沪宁城际高速铁路路基段振动试验研究及数值分析

第３６卷第１期　２　０　１　４年１月　铁　道　学　报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＯＣＩＥＴＹ　ＮＯ．１　２Ｏ１４　

文章编号：１００１—８３６１（２０１４）０１—００８８—０６　

沪宁城际高速铁路路基段振动试验研究及数值分析　

马利衡　●　梁青槐　●　谷爱　

（北京交通大学土木建筑工程学院，　军，　

北京　江　辉　

摘　要：为研究沪宁城际高速铁路引起的周围环境的振动特性和传播规律，进行了现场试验和数值分析。从时　域和频域两方面对测试数据进行处理分析，结论如下：实测的直线段路基结构，钢轨竖向振动加速度大于横向振　动加速度，振动以竖向为主；振动传播过程中，高频成分迅速衰减，低频成分衰减较慢；地面振动频率主要集中在　７０　Ｈｚ以内的频段；地面振动频谱曲线在３４　Ｈｚ处出现最大值，反映了车辆的轴距作用；振动随传播距离单调衰　减，传播初期衰减较快，传播至土体后衰减速度放慢。建立了数值分析模型，研究列车作用下地面的振动响应，并　与实测结果进行比较，验证了模型的合理性，分析车速对振动的影响，结果表明：路基结构的振动加速度在车速为　３５０　ｋｍ／ｈ时达到最大，地面土体振动加速度在车速为２５０　ｋｍ／ｈ时达到最大；振动在距路基坡脚２０　ｍ至更远处　的传播中，衰减速度非常缓慢。　关键词：高速铁路；路基；振动；现场试验；数值分析　中图分类号：Ｘ５０３．５；ＴＢ５３３．２　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８３６０．２０１４．０１．０１４　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｓｕｂｇｒａｄｅｓ　

ｏｆ　Ｓｈａｎｇｈａｉ－＿Ｎａｎｊ　ｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ　Ｈｉｇｈ—－ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　

ＭＡ　Ｉ　ｉ　，ｈｅｎｇ，ＬＩＡＮＧ　Ｑｉｎｇ　ｈｕａｉ，　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｊｕｎ，　ＪＩＡＮＧ　Ｈｕｉ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔｓ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｈａｎｇｈａｉ—Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ　Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　

ｏｕｔ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｉｎ—ｉｎｄｕｃｅｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　

ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｒｅ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｓ：（１）Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　

ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｉｇｈｔ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｉｓ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｒａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｉｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｍｐｌｉｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔ；（２）ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　

ｓｐｒｅａｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ａｔｔｅｎｕａｔｅ　ｒａｐｉｄｌｙ　ｗｈｉｌｅ　ｌｏｗ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ａｔｔｅｎｕａｔｅ　ｍｕｃｈ　

ｓｌｏｗｅｒ；（３）ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｏｉｌ　ａｒｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　Ｏ～７０　Ｈｚ：（４）ｔｈｅ　ｐｅａｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｏｉｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｃｃｕｒｓ　ａｔ　３４　Ｈｚ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　

ｃｅｒｔａｉｎ　ｗｈｅｅｌ　ｂａｓｅ；（５）ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ａｔｔｅｎｕａｔｅ　ｍｏｎｏｔｏｎｏｕｓｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｐｒｅａｄｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｆｉｒｓｔ　ｒａｐｉｄｌｙ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｅ　

ｇｉｎｎｉｎｇ　ｏｆ　ｓｐｒｅａｄｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｓｌｏｗｌｙ　ａｆｔｅｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｓｐｒｅａｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｏｉｌ　ｍａｓｓ．　Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ——ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｒａｉｎ——ｉｎｄｕｃｅｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　

ｇｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｎ　

ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｒａｉｎ　ｓｐｅｅｄｓ　ｔｏ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｒｅ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｓ：Ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａ—　

ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｒｅａｃｈｅｓ　ｉｔｓ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｓｐｅｅｄ　ｉＳ　３５０　ｋｍ／ｈ．ｗｈｅｒｅａｓ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｃｃｅｌ—　

ｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｏｉｌ　ｗａｓ　ｒｅａｃｈｅｓ　ｉｔｓ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　２５０　ｋｍ／ｈ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ａｔｔｅｎｕａｔｅ　ｖｅｒｙ　

ｓｌｏｗｌｙ　ｉｎ　ｓｐｒｅａｄｉｎｇ　ｆｒｏｍ　２０　ｍ　ａｗａｙ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｌｏｐｅ　ｔｏｅ　ｔｏ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｆｉｅｌｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ；ｓｕｂｇｒａｄｅ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

