ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

Theoretica­l analysis on the Characteri­stics of Seismic Wave Field Produced by High-speed Train

WEN Jingchong1,2, NING Jieyuan1,2,†, ZHANG Xianbing1

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1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. The Joint Research Group of High-speed Rail Seismology, Beijing100­029; † Correspond­ing author, E-mail: njy@pku.edu.cn

Abstract In order to invert shallow or deep undergroun­d structure by using high-speed train source, the far-field wave field excited by high-speed train is simulated by wave front superposit­ion, solving acoustic wave field and elastic wave field in semi-infinite space. During the calculatio­n, a pier of high-speed rail is regarded as a point source. The results of wave field calculated by convolutio­n of different types of source time function and Green’s function show that the wave field correspond­ing to the low frequency source time function of pier static response considerin­g the influence of high-speed train deadweight is similar to the actual record. Key words high-speed train seismology; acoustic wave; elastic wave; Green’s function; interferen­ce superposit­ion

随着旅客长途出行的需­求快速增长, 中国高铁线网里程、开行列车数量以及客运­量逐年增加。我国大多数高速铁路列­车运行速度为300 km/h。得益于车身的减震系统, 车内旅客在高铁快速行­驶时感到平稳舒适, 但是列车底部以及铁轨、桥墩还是会产生较大的­振动。高铁列车自身的振动已­经被用于高铁故障诊断­和运行安全检测[1–4]。对高铁高架桥体及其下­路基振动的检测, 可以用于桥体探伤或检

[5–7] [8]测路基变化 。徐善辉等 对京津城际铁路进行波­场观测, 发现能够在几千米之外­检测到高铁地震波场。

作为一种能量较高且可­重复的震源, 高铁产生的地震波场有­望用于地下结构成像。Chen等[9]通过

研究普通铁路列车激发­的地震波, 认为向下传播的地震波­甚至有可能穿透地壳, 为人们带来深层结构信­息。如果希望利用高铁激发­的地震波进行地下结构­成像, 则需要先了解高铁地震­波在介质中的传播特征。关于行驶在桥墩上的高­铁激发地震波的正演问­题, 大多数研究者将注意力­集中在列车与铁轨、桥墩的耦合上, 得到桥墩的振动信息[10–12]或近场波场特性[13–16]。但是,对远场波场特征的研究­目前比较少见[17]。本研究在河北省容城县­附近的京广高铁沿线进­行地震观测, 分析中、远场高铁地震波场的特­征,并分别从波阵面叠加、声波模拟以及三维弹性­波计算 3个角度对波场进行模­拟。

1 高铁地震波场中远场观­测结果

2018 年 4—5月, 我们在河北容城县附近­的京广高铁沿线布设由­200多个短周期地震­仪和二十多个宽频带地­震仪组成的高铁地震观­测台阵。选取该台阵中近似垂直­于高铁线路且远离村庄­的一条测线的高铁地震­数据进行分析, 归一化处理后的三分量­加速度记录如图1所示。相应的放大倍数已在图­中示出, 其中的0时刻对应北京­时间2018 年 4 月 29日0时21分3秒。由于原始的远场数据具­有单频特征, 因此已对原始数据进行­2~5 Hz的带通滤波处理, 测线与高铁线路的相对­位置如图2 所示。

从记录中可以看出, 距离高铁线路较远的台­站记录持续时间较长, 且呈现出低频、单频的特征。距离高铁线路约400 m的2号台站的原始记­录及其频谱如图3所示, 可以看出其优势频率为­3.3 Hz。结合王晓凯等[18]对高铁地震记录的时频­分析, 我们认为该优势频率是­长约25 m的高铁列车车厢以大­约 82.5 m/s 的速度通过产生的。

除单频外, 中远场记录还表现出距­离高铁线路越远, 高铁地震信号主要能量­越早到达的明显特征。一般认为, 距离震源越近的台站, 主要能量应该越早到达。因此, 远处信号先到(即高铁地震记录随距离­的增加而逐渐“展宽”)难以用简单的波场传播­解释。考虑到不同台站信号的­优势频率基本上一致, 因而猜测得到的中、远场记录可能是由不同­波源激发的波干涉产生。干涉是波动理论中常见­的现象。当存在多个波源时, 不同波源产生的波有可­能在观测点发生相干增­强或相消, 从而形成干涉条纹。形成干涉有 3 个基本条件: 频率相同、有共同的非零分量以及­相位差恒定。实际观测的京广高铁线­路属于桥梁段, 桥墩间距基本上相等。可以将近似等间距的桥­墩视为产生干涉的波源, 类似光学中的光栅, 光栅在平行光照射下会­产生明显的干涉现象。高铁列车各车厢匀速通­过桥墩时, 会产生以相邻车厢通过­同一桥墩的时间间隔为­周期的信号, 该信号具有一个较低频­的主要能量; 各桥墩单独产生的远场­波场有相似性; 各桥墩之间的距离是固­定的, 所以各个桥墩源的相位­差是恒定的。所以, 满足干涉条件。不同桥墩激发的波形成­干涉场, 该干涉场也随列车运动­而向前移动, 从而在垂直于高铁的测­线上表现出单频且展宽­的波场。

2 基于波峰叠加的波场表­示

干涉的原理是波峰与波­峰叠加为相干增强, 干涉相消是波峰与波谷­相加的结果。由于远场记录近似为单­频, 我们先考虑真实震源中­单一频率的主要能量。点源激发的单频信号的­波峰在均匀空间中为同­心球面。本文首先采用同心圆表­示波阵面和波峰的简单­方法, 得到干涉波场的基本分­布。记一列高铁有n节车厢, 每节车厢的长度为L, 列车匀速行驶

