автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Анализ и разработка комплекса мероприятий по снижению уровня вибрации и шума от линий метрополитена

Р Г Б О'

2 3 НОВ ^ РГБ С:',

2 3 НОЯ 1398

На правах рукописи

КОСТАРЕВ Станислав Андрианович

АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ УРОВНЯ ВИБРАЦИИ И ШУМА ОТ ЛИНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА

01.04.06 Акустика 05.14.16 Технические средства и методы защиты окружающей среды

(строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Международном общественном объединении "Тоннельная ассоциация"

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор С.А. Рыбак

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор A.C. Никифоров

доктор технических наук, профессор Д-М. Голицинский

доктор технических наук, профессор А.И. Вялышев

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт прикладной акустики, г. Дубна

Защита состоится 17 декабря 1998 года в 15.00 на заседании диссертацио; ного совета Д 064.87.01 в Балтийском государственном техническом университе' им. Д.Ф. Устинова по адресу: Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета.

Автореферат разослан " " ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дроздова Л.Ф.

I. ОСНОВНЫЕ ИДЕИ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

Работа посвящена решению комплекса проблем борьбы с шумом и вибрацией, возбуждаемыми подземными и наземными источникаси, связанными с метрополитеном. Особую актуальность этой проблеме придает необходимость удовлетворения жестким санитарным нормам, характерным для городской среды.

В настоящее время механизм возбуждения вибрации грунта изучен недостаточно. Поскольку спектральная плотность силы, возникающей при взаимодействии колесной пары с верхним строением пути зависит от состояния поверхностей качения колес и рельса, систем рессорного подвешивания вагона, от характеристик пути и его основания, от скорости движения поезда, от профиля рельса, качества рихтовки пути, кривизны его на месте проведения испытания и от других факторов, оценка уровней виброускорения на лотковой части тоннеля расчетным путем представляет достаточно сложную задачу. Существенные трудности возникают и при решении задачи определения передаточной функции от обделки к поверхности грунта. Определение передаточной функции требует использования вычислений на ЭВМ.

В дополнение к математическим трудностям проблема осложняется отсутствием данных о геометрических характеристиках и упругих свойствах слоев грунта. Обычно данные о геологическом строении района в окрестности линий метрополитена получают на основе анализа проб грунта при бурении, но количество скважин обычно ограничено, а упругие свойства грунта определяются весьма приблизительно (иногда имеются данные по статическим характеристикам, а информация о динамических параметрах на практике не известна).

Вследствие сложности вибрационного поля и отсутствия достаточно подробных данных о геометрических и физических свойствах слоев грунта, в настоящее время приходится полагаться на комбинацию эмпирических и аналитических методов.

Анализируя известные методы борьбы с вибрацией, применяемые на трассах метрополитена, следует отметить их многообразие. Существующие конструкции позволяют снижать уровни вибрации в нормируемом диапазоне частот, имеют достаточную эффективность и позволяют подобрать подходящие средства борьбы с вибрацией в каждой конкретной ситуации.

Для проверки развиваемых теоретических концепций проведен ряд измерений уровней колебаний обделок, а также генерируемых шумов и вибраций в жилой застройке. Обработанные согласно описываемой в работе методике результаты демонстрируют хорошее согласие с прогнозируемыми уровнями вибраций и шумов. Следовательно, представленный комплекс нормативно-технической документации может бить квалифицирована как необходимый рабочий инструмент для прогнозирования и расчета виброакустического состояния в зонах, прилегающих к трассам метрополитена.

Экспериментально найдены типичные спектрограммы составляющих виброускорения на лотковой части и на стенке обделки. Эти данные были использованы при определении исходных уровней виброускорения для различных типов обделки тоннелей при движении подвижного состава в различных зонах теологического залегания. По найденным значениям были рассчитаны величины возбуждающей силы.

