1. 引言
随着道路密集程度的不断增加，道路交通不可避免地穿越居民区和高精尖科技研发区，其引发的环境振动对人们的日常生活影响越来越大，逐渐成为人们重点关注的问题。在国际环境法防治对象中，将环境振动列为七大典型公害之一，除影响人们的日常生产生活外，还会影响精密仪器的正常使用，对古建筑结构的安全性与稳定性产生不良影响[1]。
国内外众多学者对不同荷载形式产生的振动响应传播规律进行了解析解研究，杨逾[2]开展了振动波在土体中传播规律的理论研究，对冲击荷载作用下半无限空间振动响应规律的计算及振动波传播规律进行分析，对这些研究结论拓展到匀速移动荷载作用下的可能性进行了探讨。Eason G [3]等基于三重傅里叶变换研究了三维弹性均质半空间中不同荷载作用下的振动传播规律，求得给定荷载形式下系统响应的通解。移动荷载可以更加准确地反映出振动响应规律，Cole J [4]等通过集中荷载解析解的叠加，考虑荷载移动速度与纵向或横向波速之间的关系，结果表明，弹性半空间振动强度受荷载移动速度影响较大。王海洋[5]基于车辆动态测重系统监测数据，研究公路桥梁的随机载荷谱，分析车辆荷载对桥梁结构的影响及其统计特性。徐利辉[6] [7]等提出了隧道–土体耦合模型，通过对隧道施加空间周期性谐波移动荷载，解析获得了地面振动响应，且采用直接刚度法从理论上研究了多半空间在空间周期谐波运动荷载作用下的动力响应。Qian J [8]等采用傅立叶积分变换和传播矩阵方法，得到了在简谐波移动载荷作用下三维饱和弹性半空间动力响应的解析解。道路交通所致地面振动是环境振动的重要组成部分，王立安[9]等建立了1/4汽车与半空间土体耦合模型，利用傅里叶和拉普拉斯积分变换进行求解，推导出地表振动的解析解，对影响地面振动的因素进行分析。曹志刚[10]等采用半解析解法研究道路交通作用下道路的动力响应，并建立了三维数值算模型，结果表明，车速、土体渗透系数和道路刚度对道路振动位移响应的影响最显著。
在“十四五”规划期间，为解决某些领域的“卡脖子”问题，国家重点扶持高新技术产业，高科技厂房和大科学装置实验室不断建成。半导体行业是科技产业的“能源”，是“芯”时代的动力，极大推动了计算机、通信、电子、航空航天等领域的高速发展，为了制造出世界领先的半导体产品，半导体厂房的振动控制标准已经达到了VC-D甚至VC-E。相较于规范[10]中精密仪器的振动准许值，科学装置中的精密仪器振动响应更加关注振动位移均方根值，如本文所依托的工程项目对微振动控制要求极为严格，即频率为1~100 Hz的振动在一秒内的位移RMS值达到30 nm以下。因此，对振动控制具有严格标准的建筑结构进行微振动控制设计工作是十分必要的。
2. 测试目的及设备
2.1. 现场测试目的
本文所依托的工程项目对结构核心区域微振动控制提出了极高的要求，即频率为1~100 Hz的振动响应在一秒内的位移均方根值(后文称位移RMS值)达到30 nm以下。通过实测分析拟建项目地面道路交通所致基坑内筏板的振动响应随距离衰减规律，为后文仿真分析模型提供振源荷载数据和合理性验证依据，故对基坑内筏板的振动响应进行现场测试极其必要。
2.2. 现场测试设备
环境振动现场实测设备主要为信号采集仪、速度传感器和信号采集与分析系统。测试设备和软件的详细名称及数量见表1。
Table 1. On-site testing equipment
表1. 现场测试设备
编号 |
名称 |
单位 |
数量 |
品牌型号 |
1 |
动态信号采集仪 |
台 |
1 |
DH5922D |
2 |
磁电式传感器 |
个 |
36 |
东华2D001 |
3 |
动态信号采集与分析系统 |
套 |
1 |
DHDAS |
4 |
数据线 |
米 |
36 × 25 |
\ |
5 |
UPS户外电源 |
个 |
2 |
电小二 |
2.3. 测试方案
本次测试均匀布置五个测点，测点间距为7 m，第一个测点P1位于基坑边沿往后每隔7 m布置一个测点。为能够准确反映出拟建项目场地在道路交通作用下基坑的振动响应，在夜间进行单一车辆行驶时道路交通所致基坑的振动随距离变化的实测与分析，测试过程中周围无其他振源干扰，测试环境良好。现场测点布置图如图1所示，现场测试环境如图2、图3、图4所示。
