轨道交通地表振动局部放大现象成因分析

    轨道交通引起的振动经由轨道系统、隧道结构(地下轨道交通)、土层传至受振体；受辐射阻尼和材料阻尼影响，振动能量在土体中衰减。以往研究认为，地表振动随距离单调衰减。在国内，刘维宁和夏禾等[1]通过三维动力有限元模拟地铁振动，首次发现了振动局部放大现象。此后，夏禾等[2―3]通过测试地面和高架轨道交通环境振动，证明了局部放大象的存在。国内外其他学者对高速铁路[4]、城市轨道交通[5―7]的现场测试表明，无论是总体振动响应(如振动均方根值、振级等评价量)还是单一频率的振动响应，均存在地表振动随距离增加而出现增大反弹的现象。对放大区产生原因的解释，夏禾等认为：S 波在地表和基岩间的软土中传播时反复反射和折射是引起振动局部放大的原因[2―3]。阎维明等认为放大现象产生与地层条件与埋深有关[6]。栗润德等[5]认为：放大区与测点所处振动位置与测点处局部地质条件有关。

    从工程角度分析，如果距离振源较远处的振动响应远远超过近处，采用单调衰减模式的预测公式评价振动响应则会产生较大误差。目前，国内外绝大多数经验预测公式没有考虑振动放大现象。杨先健等[8―10]提出的工业振源引起地面振动传播和衰减的计算方法，引入了埋深影响系数，能够计算出地下振源引起地表振动放大现象。闫维明等采用组合函数方法给出了一个可以考虑高架交通振动放大区的 Z 振级经验预测公式[11]，通过统计回归公式提出了可以考虑地铁交通振动放大区的振级经验预测公式[7]。这些研究为寻求考虑振动放大区的轨道交通环境振动预测提供了一些参考。

    研究表明[1,6]：不同频率的振动放大规律可能存在差异。尽管轨道交通振动是包含各种频率范围的随机振动，但对于某些对单一频率有特殊振动要求的受振体(如精密仪器设备)，轨道交通振动的单频分量产生的放大区将直接影响受振体的振动控制；另一方面，由于轨道交通振动的总体振动响应可看作是所有单一频率分量的叠加，因此弄清单频简谐振动放大区的成因和规律将尤为重要，这也是本文分析的重点。

    1  落锤激振试验

    为了进一步验证单频振动在地表不是单调衰减的，本节首先设计一地面落锤激振试验。落锤试验可以激发出较宽的响应频带，可通过傅里叶变换一次性分析所有关心频率的衰减特性。

    在空旷的场地上安置落锤装置锤击地面。安装5 个配重试件，每块重 14.6kg，因受导杆导槽摩擦力很小，下落过程可近似认为是自由落体。落锤提升高度为 20cm，选用铁质垂体、铝制锤头；并采用多次触发方式，触发次数为 4 次。场地土从上到下主要有填土、砂土、砂质粉土、粉质粘土、卵石等。表层土剪切波速 176m/s，压缩波速 365m/s。由于 60m 以外测点加速度数据信噪比较低，因此只在0~60m 范围内间隔 1m 布置加速度传感器(图 1)。