Проведены теоретические исследования колебаний обделок тоннелей метрополитена различного типа, рассматриваемых как упругие оболочки, создана математическая модель упругих волн в грунте, учитывающая распространение продольных, поперечных, а также волн Рэлея в грунте. Учет поверхностных волн Рэлея в практике акустических расчетов, связанных с метрополитеном, производится впервые. Была показана важность роли последних при передаче энергии вибрации к жилой застройке вследствие малого затухания поверхностных волн.

Анализ—результатов_показывает, что традиционный подход к

моделированию вибрационного поля в окрестности трасс метрополитена дает существенно заниженные результаты для уровней вибрации, что может приводить к неадекватным конструктивным решениям при проектировании

новых линий метрополитена и следовательно, к значительным материальным и финансовым потерям. Учет волны Рэлея позволяет значительно лучше прогнозировать уровни вибрации в зоне, прилегающей к линиям метрополитена.

Разработана методика по определению уровней вибрации от подвижного состава метрополитена, приводится методика расчета шумо- и Биброзащитных мероприятий. Описываются особенности разработанного программного обеспечения. Развиты новые подходы анализа волновой структуры вибрационного поля, в частности учитывающие полноводные свойства грунта.

Практическое применение методов расчета, вычислительных схем и программ для ЭВМ в течение нескольких последних лет в ряде фундаментальных и прикладных областей выявило следующие проблемы. Развитые теоретические методы ограничены недостатком имеющихся исходных данных геофизического характера. В силу этого возможности получения высокоточных результатов расчетов ограничены. Разработанный в настоящей работе подход, в частности, может быть использована при решении обратной задачи оценки акустических параметров сред.

Использующийся до настоящего времени ряд нормативно-технических документов по борьбе с шумом был разработан двадцать и более лет назад. Анализ и обобщение документов, созданных за последнее время с учетом специфики метро позволил создать комплекс необходимых нормативно-технических документов по борьбе с шумом для метрополитена.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, осуществляется общее описание возникающих проблем и постановка задач для решения. Настоящая работа выполнена с целью создания более совершенных методик прогнозирования уровней вибрации и шума в жилой застройке, прилегающей к проектируемым и строящимся линиям метрополитена и оценки эффективности мероприятий по вибро- и шумо- защите зданий и сооружений. Основными задачами данной работы являются:

- выявление факторов, определяющих виброизлучение при движении поездов метрополитена;

- разработка математической модели возбуждения обделки и распространения упругих колебаний в грунте;

- разработка эффективных средств по снижению вибрации и шума;

- проведение натурных экспериментальных исследований на действующих линиях метрополитена для проверки адекватности математической модели;

- разработка методик расчета уровней вибрации и шума в зданиях, расположенных в зоне влияния линий метрополитена;

- разработка программного обеспечения, реализующего методику расчета уровней вибрации и шума в зданиях и оценку эффективности мероприятий по их снижению.

Первая часть диссертации посвшцена проблемам вибрации, вторая связана с вопросами шума.

В первой главе рассмотрены и обобщены материалы отечественных и зарубежных авторов, содержащие информацию о существующих аналитических и эмпирических методах расчета и прогнозирования вибрации, эффективности мероприятий по виброизоляции зданий.

Целью существующих аналитических и эмпирических методов расчета являются:

- расчет уровней вибрации, обусловленной движением поездов, в районах жилой и промышленной застройки с учетом существующей планировки зданий;

- прогнозирование и диагностика источников вибрации в существующей застройке;

- оценка эффективности мероприятий по борьбе с вибрацией;

Наиболее сложной задачей является оценка уровней вибрации при малом удалении от-пути метрополитена.вибрацию на примагистральной территории можно оценить прямыми измерениями виброхарактеристик основания пути. В тех случаях, когда имеются технические трудности по проведению таких измерений, это можно сделать на другом участке, но в этом случае

интенсивность движения должна быть аналогична, а тип обделки и конструкция верхнего строения пути идентичны.