收稿日期：２Ｏ１３一Ｏ４—２３；修回日期：２０１３－０６—０８　基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（２０１０Ｇ００６一Ｅ）　作者简介：马利衡（１９８４），男，河南许昌人，博士研究生。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｌｉｈｅｎｇ１９８４＠ｇｒｎａｉｌ．ｃｏｒ

ｎ　第１期　沪宁城际高速铁路路基段振动试验研究及数值分析　８９　

铁路网的加密和列车运行速度的提高使铁路振动　问题愈加突出，列车运行引起的振动导致两方面问题：　

一是列车高速运行引起的轨道结构和基础振动，影响　

自身线路结构和行车安全；二是振动向外传播，引起周　

围环境振动，影响沿线居民的工作生活。因此，要探究　

线路结构各部位的振动情况和振动传播的衰减规律，　避免由振动引起的行车安全问题和对沿线环境的影　

响。　

研究铁路振动问题的常用方法有现场试验法和数　值分析法等。通过振动实测能较好掌握具体路段的实　

际情况，具有准确度高的特点，但费时耗力，不可能大　

范围展开。随着计算机技术的飞速发展，采用有限元　软件　］、周期性有限元一边界元　等数值法进行模拟分　

析，较大地降低了研究成本，该方法在铁路振动问题的　

研究中得到的应用越来越多。但数值法分析需要做一　

定的简化，影响计算精度。采用试验与数值分析相结　

合的方法，能够克服这２种方法各自的缺点，通过实测　结果和计算结果的验证比较，提高计算结果准确性。　

所以本次研究中，先进行振动实测，根据测试结果指导　

数值建模，采用实测与数值分析相结合的方法，研究了　沪宁城际高速铁路路基段的振动特性及其影响因素。　

１　试验概况　

１．１场地条件及线路结构　沪宁城际高速铁路正线全长３００．３２９　ｋｍ，双线客　

运专线，设计运行速度３５０　ｋｍ／ｈ。测试断面位于里程　ＤＫ１２２４－０５６处，该处场地属于典型性软土地，以粉　

土、粉砂为主要压缩变形层，各层土的深度及其土质特　

性参数见表１。　表１场地土质特性参数　

土类　层厚　承载力　弹性模量泊松比　密度／　土类　泊松比　

黏土　５．９　

粉土　１Ｏ．７　

粉砂４．ｏ　

粉质黏土　６．７　

黏土　１２．７　

测试断面处线路结构为填土路堤，路基结构分为　３层，基床表层厚０．４　ｍ，基床底层厚１．９　ｍ，基床以下　

路堤层厚０．６　ｍ。上、下行线间距４．８　ｍ，采用ｗＪ一７Ｂ　

型弹性分开式扣件和ＣＲＴＳ工型板式无砟轨道结构。　地基加固处理方式采用ＣＦＧ桩，桩径０．５　ｍ，桩长１２　

～１８　ＩＴＩ，正方形布置，间距１．８　ＩＴＩ。桩上覆盖２层土工　格栅和０．６　ｍ厚碎石垫层，路基结构断面见图１。　

图１　路基结构断面图ｆ单位：ｍ）　

１．２试验仪器及测点布置　

钢轨、轨道板、底座板和土体分别选用朗斯公司生　

产的相应型号的加速度传感器。使用Ｚｏｎｉｃｂｏｏｋ／　６１８Ｅ型数据采集器，自带８通道，通过ＬＣ０２０１信号　

调理器扩展至１６个通道。数据处理采用配套的ｅｚ—　

Ａｎａｌｙｓｔ软件。各仪器和传感器在测试前进行了调试　

和标定。　测试断面处共设置９个加速度传感器，测点布置　

见图２。考虑到测试断面位于线路直线段，振动以竖　向为主口］，布置了较多的竖向测点，只在钢轨和底座板　

处设置了横向测点。　

１．钢轨（竖向）；２．钢轨（横向）；３．轨道板（竖向）４．底座板（竖向）；　５．底座板（横向）；６．路基边坡（竖向）；７．坡脚土体（竖向）；８．距坡　脚２０ｍ处地面（竖向）；９．距坡脚３０Ｉｌｌ处地面（竖向）。　图２测点布置图　

１．３背景振动　测试场地周围无明显振动干扰源，场地平坦开阔，　

便于进行测试。为验证实测中无其他振源干扰，地面　

测点对背景振动信号进行了记录。图３仅给出了背景　

振动下，７　测点的振动加速度时程和频谱曲线，其他　地面测点的时程和频谱曲线与之类似。由图３可知：　

地面振动加速度峰值在１０　ｍ／ｓ　量级；振动加速度频　

谱曲线频率分布均匀，未观察到明显的振动干扰振源。　

２试验结果分析　

２．１加速度时程　对测试得到的振动加速度时程数据进行处理和分　

析，选取一组最具代表性的ＣＲＨ３８０列车通过时的测　

试数据，进行如下的时程和频谱分析。