高速列车运行引起的地基振动测试与分析

为分析高速列车运行引起的地表处振动峰值加速度随距轨道中心线距离的变化特征,选择8个不同场地类型及路基形式的工程场地进行高速列车运行引起的地表振动加速度测试。研究结果表明,高速列车引起的地表振动加速度随距轨道中心线距离的变化特征因场地条件和路基形式的不同存在显著差异;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地条件下,高速列车引起的地表三分量振动加速度均随距轨道中心线距离的增加而减小,且距轨道近距离处峰值加速度衰减较快,远距离处衰减较慢,Ⅰ类场地条件下,高速列车引起的地表振动加速度随距轨道中心线距离的增加呈先增大后减小的趋势;对于相同路基形式的高速铁路,Ⅲ类场地条件下地表振动峰值加速度随距轨道中心线距离的增加减小速度最快,Ⅱ类场地次之,Ⅳ类场地衰减最慢。     

高速地铁列车竖向振动特性分析

高速地铁列车是一种运行速度可达160 km/h远高于普通地铁最高速度80 km/h的新型地铁列车。其车辆力学特性与高铁列车基本相同,其轨道运行条件与普速列车轨道运行条基本相同。地铁列车竖向振动影响列车上部结构供电及受力性能,目前高铁及普速列车在各自轨道上运行时列车的振动特性研究较为成熟,但高铁列车在普速铁路上运行时的振动特性的研究尚属空白。聚焦高速地铁列车在普速轨道上运行时的车辆振动特性,基于OpenSees软件建立普速及高速地铁列车的车-轮-轨二维有限元模型;利用我国普速轨道谱考虑其频谱特征随机生成20个440 m长轨道不平顺样本;通过有限元法分析了普速和高速地铁列车在不同运行速度及不同平顺程度下的竖向位移响应及统计参数,研究了高速及普速地铁列车竖向振动随运行速度的变化规律。研究表明：高速地铁列车与普速地铁列车的不平顺轨道振动远大于平顺轨道振动。高速列车与普速列车在竖向振动随速度变化特性上存在差异,高速列车的竖向振动位移幅值远小于普速列车,相较于普速列车振动更加稳定。     

大量高铁地震事件的属性体提取与特性分析

列车在高铁上运行能够产生大量的高铁地震事件,这些地震事件既包含了作为震源的列车本身的结构信息,也蕴含了高铁线路的地质环境信息.本文提出了一种频率-空间-时间(FXT)属性描述大量高铁地震事件之间的关联.在FXT属性上,高铁地震信号之间的关联表征为在频率坐标轴F上相互对齐、在空间位置坐标轴X和事件到达时间坐标轴T上连续变化的分立谱线.本文对课题组在深圳为期两天的观测采集得到的4500余条高铁地震信号进行了FXT属性的提取,并对FXT属性进行了统计特性的分析:方差分析表明,高铁线路的地质环境的变化对高铁地震信号特征的影响大于不同列车的结构差异对高铁地震信号特征的影响;聚类分析表明,高铁地震信号的特征按接收点位置能够无监督地聚类为和高铁线路途经地质环境相关联的不同类别.通过上述分析表明,高铁地震信号中蕴含着丰富的可解释的高铁运行地质环境信息,具备对高铁列车运行安全进行监测的潜力.     

检波器-大地耦合响应对地震数据的影响

检波器-大地耦合响应是地震检波系统中非常重要的一个环节.包含反射波等在内的地面振动必须经由检波器的机电转换,才能成为地震仪可以识别的电信号,然后进入数据记录系统.但是,严格地来讲,经过检波器机电转换之前的信号—如果刨除检波器自身滤波响应影响的话—是"检波器外壳的振动",不是"地表的振动";而我们希望接收到的是后者,不是前者,二者之间的差异就是"检波器-大地耦合响应".作者通过一项专利技术(测耦检波器),实现了野外施工中单点检波器耦合响应参数的规模测量与记录,并通过试验展示了挖坑埋置以及检波器外形、尺寸、质量等检波器性能参数因素对耦合响应乃至地震数据的影响.     

可作为新震源的列车振动及实验研究

利用地震仪器对火车通过大同—秦岭铁路线产生的振动进行了观测. 观测中使用了两套宽频带地震仪和一套短周期地震仪,共获得距铁路0～2.15km的9个观测点的38次列车振动观测数据,全部记录均可分辨出清晰的地震波形. 研究表明：运动列车会在铁路沿线2～3km范围内产生明显的地面振动,接收到的振动频谱在0.05～20Hz范围内平坦,信号频带较宽,观测重复性好. 列车振动为利用地震勘探方法探测地下浅层结构提供了一种重复性很好的新震源.     