Расчет уровней вибрации на некотором расстоянии от пути осложняется структурой грунта, которая меняется в широких пределах. Кроме того, она бывает недостаточно хорошо известна. Даже при наличии данных, полученных при бурении скважин, вязкоупругие характеристики грунта, такие как скорости продольных и сдвиговых волн и коэффициент внутренних потерь часто отсутствуют. Более того, даже если структура грунтов и их механические характеристики известны, модели расчетов весьма сложны, что ограничивает возможность аналитических решений простейшими формами. Вследствие этого для решения подобных задач применяются эмпирические или эмпирико-аналитические методы. Передача вибрации от грунта фундаменту здания и распространение вибрации по конструкции здания могут быть рассчитаны, но при этом возникают те же трудности. Практически применяются почти исключительно эмпирические методы.

Для ограничения уровней вибрации применяются несколько методов: -меры по снижению вибрации в источнике (проточка бандажей колес и уменьшение жесткости буксовой системы рессорного подвешивания, виброизоляция верхнего строения пути от основания обделки. Такими мерами являются:

- укладка шпал на упругое основание или устройство упругих рельсовых скреплений);

- укладка верхнего строения пути на упругое основание;

- уменьшение вибрации по пути ее распространения (утяжеление обделок и экранирование) ;

- виброизоляция фундаментов зданий от грунта.

На рис. 1 приведена схема, показывающая возможные пути распространения вибрации от поезда метрополитена к зданию. Структура данной главы следует модели "источник - путь распространения - здание", представленной на рисунке.

Рис. 1

Проведен анализ и сопоставление наиболее распространенных средств борьбы с избыточной вибрации, выделены наиболее перспективные с этой точки зрения меры.

Во второй главе представлены измерения уровней колебаний обделок, а также генерируемых шумов и вибраций в жилой застройке. Обработанные согласно разработанным методикам результаты демонстрируют хорошее согласие с прогнозируемыми уровнями вибраций и шумов.

Измерения уровней вибрации проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 12.4.012 "Вибрация. Средства измерения и контроля вибрации". Использовалась аппаратура фирм " Ьагееп-Оето" и "Вгие! & К}аег".

Используемый комплекс аппаратуры позволял проводить синхронную регистрацию на магнитном носителе или в памяти прибора.

При проведении измерений в тоннеле метрополитена датчики устанавливались на лотковой части обделки и на ее боковой стенке при помощи специальной мастики. При измерениях на поверхности грунта для крепления

-—датчиков использовались массивные металлические плиты диаметром 500 мм и

толщиной 10 мм. -------

Регистрировались вертикальные и горизонтальные составляющие виброускорений.

Полученные в результате измерений средние значения виброускорения \\>ср в октавных полосах частот затем статистически обрабатывались.

Проводились измерения уровней виброускорения, возбуждаемых на поверхности грунта при прохождении поездов метрополитена. Регистрация уровней осуществлялась в точках поверхности грунта, удаленных от проекции оси тоннеля на 0, 10 и 20 м, Результаты измерений и расчетные данные для двух частотных диапазонов в октавах 31 и 63 Гц представлены на рис. 2 и 3.

На тех же рисунках представлены результаты расчетов по методике Унгара - Бендера [1] и по разработанной в рамках настоящей работы методике с учетом поверхностной волны Рэлея.

Анализ результатов, представленных на рис. 2 и 3 показывает, что традиционный подход к моделированию вибрационного поля в окрестности трасс метрополитена дает существенно заниженные результаты для уровней вибрации, что может приводить к неадекватным конструктивным решениям при проектировании новых линий метрополитена и следовательно, к значительным

V . уровни Ьиороускйрения. но поверхности грунта

^с''' .......■ ■ . ' .. ' .."■■

. .. ОктаЬа 31 Гц

Росстокнив от оси тоннеля

Рис. 2

уровни сиороускорвния на поверхности грунта

Окта&а 63 Гц

Эксперимент С учетом Оолны Реле я Д • || расчет

25 30 « га 5 0

к ч

Без учета Болны Реле я расчет -

■ ■ • X --1-Г —А.,—... 1--1-

Расстояние от оси тоннеля

Рис. 3

материальным и финансовым потерям. Учет волны Рэлея позволяет значительно лучше прогнозировать уровни вибрации в зоне, прилегающей к линиям метрополитена.