Figure 1. On-site measurement point layout
图1. 现场测点布置图
Figure 2. On-site testing photo
图2. 现场测试照片
Figure 3. Sensor layout
图3. 传感器布置
Figure 4. Test vehicle
图4. 测试车辆
3. 测试结果分析
3.1. 频谱曲线分析
本次数据上仅考虑振动最大的垂直方向，图5给出了距离地面7 m与35 m测点的道路交通所致基坑振动加速度响应的频谱曲线。从图中可以看出，道路交通产生的基坑振动加速度主要频率集中在2~10 Hz之间。在车速为20 km/h时，从7 m处测点P1到35 m处测点P5，振动峰值从0.000688降低到0.000578，峰值频率从2.58 Hz上升到4.39 Hz。在车速为30 km/h时，从7 m处测点P1到35 m处测点P5，振动峰值从0.000961降低到0.000890，峰值频率从2.61 Hz上升到3.63 Hz。在车速为40 km/h时，从7 m处测点P1到35 m处测点P5，振动峰值从0.001626降低到0.001185，峰值频率从2.64 Hz上升到3.65 Hz。
Figure 5. Ground vibration spectrum curve induced by road traffic
图5. 道路交通所致地面振动频谱曲线
可以发现：1. 在车速不变时，随着测点距离的增加，道路交通所致振动峰值明显降低。2. 相同测点也随着车速的增加而明显增加。3. 在相同车速时，随着测点距离的增加，道路交通所致振动峰值在降低，而峰值频率在逐渐放大。
3.2. 位移RMS值衰减分析
本次数据上同时考虑水平方向和垂直方向，图6、图7和图8分别给出了P1~P5测点在不同车速下的位移RMS值的衰减曲线。从图中可以看出垂直方向所致位移明显大于水平方向，在20 km/h，30 km/h，40 km/h时最靠近基坑边沿测点P1的位移RMS值分别为0.00000736 mm、0.00000981 mm、0.00001104 mm，从P1~P5测点位移RMS值分别衰减39.6%、39.7%、29.7%，随着车速的增加，其位移RMS值衰减速率放缓。
Figure 6. Displacement RMS attenuation curve (V = 20 km/h)
图6. 位移RMS衰减曲线(V = 20 km/h)
Figure 7. Displacement RMS attenuation curve (V = 30 km/h)
图7. 位移RMS衰减曲线(V = 30 km/h)
Figure 8. Displacement RMS attenuation curve (V = 40 km/h)
图8. 位移RMS衰减曲线(V = 40 km/h)
4. 数值仿真结果分析
4.1. 土体材料参数
根据拟建工程项目的场地地勘报告可知，场地土起伏较大，最大高差达到11.23 m，故根据各土的实际厚度建立完全匹配的模型十分困难。为简化数值计算模型的建立过程，假设模型中具有相同性质的土厚度相同。场地土主要分为杂填土、黏土、强风化泥质砂岩中风化泥质砂岩四种类型，因杂填土承载力较差，在工程中无法使用，故在建立数值计算模型时将杂填土去除，将其等同为黏土。综上所述，在建模过程中仅对除杂填土之外的三种土进行简化，简化后各土参数见表2。
Table 2. Soil parameters of the site in the numerical calculation model
表2. 数值计算模型中场地土体参数
土层 |
厚度(m) |
密度(kg/m3) |
泊松比 |
弹性模量(GPa) |
① 黏土 |
14 |
1980 |
0.35 |
0.046 |
② 强风化泥质砂岩 |
4 |
2318 |
0.36 |
5.876 |
③ 中风化泥质砂岩 |
22 |
2530 |
0.28 |
32.780 |
4.2. 建立有限元模型
使用ABAQUS建立地表道路交通作用下基坑内部基础有限元模型。首先，确定数值计算模型同上文现场试验模型保持一致，其次使用筏板的混凝土强度等级均为C35，弹性模量