微地震信号传播特性分析

本文基于层状介质模型比较了地面激发深部接收信号与深部激发地表接收信号的差异,研究表明地震信号从高速层或者低速层入射时,当入射角不同时都会存在透射系数绝对值大于1的情况;法向入射时,上方入射和下方入射的透射波的振幅传递系数的绝对值不相等;相对于浅层炮点的情况,炮点位于深层时接收到的VSP记录信号更强记录更清晰;微地震事件井中和地表监测的信噪比依赖于许多因素,如几何扩散、衰减效应、噪声水平、信号频率、接收器数目、近地表放大效应以及阻抗对比效应等,本文只考虑井中检波器阵列与微地震震源之间距离的影响,随着距离的增大地面阵列的叠加信号信噪比相对于VSP记录会有明显的提高;阻抗差异和自由表面边界情况会导致入射P波的强度增强,这种效果能够补偿表面增加的噪声造成的影响,使得我们可以在地表通过相对较少的检波器监测微地震信号.     

轨道交通引起季冻区饱和土场地环境振动衰减实测分析

为了研究轨道交通荷载引起季节冻土区饱和土场地环境振动的特性及其衰减关系,分别于冬季和夏季对位于黑龙江省大庆市龙凤湿地的轨道交通周围环境振动情况进行了现场观测。通过对垂直轨道方向布设台阵各点实测数据进行分析、处理,得到列车通过时台阵各点振动时程曲线及功率谱。在去除本底振动的基础上,得到轨道交通引起季冻区饱和土场地冬夏两季地面振动衰减曲线。结果表明:随着距轨道中心线距离的增加,振动的最大加速度幅值大体上呈衰减趋势,并且在某些位置存在振动放大区,冬季和夏季振动放大区的位置不同;夏季环境振动衰减比冬季环境振动衰减速度快;近轨道位置冬季和夏季环境振动的能量聚集不同。     

地震勘探中速度信号转化为加速度信号的分析及应用

目前,广泛应用在地震勘探中的检波器类型主要是速度型检波器和加速度型检波器,分别接收振动的速度信息和加速度信息,不同类型的检波器接收的地震资料具有不同的响应特征.在滩浅海地震勘探中,不同的地表区域使用不同类型的检波器接收,滩上使用速度检波器接收、海中使用加速度检波器和速度检波器组成的"双检"检波器接收,所以存在着两类检波器资料的拼接、融合处理问题.本文在理论上通过速度检波器和加速度检波器机电转化原理不同,跟踪不同物理量说明了两种信号之间的关系,并通过理论分析、实际的地震数据资料分析和证明了速度信号通过微分计算转化为加速度信号的可行性和正确性,并进行了相应的对比和验证.在滩浅海以及浅海地震勘探中应用加速度检波器和速度检波器联合采集后,应用这种转换方法进行资料的拼接处理和融合处理,得到的地震剖面质量得到了很好的提升.     

高铁震源地震信号的挤压时频分析应用

我国每天有数千趟高铁列车驰骋在纵横交错的高铁线路上,构成了十分理想的均布震源,但寻找适合高铁震源地震信号的处理方法是充分挖掘信息的关键.传统的频谱分析结果表明高铁震源所产生的地震信号具有明显的窄带分立谱特征,但无法精确获得高铁震源地震信号的时频变化规律.本文首次将挤压时频分析这种分析工具引入到高铁震源地震信号处理中,对中国南方某高铁沿线采集到的高铁震源地震数据进行了分析.处理结果表明:利用挤压时频分析能够更加精确地刻画频率成分随时间的变化,能够利用单检波器精确刻画高铁列车的运行状态(匀速、加速等);同时利用挤压时频变换还可高精度地重构出所需频带的信号,为提取高铁震源地震信号的特征成分提供了一种有力工具.     

高铁震源地震信号的稀疏化建模

我国每天有数千趟高铁列车运行在两万多公里的高铁线路上,不但会引起高铁路基的振动,还会激发出地震波.地震检波器所接收到的数据中不仅包含窄带分立谱特性的高铁震源地震信号,还包含宽频带特性的背景信号.如何实现从检波器所接收到的高铁震源地震数据中分离出高铁震源地震信号和宽频带背景信号是准确利用该类信号的关键.考虑到高铁震源地震信号与宽频带信号在频率域明显的形态特征差异,本文首次将形态成分分析这种信号分离手段引入到高铁震源地震信号处理中,实现高铁震源地震信号的稀疏化建模并进而实现从接收数据中分离出高铁震源地震信号以及宽频带背景信号.对北京大学在中国南方某高铁沿线采集到的大量高铁震源地震数据进行处理,结果表明:采用形态成分分析并结合分块坐标松弛算法,能够实现实际采集高铁震源地震数据中的高铁震源地震信号和宽频带信号的分离.     