В третьей главе рассматривается модель грунта как сплошной среды, в которой могут распространяться акустические волны. Вообще говоря можно делать различные допущения относительно механических свойств этой системы и соответственно на основе них строить различные математические модели. Учет дополнительных факторов, уточняющих выводы и приводящих к новым возможным результатам будет производится по мере анализа рассматриваемой модели.

В работе грунт считается пязкоупругой средой с эффективным модулем упругости Е0(1 - г>/), где Е0 - действительная и щ £0 - мнимая части модуля,

отвечающие упругой и вязкой составляющей свойств фунта (/; - безразмерная величина, rj<0. 3).

Изгибные колебания обделки тоннеля порождают волну Рэлея в приповерхностном слое грунта. Поезд метрополитена, движущийся в тоннеле, возбуждает его изгибные колебания в вертикальной плоскости на длине L, сопоставимой с длиной состава. Колебания обделки тоннеля на частоте ш описываются соотношением

и = и0 ехр{-Ш + iky), (1)

где ио - амплитуда смещения обделки в вертикальном направлении; к -волновое число изгибных волн обделки

ъ^Щг1-' <2>

т. - масса, Е - модуль Юнга, J - момент инерции обделки, v - коэффициент Пуассона, ось У направлена вдоль оси тоннеля.

Волну Рэлея, порождаемую изгибными колебаниями обделки, на расстояниях, сравнимых с длиной состава, можно считать плоской. На больших расстояниях R» L формируется цилиндрическая волна Рэлея.

Волна Рэлея на расстояниях х, удовлетворяющих условию d/2 < х < L описывается выражением

иг = и0 ехр (-¿а/ 4 «ос + гКюу), (3)

Сц - скорость распространения волны Рэлея, приблизительно равная 0.9С^.

Вследствие того, что скорость изгибных колебаний значительно больше, чем скорость волны Рэлея, волновой вектор волны Рэлея направлен почта перпендикулярно оси тоннеля.

Поверхностная волна Рэлея формируется на расстоянии от оси тоннеля порядка половины длины ее волны. Амплитуду волны Рэлея в формуле (3) следует принимать равной

"ол="оНо1)(Н/2), (4)

где Щ - вертикальное колебательное перемещение поверхности грунта над осью тоннеля. Н(Р - функция Ханкеля первого рода нулевого порядка.

Связь горизонтальной и вертикальной составляющих перемещения в волне Рэлея определяется из условий

^ — со2 / с\

иг = + Ч> и* = ^

;ь ' и ~ * С2' "к С

А2 -®2 /с1 п 4

(5)

* - -2-^- к - &

Оценки, следующие из условий (5) показывают, что вертикальные и горизонтальные составляющие перемещения в волне Рэлея имеют один и тот же порядок.

В этой же главе осуществляется постановка задачи о моделировании источника. Целью является решение задачи об относительном вкладе первых трех мод колебаний цилиндрической оболочки в суммарное звуковое поле, возбуждаемое в сплошной среде. Рассматривается случай с возбуждающей силой в виде синусоидально распределенного вдоль оси оболочки и периодического по времени давления. Детальное исследование проводится в п. 4.6.

В настоящей работе помимо задач распространения упругих волн в грунте рассматриваются также задачи разработки мероприятий по снижению уровней виброускорения на пути распространения.

Б частности, рассматривается вертикальная стена, помещенная в грунт на расстоянии б (по горизонтали) от туннеля. Материал стены обладает упругими характеристиками, отличающимися от соответствующих характеристик грунта: скоростью продольных волн и плотностью .

