模型[1-5]三种方法，而数值分析模型是最常用的方法，采用数值分析模型必然涉及土体的振动传递特性分析。本文采用现场试验的方法对某综合交通枢纽的土体振动传递特性进行了分析。

针对土体的振动特性的研究，国内外学者多采用振动传递函数[6-9]对其进行分析。土体振动传递函数根据土体的详细参数对土体的振动特性进行预测，但其预测的精确性还有待于进一步研究。

本文采用更为直接的现场试验，研究振动波在场地中的传播规律，为综合交通枢纽环境振动的数值分析提供土体振动传递特性参数，同时也为类似工程的土体振动传递试验提供一种参考方法。研究振动波在场地中的传播规律，进行地面振动传播及衰减试验。同时，准确测定场地振动传播和衰减规律，也是准确确定有限元计算[10-15]参数所需要的。

1 试验概况

试验的对象为重庆沙坪坝综合交通枢纽，该枢纽由成渝高铁、轻轨1号线、轻轨9号线、轻轨环线及城市下穿道路等形成的一个立体交叉空间交通系统。该枢纽为国内外首个集高速铁路、城市轨道交通、城市道路及大型上盖物业开发为一体的超级综合体。本次测试区域为站房北侧双子塔基坑，图1给出了测试现场情况。

图1 双子塔基坑现场图

1.1 试验内容

试验为场地地面振动传播试验：以人为敲击为激励，测量距敲击点一定距离内的地面振动加速度，以考察不同频率振动波在场地内的水平传播及衰减规律。

1.2 测点布置、测试设备与方法

在基坑内选取3个位置，布置3组测点。第1组测点CD1，共布置4个测点，测点间距为5 m，布置方向为南北向（垂直轨道方向），测点编号N1，N2，N3，N4；第2 组测点CD2，共布置4 个测点，测点间距5 m，布置方向为南北向（垂直轨道方向），测点编号N1，N2，N3，N4；第3 组测点CD3，共布置5 个测点，测点间距5 m，布置方向为东西向（沿轨道方向），测点编号N1，N2，N3，N4，N5。具体测点布置情况示意图见图2，测点布置现场图见图3。

图2 3组振动测点布置示意图

每个加速度测点测试3个加速度方向，分别为Z向（竖向）、X向（东西向）和Y向（南北向）。图3给出某测点布置图及人工激励施加示意图。

试验采用INV3060S 智能信号采集仪（16 通道），加速度传感器采用891-II 型传感器，力锤采用LC1304B型，锤头材质为钢。对3组测点依次采集，每组测点采集12组数据（采用人工激励），激励点距第一个测点5 m，采样频率取1 024 Hz，对每个测点采集3个方向加速度，图5为振动测点布置图。

图3 3组振动测点布置现场图

图4 人工激励及测点加速度传感器布置图

图5 振动测点布置示意图（单位：m）

试验采用一次锤击方式，图6给出了锤击力的频谱曲线，可以看出：锤击力在0～500 Hz 频段内均可激起较大的振动，这说明锤击试验是可行的。

2 测试结果与分析

2.1 频域分析

图7－图9分别给出了在人工激励下第1、第2和第3 组测点（CD1、CD2 和CD3）的振动加速度级频谱图。第1 组测点N1、N2、N3、N4 分别为距离激励点5 m、10 m、15 m、20 m的测点，从图7可以看出，东西向、南北向和竖向振动均为N1的振动加速度级最大，分别为77.6 dB、84.1 dB、85.6 dB，在人工激励下东西向的振动加速度响应最小，南北向与垂向振动响应接近。

从图7可以看出N2、N3、N4 的振动响应大小衰减不大，振动衰减主要集中在5 m～10 m范围。

图6 锤击力频谱曲线

东西向、南北向和竖向振动的优势频率集中在40 Hz～250 Hz。

第2 组测点N1、N2、N3、N4 分别为距离激励点5 m、10 m、15 m、20 m 的测点，从图8可以看出，N1测点东西向、南北向和竖向的最大振动加速度级分别为73.8 dB、75.1 dB、77.3 dB，在人工激励下东西向振动响应最小，南北向次之，垂向振动响应最大。从图8可以看出，东西向、南北向振动在63 Hz～250 Hz范围内，振动随离激励点的增加衰减明显，在5 m～10 m范围内衰减最快；竖向振动在20 Hz～250 Hz频率范围内衰减明显，在5 m～10 m 范围内衰减最快。东西向、南北向和竖向振动的优势频率范围集中在16 Hz～250 Hz。

图7 第1组测点CD1振级频谱图

第3组测点N1、N2、N3、N4、N5分别为距离激励点5 m、10 m、15 m、20 m、25 m 的测点，从图9可以看出，N1 测点东西向、南北向和竖向的最大振动加速度级分别为77.1 dB、75.0 dB、80.7 dB，在人工激励下南北向振动响应最小，东西向次之，垂向振动响应最大。

从图9可以看出，东西向、南北向振动在1 Hz～250 Hz范围内，振动随离激励点的增加衰减明显，在5 m～10 m 范围内衰减最快；竖向振动在20 Hz～250 Hz 频率范围内衰减明显，在5 m～10 m 范围内衰减最快。东西向、南北向和竖向振动的优势频率范围集中在16 Hz～250 Hz。

综上所述，3组测点在人工激励下的振动响应情况略有差别，第1 组测点的振动优势频率范围为40 Hz～250 Hz，第2、3 组测点的振动优势频率范围为16 Hz～250 Hz，这说明场地不同区域的振动响应情况是有差别的。总体而言，振动衰减在5 m～10 m范围最快。

2.2 衰减规律

图10－图12分别给出了在人工激励下第1、第2和第3 组测点（CD1、CD2 和CD3）的振动加速度随距离增加的衰减曲线。

从图10可以看出，第1组测点东西向、南北向和竖向振动在5 m～10 m范围内衰减最快，东西向、南北向和竖向振动在5 m～10 m 范围内分别衰减了65%、80%、67%，在10 m～20 m 范围内衰减缓慢，其中16 m～20 m范围振动衰减最慢。

从图11可以看出第2组测点振动随距离的衰减规律，东西向、南北向和竖向振动在5～10 m范围内分别衰减了62%、81%、70%，各个方向振动在10 m～20 mm 范围内衰减相对缓慢，南北向和竖向振动在16 m～20 m范围内衰减最慢。

从图12可以看出第3组测点振动随距离的衰减规律，东西向、南北向振动在5 m～15 m范围内分别衰减了74%、77%，竖向振动在5 m～10 m范围内衰减了85%。东西向、南北向振动在5 m～15 m 范围内衰减最快，竖向振动在5 m～10 m 范围内衰减最快，各方向振动在15 m～25 m范围内振动衰减速度缓慢。

综上所述，各组测点振动在5 m～10 m 范围内衰减较快，加速度衰减在50%以上，在15 m 范围以后，振动衰减缓慢，衰减量很小。振动在同一土体的不同区域衰减规律略有差异，但总体规律一致。