检波器-地表耦合系统对地震记录的影响

检波器与地表耦合处于地震数据采集系统的最前端,考虑到其位置和功能的重要性,探讨了检波器-地表耦合对地震记录的影响问题.为了提高野外地震资料的品质,在调查了地表物性的基础上,自行研制了检波器-地表耦合装置.先后在吉林油田、大庆油田和新疆塔河附近等地区,在可比条件下与常规耦合方式进行了对比实验.结果表明,这种特殊耦合方式与常规耦合方式相比,无论从比较接收能力的实验中取得的单次记录,以及按生产要求所获得多次叠加剖面,其地震信号的能量、频带宽度和信号保真的程度都有明显改善.     

甲烷气爆震源性能研究及其在粤港澳大湾区化龙断层探测中的应用

针对近年兴起的甲烷气爆主动震源,设计了不同尺寸震源装置,分别在不同激发环境下,通过比较激发信号能量及频带分布进行了震源性能研究,实现了震源参数优化.同点甲烷气爆和炸药震源成像结果研究表明,甲烷气爆震源引起的地表振动速度更小,更符合安全环保的需求.将优化后的甲烷气爆震源用于粤港澳大湾区的化龙断裂浅部结构勘查,单炮记录结果可见高信噪比初至信号.对 10炮激发记录进行初至走时拾取后进行走时层析成像发现,化龙断裂推测位置附近纵波速度在第四系下方 200～400 m深度范围明显错断.基于横波/纵波波谱比分析结果(HVSR),根据经验关系推断了该地区沉积层厚度分布,发现与走时层析成像结果中的第四系沉积底界面位置吻合良好.以上成像结果与该地区已有钻孔及早期反射地震结果高度吻合,证明了此次采用的甲烷气爆主动震源作为炸药震源的替代品,在未来城市地下结构浅勘工作中有广泛的应用前景.     

列车振动的地震记录信号特征

在给出列车的多点运动源基本描述的基础上，对2003年3月8日在大秦铁路怀柔段的观测试验记录进行了初步分析. 分析表明:列车振动所具有的绿色环保、频谱较宽、重复性好和稳定性强的优点，除传统认识的噪声和振动干扰外，也可以用于地下结构的探测研究.如能在理论模型和信号分析处理方法，甚至观测积累方面进行深入的探索研究，将可为地球物理勘探开辟新的途径.      

高速列车移动震源地震记录

地球上的环境噪声作为被动震源已被用于地球内部结构研究,在地球科学与工程方面取得了良好的应用效果.随着人类活动频繁加剧,由移动交通工具产生的交通噪声,已经成为一种特别需要关注的环境噪声被动震源.高速运行列车产生的交通噪声,相比其他交通噪声能量强,连续稳定,并且具有可重复性,特别是近十几年来,中国高速铁路发展迅速,形成了覆盖中国大陆的高速铁路网络,为大范围、长期观测高速列车产生的交通噪声并研究其应用提供了基础.我们利用地震勘探检波器,分别采集高速列车运行产生的地震记录以及相同位置无高速列车运行的环境噪声,对地震记录信号以及环境噪声进行了频谱分析以及地震波干涉等处理.频谱分析结果显示,高速列车运行产生的地震信号能量约是环境噪声能量的10~3倍,而地震信号频率成分与高速列车运行速度相关.我们分别对高速列车运行产生的地震信号与环境噪声进行了地震波干涉处理,重建出地震初至波以及续至波信息,经过初步分析,重建的初至波地震波场揭示了地表地震波传播特征,而续至波波场十分复杂.高速列车作为一种移动被动震源产生的地震记录具有应用潜力.     