，密度
，泊松比
，基坑的有限元模型如图9所示。
Figure 9. Finite element model of the internal foundation of the foundation pit
图9. 基坑内部基础有限元模型
4.3. 振源施加
在道路交通所致基坑内振动响应现场测试过程中，采集在车速20 km/h、30 km/h、40 km/h时距离基坑边沿处P1测点Z向的振动数据，作为数值计算模型所需振源荷载，所施加荷载如图10所示。
Figure 10. Acceleration time history curve of the load from the small vehicle excitation source
图10. 小车振源荷载加速度时程曲线
4.4. 频谱曲线分析
图11给出了在数值模拟下P1测点在不同车速下的频谱曲线，从图中可以看出模拟振动主频随着车速逐渐增大分别为2.49、2.45、2.51，其结果与实测振动主频较为相近，从振动峰值上看，数值模拟结果相较于实测结果略有放大。
Figure 11. Z-axis frequency spectrum curve of the numerical simulation
图11. 数值模拟Z向频谱曲线
5. 不同深度基坑的仿真研究
5.1. 模型建立
在上述土体参数以及材料属性不变的情况下分别建立5 m深、8 m深、10 m深三种不同深度的基坑，通过仿真获得不同基坑深度对路面道路车辆行驶的振动响应情况。不同深度的基坑有限元模型如图12、图13、图14所示。
Figure 12. Finite element model of a 5-meter deep foundation pit
图12. 5 m深基坑有限元模型
Figure 13. Finite element model of a 8-meter deep foundation pit
图13. 8 m深基坑有限元模型
Figure 14. Finite element model of a 10-meter deep foundation pit
图14. 10 m深基坑有限元模型
5.2. 施加振源
在道路交通所致基坑内振动响应现场测试过程中，将车速20 km/h时距离基坑边沿处P1测点Z向的振动数据，作为数值计算模型所需振源荷载，所施加振源荷载如图15所示。
Figure 15. Acceleration time history curve of the small vehicle at 20 km/h
图15. 小车20 km/h时加速度时程曲线
5.3. 频域分析
通过仿真分析提取P1测点处的频谱曲线，将频谱划分成每个频程为三分之一倍频的频带，可以更准确地捕捉到细微的频率变化，不同基坑深度的三分之一倍频程中心频率如图16所示。
Figure 16. Center frequency plot of foundation pits at different depths
图16. 不同深度基坑中心频率图
从图中可以看出，基坑深度的改变对车辆引起的振动主频没有明显的影响，但是从振级上可以分析得出，基坑5 m深时振动等级最强，达到接近40db，基坑8 m深与10 m深时振动等级差异较小略大于30db，在基坑满足其他需求的情况下，从微振动角度考虑可采取基坑8 m深。
6. 结果与讨论
本次测试结合模拟得到道路交通荷载作用下所致基坑内振动响应随距离的衰减规律，以及对频谱曲线的振动主频、振动峰值做出相应探讨，可以得出如下结论：
(1) 在车速不变时，随着测点距离的增加，道路交通所致振动峰值明显降低。
(2) 相同测点的振动响应也随着车速的增加而明显增加。
(3) 在相同车速时，随着测点距离的增加，道路交通所致振动峰值在降低，而峰值频率在逐渐放大。
(4) 在不同车速下的位移RMS值的衰减曲线。从图中可以看出垂直方向所致位移明显大于水平方向。
(5) 在车辆作用下所致基坑内的振动主频实测结果与模拟结果相较一致。
(6) 基坑8 m深与10 m深时振动等级差异较小略大于30db，在基坑满足其他需求的情况下，从微振动角度考虑可采取基坑8 m深。