Расчет дифракции падающей на стенку волны будем производить методом Кирхгофа

В плоском случае фундаментальным решением волнового уравнения являются приходящие с бесконечности и уходящие на бесконечность волны, записываемые в виде функции Ханкеля

КО = Ро»о',2)(Ь). (7)

Подставляя (7) в (6), находим искомый интеграл Кирхгофа

^ F

dS. (8)

В выражении (8) производные берутся по нормали к поверхности, по которой ведется интегрирование, следовательно, если эта поверхность, как в

рассматриваемом случае, является вертикальным экраном, то <fF = dP cos а ,

где а - угол между горизонталью и направлением распространения волны.

В качестве иллюстрации проведены детальные расчеты эффективности экрана для разных типов грунтов, разных частотных диапазонов и экранов двух типов: бетонного и траншеи в качестве изолирующего слоя. Стенка имеет высоту 10 м и врыта в землю на расстоянии 20 м от источника. Найдены максимумы снижения.

Найдены ситуации, когда использование бетонной стенки вместо воздушной приводит не к виброизоляции, а к обратному результату: слой бетона играет роль линзы с увеличением уровня на небольшом расстоянии за стенкой.

В п. 3.6 описанные выше модели были положены в основу компьютерных моделей колебаний обделки, распространения упругих волн в грунте и мер по виброизоляции объектов на поверхности зелии. Расчеты велись на стандартных PC с математическим сопроцессором.

Созданы несколько вариантов пакета UNSONIC численного анализа задачи. Компьютерная методика UNdergrotmd SONIc Calculations позволяет получить распределение поля вибрации в простом случае однородного грунта в виде цилиндрических функций, удовлетворяющих условиям на поверхности почвы и внешней стороне обделки. Последняя рассматривается как упругая оболочка, на которой возбуждаются как продольные, так и азимутальные

колебания. Наряду с объелшыми волнами в грунте принимаются во внимание и поверхностные волны.

Четвертая глава (п.4.1) посвящена разработке усовершенствованной методики расчета поля вибрации в грунте, возбркдаемого проходящими поездами метрополитена. Работы велись по нескольким направлениям: учет неоднородности грунта (слоистый грунт, двумерная неоднородность), последовательный учет сдвиговой упругости и вязкости грунта, анализ модового состава вибрации, а также уточнение расчета амплитуды вибрации обделки (включение в методику ранее не рассматривавшихся типов обделок, например двухпутных).

Рассмотрены дополнительные мероприятия по виброизоляции (эластичные амортизаторы и прокладки на обделке).

Разработаны алгоритмы решения полученных уравнений в частных производных с переменными (и, возможно, разрывными коэффициентами) с использованием метода конечных элементов и ортогональных полиномиальных разложений.

Кроме этого разработана интегрированная оболочка расчета вибрации, обеспечивающая дополнительные сервисные возможности по сравнению с предыдущим вариантом и более комфортные условия для работы.

Резюмируем сказанное. В методику включены новые модели, методы анализа экспериментальных данных и программное обеспечение. Именно:

1) Определение поля упругих волн в слоистых средах;

2) Метод конечных элементов;

3) Аппроксимация решений рядами классических ортогональных полиномов;

4) Схема расчета эффективности амортизаторов;

5) Методика экспериментального и расчетного определения коэффициента диссипации с помощью взрывов;----------------------------

6) Учет наряду с изгибной модой нулевой и второй мод колебаний обделки;

7) Создана вторая версия программы-оболочки для расчета вибрации.

В п. 4.2 предполагается, что скорость звука меняется с глубиной. Для сыпучих и пластичных, а также водонасыщенных грунтов можно использовать приближение жидкой среды

ct « с, (9)

ct и cj - соответственно скорости поперечных и продольных волн в грунте. Для реальных пластичных, сыпучих и жидких грунтов условие (9) обычно выполняется.

Наряду с общими выкладками рассматрена задача с конкретной геологией. В качестве такого примера рассмотрено довольно типичное для городских условий строение верхней части грунта с тремя слоями и характерной гидрологией: 1) "Верховодка" (до 2 м); 2) Надморенные грунты (2 - 8 м); 3) Надъюрские грунты (> 8 м).