检波器-大地耦合系统特性的振动力学解释、模态参数识别及其对地震资料的影响与消除

检波器-大地耦合系统处于地震数据采集的最前端,是地震采集中的基本问题.“耦合是指两个系统之间的相互作用.检波器和大地的耦舍是影响能量转换的重要因素之一,取决于两者之间接触的牢固程度,以及检波器的重量和接触面积等;该耦合系统中存在着自然谐振并有滤波效应”(R.E.Sheriff).多年来,对耦舍响应的研究主要集中在理论研究以及检波器耦合效果对比两个方面,并以感性描述、现象罗列居多.笔者在研究过程中设计了检波器-大地耦舍响应的测定方法,并实际测量了检波器-大地耦合响应.结果表明,检波器-大地耦合响应可以用“单自由度有阻尼的自由振动系统”来描述,涉及到“固有频率”以及“阻尼比”两个参数,并可用参数扫描法对其振动模态进行参数识别.当检波器埋置效果差时,耦合响应使得地震子波相位增加,分辨率降低;高频成分增加,信噪比降低(主要在高频端).根据测得的耦合响应对检波器接收到的数据进行“耦合反褶积”,将地震数据“还原为”地表下数十厘米处的介质振动,从而消除耦合响应,可以增强地震信号的“保真度”,提高信噪比与分辨率.由于地表介质的多变性,每一个检波器对应的耦合响应均不同,同一检波器组合中多个检波器的耦合响应存在一定差异;其中只要有一个检波器埋置差,其整体的耦合效果就会显著变差;因为耦合响应对地震数据的影响非常深刻并难以忽略,所以合成地震记录时也应该考虑耦合响应的影响.     

基于高铁震源简化桥墩模型激发地震波的数值模拟

高铁列车运行过程中绝大部分时间都是行驶在高架桥上的,高铁列车经过桥梁时,通过与大地耦合的桥墩激发地震波发震过程和平地不完全一样.本文探索高铁列车行驶经过高架桥桥墩,通过桥墩对地下介质激发地震波的机理及过程.为了便于理论分析,文中将高铁列车简化为在高架桥上沿一个方向运动的移动线源,通过每节车厢前后组轮对,对每一个桥墩施加力的作用,而桥墩插入地面几十米深至围岩,与表层土壤和深层围岩双重耦合,由此给出高铁列车通过桥墩激发地震波的震源时间函数.同时,基于广义连续介质力学框架下的修正偶应力理论,推导包含介质特征尺度的弹性波动方程,并应用此弹性波动方程以及构建的高铁震源时间函数,采用优化的交错网格有限差分算法,实现数值模拟,将合成的地震记录与实际地震记录对比分析,其结论将为进一步的基于高铁震源的成像和反演研究提供理论依据.     

上海地铁一号线人民广场振动测试与分析

对上海地铁一号线人民广场站区间隧道进行振动测试,结合轨道加速度测试数据及车辆体系振动方程,建立地铁列车振动模拟荷载的数定表达式,并将荷载作用于FLAC3D数值模型上,分析地铁引起的地面振动响应。通过对比不同工况的数值分析结果,研究振动波在地表的传播规律,并讨论了隧道埋深对地面振动的影响,分析了不同频率的简谐地铁激励荷载引起的地面振动的衰减规律。     

上海地铁一号线人民广场振动测试与分析

对上海地铁一号线人民广场站区间隧道进行振动测试,结合轨道加速度测试数据及车辆体系振动方程,建立地铁列车振动模拟荷载的数定表达式,并将荷载作用于FLAC3D数值模型上,分析地铁引起的地面振动响应。通过对比不同工况的数值分析结果,研究振动波在地表的传播规律,并讨论了隧道埋深对地面振动的影响,分析了不同频率的简谐地铁激励荷载引起的地面振动的衰减规律。     

桥梁结构损伤对其固有振动特性的影响

分析实际桥梁结构的各种损伤状况,采用矩阵摄动理论分析桥梁结构发生损伤时固有频率及振型向量的一阶、二阶摄动结果,并讨论了固有振动特性对结构单元损伤的灵敏性。在理论分析的基础上,编制桥梁结构固有振动特性及其在损伤下的摄动分析程序,并用以分析简支梁、连续梁及拱结构损伤引起的固有振动的摄动结果。分析结果表明:单一单元损伤引起固有频率的摄动结果很小;不同位置处单元损伤与固有频率摄动结果的关系曲线与对应振型曲线具有相似性,但在中间支承处或结构端部有扭转约束处单元损伤影响显著;而单元损伤对振型向量影响极小。     

高速铁路填充沟隔振效果的2.5D有限元分析

高铁运行产生的振动对周边环境的影响不容忽视,空沟填充沟是高速铁路有效的屏障隔振方式之一。文中以饱和土2.5D有限元理论为基础,考虑轨道和路基的动力相互作用,建立轨道-路基-填充沟数值计算模型,编制FORTRAN计算程序,分析列车在低速和高速运行条件下填充沟的隔振性能及设计参数对隔振效果的影响。计算表明:填充沟对沟后区域隔振效果较好,且高速列车的隔振效果优于低速列车;隔振后振动频段范围变化不大,但原频段振动竖向加速度幅值有较明显衰减;隔振后加速度振级下降约20 dB,加速度衰减系数衰减至隔振前的0.1倍;填充沟的弹性模量、埋深以及埋置位置对隔振效果均有较大影响。