王之洋、陈朝蒲、白文磊等作者在2022年7月的《地球物理学报》（Chinese Journal of Geophysics）第65卷第7期发表了一篇题为《高铁列车通过高架桥桩基础激发地震波响应分析》的研究论文。该研究由北京化工大学信息科学与技术学院、中国科学院地质与地球物理研究所、非对称性弹性波动方程联合研究组和高铁地震学联合研究组共同完成。
随着中国高速铁路的快速发展，高铁列车在运行过程中对地质结构和工程防护的影响日益受到关注。高铁列车在通过高架桥时，其激发和传播地震波的机制与在地面上行驶时存在显著差异。为了更好地利用高铁列车作为可重复的移动震源进行浅层地质构造成像和反演，以及开展工程防护研究，研究高铁列车通过高架桥时激发地震波的响应特征和影响因素具有重要意义。该研究旨在分析高铁列车通过高架桥桩基础激发地震波的机制，并通过数值模拟研究多种因素对合成高铁地震记录的影响。
研究主要包括以下几个步骤：
高铁地震波激发机制的建模
研究者以和谐号CRH5型电力动车组为参考，构建了高架桥系统下的高铁列车荷载模型。模型将高铁列车简化为多节车厢前后转向架上的一系列轮组对荷载的线性组合。通过分析高铁列车通过高架桥时荷载传递到桩基础的过程，推导了震源时间函数，并考虑了横向和垂向荷载的影响。
非对称性弹性波动方程的推导
为了更好地描述高架桥系统下高铁列车通过效应产生的旋转运动和变形局部化现象，研究者基于修正偶应力理论，推导了非对称性弹性波动方程。该方程考虑了介质的微旋转运动特性和微孔缝隙特征尺度参数，能够更准确地模拟高铁地震波的传播。
数值模拟与参数分析
研究者利用非对称性弹性波动方程进行数值模拟，分析了高铁列车运行速度、地层微孔缝隙特征尺度参数、检波器位置、震源类型和深度衰减系数等因素对合成高铁地震记录的影响。数值模拟中，模型分为低速土壤层和高速基岩层，设置了高铁列车的几何参数和高架桥的桩基础参数。
结果分析与讨论
研究者通过对比不同参数下的合成地震记录，分析了高铁列车运行速度、地层微孔缝隙特征尺度参数等对地震波响应的影响，并解释了这些结果对高铁地震波传播机制的意义。
高铁列车运行速度的影响
随着高铁列车运行速度的增加，合成地震记录的持续时间减小，振幅能量增强，幅频响应的能量逐渐集中在3Hz、10Hz和30Hz附近。这表明高铁列车运行速度对地震波的频率分布和能量强度有显著影响。
地层微孔缝隙特征尺度参数的影响
地层微孔缝隙特征尺度参数的增大会导致合成地震记录出现衰减，主要影响20Hz以上的频率成分。这说明地层的微结构特征对高频地震波的传播具有重要影响。
岩土介质的影响
岩土介质对高铁地震波的传播具有显著影响，尤其是基岩层的存在对地震波的传播路径和能量分布起到了关键作用。
震源类型和深度衰减系数的影响
高铁地震波以“分级点火”的形式激发，使用Ricker子波作为震源所得的合成地震记录与实际数据匹配较好。随着深度衰减系数的增大，合成地震记录出现全频带的衰减。
该研究通过数值模拟和参数分析，系统地研究了高铁列车通过高架桥桩基础激发地震波的响应特征和影响因素。研究结果表明，高铁列车运行速度、地层微孔缝隙特征尺度参数、岩土介质和震源类型等因素对地震波的传播具有重要影响。这些结果为利用高铁列车作为移动震源进行浅层地质构造成像和反演提供了理论支持，同时也为高铁工程防护研究提供了重要参考。
创新性方法
该研究首次结合修正偶应力理论和非对称性弹性波动方程，系统地分析了高铁列车通过高架桥时激发地震波的机制，为高铁地震波的研究提供了新的理论框架。
多因素分析
研究通过数值模拟详细分析了高铁列车运行速度、地层微孔缝隙特征尺度参数、检波器位置、震源类型和深度衰减系数等多种因素对地震波响应的影响，为高铁地震波的传播机制研究提供了全面的数据支持。
实际应用价值
研究结果对利用高铁列车作为移动震源进行浅层地质构造成像和反演具有重要的应用价值，同时也为高铁工程防护研究提供了理论依据。
该研究还探讨了高架桥桩基础与岩土介质的相互作用对地震波传播的影响，并提出了“分级点火”的震源激发机制，为高铁地震波的传播机制研究提供了新的视角。此外，研究还通过数值模拟验证了非对称性弹性波动方程在高铁地震波模拟中的有效性，为相关领域的研究提供了新的方法和技术支持。