Существенной особенностью рассматриваемого геологического разреза является то, что верхний слой обладает повышенной скоростью звука (700 - 900 м/с).

Приповерхностная область грунта обладает характерным волноводным распределением скорости звука с понижением у самой поверхности и минимумом на глубине около 4 м.

Волновое уравнение с краевыми условиями, учитывающие описанные особенности решается в два этапа: на первом этапе решается задача для свободных волн в грунте и тем самым находится распределение поля по вертикали и горизонтали, на втором этапе вычисляются абсолютные величины поля в разных точках грунта (амплитуда свободной волной с учетом интенсивности источника). Это можно сделать, например, вычисляя полную энергию свободной волны в грунте интегрированием по вертикальной координате z и привязки ее к известной энергии, излучаемой колеблющимся источником. В результате достигается приближенное выполнение граничных условий в источнике (например, на внешней стороне обделки, если источник -подземный транспортный тоннель). Оба пункта реализованы в версии 1.2 пакета UNSONIC.

+ ®2t-277T - = (И)

Решение представляется в виде

р = Лср (г) exp X - Сй О ], (10)

где А - амплитуда, ^ = + - комплексное волновое число i;2 > 0), й> -угловая частота волны, i -мнимая единица. Б данном случае не конкретизируется зависимость c(z), так что методика применима к произвольному распределению скорости звука.

Функция <p(z) удовлетворяет уравнению приведенному ниже уравнению (при этом пренебрегается зависимостью p(z) в силу того, что в реальных грунтовых условиях преобладает изменение скорости звука)

d2 ф 2r 1 1

—+ йГК---

dz2 с (z)

= <о / - собственная фазовая скорость в волноводе. (Например, согласно расчету, для частот 31.5 Гц и 125 Гц величины фазовой скорости составляют, соответственно, 779.1 м/с и 534.5 м/с.

Характерное распределение амплитуды звуковой волны по глубине представлено, например, на рис. 26. У поверхности (р(0) мало и максимумы достигаются на некоторых глубинах bj и Таким образом, звуковая волна захватывается каналом и ее затухание связано только с поглощением в грунте (расходимость отсутствует в плоском случае и имеет закон в трехмерном случае).

Расчет и сопоставление с натурными измерениями

Расчеты проводились на основе описанной выше модели подземного звукового канала для трех основных частот 31.5, 63 и 125 Гц. На низких частотах (если выполняется неравенство г < "к , где Л - длина звуковой волны в грунте) волновая задача вырождается в задачу, в которой определяющим компонентом становится ближнее поле.

Модель звукового канала формулируется в виде модели с кусочно-линейным распределением скорости звука. Имеем три слоя с линейным изменением

с0 +Z

Ч)_и

h '

-Ьх < z < О

К -ь\ к-к

Ь-Ът h-hm

Здесь полагаем i =10 м, hj = 2 м , = 4 м, со — 700 м/с, cj = 900 м/с, = 420 м/с, cjo = 910 м/с (см. рис. 1).

Рис. 4. Зависимость скорости продольных упругих волн в грунте от глубины z в условиях подзелшого звукового канала.

При проведении расчетов в реальных условиях необходим учет затухания (характерная средняя величина декремента затухания волн в грунте (1 2 0.1, в расчетах это отражено введением множителя ехр(-(£*г), к -горизонтальная составляющая волнового вектора и г - расстояние от источника до точки наблюдения). Начиная с частоты 31..5 Гц и выше происходит захват акустической волны каналом (полноводное распространение звука) .Эта волна вносит определяющий вклад в суммарное поле. Найдена ее зависимость от глубины на разных частотах (/= 31.5 - 125 Гц). На частоте 16 Гц канализации звука не происходит и в этом случае достаточно точные результаты дает модель с однородным грунтом .

Были рассчитаны уровни горизонтальной и вертикальной составляющей виброускорения на 100 горизонтах от поверхности грунта до глубины 10 м на удалении от туннеля метро 30 м.