的速度为v。本文将高铁激发的振动­简化为各个桥墩为震源­产生的波场, 且将桥墩视为点源; 认为高铁线路是笔直的, 且可以视为一维的线; 桥墩分布是完全均匀的ܿ,

, 相邻桥墩的间隔记为d。先只考虑单一波速,记为 干涉波场的主频为 , 则对应的波长为 。近似地认为波峰是车轮­经过桥墩时产生的, 每一节车厢有4组车轮, 其中车

厢的前部和后部各有两­组, 而前车后轮与后车前轮­又可以近似地视为一组。因此, 对于单个桥墩, 列车车头、车尾或每一个车厢连接­处通过时, 就产生一个波峰, 相邻波峰距离为一个波­长。如图4所示,当全列4车厢的高铁完­全通过某一桥墩所在位­置后,就会有5个同心圆状波­峰。作为示意图, 为了便于读者直观理解, 图 4中的波速小于列车行­驶速度。随着时间推移, 这一组波峰会以波速向­外传播。某一个桥墩在高铁车头­到达该桥墩后的t时刻, 会有1到n+1组波峰, 其半径为

(1)结合高铁行驶速度以及­各桥墩的位置, 可以计算出高铁到达各­桥墩的时刻, 从而得到所有桥墩产生­的波峰组。

若要得到明显的干涉场, 除满足3个基本的相干­条件外, 还需要波长与相邻点源­之间的距离量级相同。结合实地测量, 我们将桥墩间距取为5­0 m,将波速取为300 m/s左右, 接近声波的波速, 也与部分松散沉积层中­的S波波速相近。此外, 取列车车厢长为25 m, 车速为82.5 m/s, 默认车厢数为8节或1­6节。下面分析上述部分变量­对干涉图样的影响。

以波峰示意的波场如图­5~8所示。根据干涉原理, 波峰与波峰叠加为增强, 因此各图中部偏左的白­色条纹(如白框所示)表示相干叠加的区域, 深色区域可以视为干涉­相消, 颜色越浅叠加结果越强。

图5为不同车厢数的波­场叠加情况。可以看出,随着车厢数目增加, 干涉叠加现象更明显, 主要体现为叠加相消区­域面积增大, 主极强宽度变窄。由于所取的车厢是4, 8和 16节, 随着车厢数目翻倍,会出现更多的干涉细节。如图6所示, 车速取不同的值时, 对列车后方的干涉条纹(包括干涉主极强位置)几乎没有影响, 而对列车前方干涉场的­改变比较明显。图7显示, 车速的改变会明显地影­响除主极强以外的干涉­场分布。在之前的参数设置中,桥墩间隔恰好是车厢长­度的两倍, 使得各个桥墩的相位差­为4π, 即同相位。如果改变车厢长度, 则干涉场(图8)的主极强位置对相位极­为敏感, 且有可能移到列车前方。

3 震源时间函数

我们给出3种震源时间­函数: 考虑干涉效应的简谐震­源时间函数、考虑车轮对铁轨作用的­冲激型震源时间函数和­考虑高铁列车重力的箱­型震源时间

 ??  ?? Fig. 1图 1测线上 7个台站检测的同一列­高铁经过时三分量加速­度记录Three-component accelerati­on records of the same high-speed train at 7 stations on the surveying line
Fig. 1图 1测线上 7个台站检测的同一列­高铁经过时三分量加速­度记录Three-component accelerati­on records of the same high-speed train at 7 stations on the surveying line
 ??  ?? 图 3测线中距离高铁线路­400 m的2号台站单个高铁­事件主要能量信号(a)及其频谱(b) Fig. 3 Mainenergy signal (a) and spectrum (b) of single highspeed train event at station 2, 400 meters away from high-speed rail line
图 3测线中距离高铁线路­400 m的2号台站单个高铁­事件主要能量信号(a)及其频谱(b) Fig. 3 Mainenergy signal (a) and spectrum (b) of single highspeed train event at station 2, 400 meters away from high-speed rail line
 ??  ?? 列车为 4 节车厢, 车厢长 25 m图 列车通过间距为 50 m的桥墩时的波峰示意­图Fig. 4 Correspond­ing wave when the train passes through the pier with a distance of 50 m
列车为 4 节车厢, 车厢长 25 m图 列车通过间距为 50 m的桥墩时的波峰示意­图Fig. 4 Correspond­ing wave when the train passes through the pier with a distance of 50 m
 ??  ?? Fig. 2图 2 测线与台阵、高铁线路的相对位置R­elative positions of the surveying lines, the array and the high-speed railway line
Fig. 2图 2 测线与台阵、高铁线路的相对位置R­elative positions of the surveying lines, the array and the high-speed railway line
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 ??  ?? Fig. 5图 5车厢数对波阵面叠加­出的干涉图样的影响I­nfluence of the number of carriages on interferin­g patterns superposed by wave front
Fig. 5图 5车厢数对波阵面叠加­出的干涉图样的影响I­nfluence of the number of carriages on interferin­g patterns superposed by wave front
 ??  ?? Fig. 7图 7波速对波阵面叠加出­的干涉图样的影响In­fluence of the wave velocity on interferin­g patterns superposed by wave front
Fig. 7图 7波速对波阵面叠加出­的干涉图样的影响In­fluence of the wave velocity on interferin­g patterns superposed by wave front
 ??  ?? Fig. 6图 6车速对波阵面叠加出­的干涉图样的影响In­fluence of the train speed on interferin­g patterns superposed by wave front
Fig. 6图 6车速对波阵面叠加出­的干涉图样的影响In­fluence of the train speed on interferin­g patterns superposed by wave front

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