Результаты сопоставления рассчитанных значений с экспериментальными величинами представлены в табл. 1. Измерения проводились в городских условиях Москвы.

Таблица 1. Расчет и измерение виброускорения на частотах 31.5 - 63 Гц.

Частота (Гц) Уровень гориз. компоненты виброускорения (дБ) Уровень верт. компоненты виброускорения (дБ)

расчет измерение расчет измерение

31.5 22 23 20 23

63 24 26 30 26

В п. 4.4 Описана простая модель механической системы, состоящей из движущегося поезда, амортизатора и обделки, опирающейся на грунт.

В результате, влияние амортизатора на величину вибрации на обделке моделируется механической системой, представленной на рис. 5.

Найдены собственные частоты. Система без амортизатора имеет одну собственную частоту

2 к ^т1 + т2

Система с амортизатором имеет две собственные частоты

2кг + т^ + щк^ + + тхкг + тД)2 - 4те1т2&12

Л = Л =

2п 2%

уг

т-,

2 щщ

т2кл + тх1с2 + щ]^ - ^(т^ + тхкг + - 4 2т1т2

1/2

Расчет дает следующие величины для /0, /-,, jг : 47, 17, 85 Гц

без учета эффективной массы грунта и 31, 17, 38 Гц с учетом последней____для

1с 1= 0.1 кг .

Рис. 5

Найдены зависимости эффективности амортизатора от частоты при изменении последней от 0 до 80 Гц.

В п. 4.5 разработана методика определения динамических характеристик грунта q, ct, щ т](. Методика основана на возбуждении вибрации в грунте взрывным способом (в шахте глубиной H = 21.75 м и диаметром 8 м).

На поверхности грунта измерялись вертикальные и горизонтальные уровни ускорения на расстояниях от стены шахты 1=5, 10, 20, 30, 40 м. Взрывы фиксировались стандартными приборами для измерения вибраций с записью на два канала магнитофона фирлш "Брюль и Къер". Спектральная обработка в октавных полосах осуществлялась в лабораторных условиях.

При обработке с целью получения величины коэффициента затухания было учтено, что вибрационное поле в окрестности шахты ослабляется сначала по логарифмическому закону, затем по цилиндрическому и, начиная с некоторого расстояния по сферическому закону

звука в грунте, г) - коэффициент поглощения.

В результате численного анализа полученных экспериментальных данных делается вывод, что для распространенных глинисто-песчаных грунтов коэффициент затухания находится вблизи 0.2. Использование этой величины

G)

а = — г),

с

(13)

где СО = 2 К f, / - центральная частота октавной полосы; с - скорость

вместо используемой часто величины 0.1 существенно скажется на величине вибрации (в сторону ее уменьшения).

Проведенные эксперименты, результаты которых изложены в настоящей главе удовлетворительно согласуются со сделанными оценками.

Б п. 4.6 получены частотные зависимое™ относительного уровня отдельных составляющих, а также зависимость от величины продольной проекции волнового вектора на оболочке для задачи о возбуждении вибрации с источником из п. 3.3. Задача решена для двух случаев: 1) в приближении идеальной сжимаемой жидкости при отсутствии поглощения в материале оболочки и 2) с учетом сдвиговой упругости среды. Найдены условия применимости полученных решений для случая распространения акустических волн в грунте.

Многие механические системы, с которыми приходится сталкиваться на практике моделируются тонкой упругой оболочкой, возбуждаемой некоторой внешней силой в жидкой или упругой среде. Примеры таких систем можно найти в самых различных практических областях: трубопровод в воздухе, жидкости или грунте, обделка автомобильного или железнодорожного тоннеля с движущимся в нем транспортным средством, обсадные трубы в скважине и т.д..

В зависимости от характера внешней силы в системе могут возбркдаться структурно различные колебания, часто имеет место возбуждение нескольких типов колебаний (мод). В силу сказанного, возникает вопрос: какие моды являются главными, а какими можно пренебречь и тем самым еще более упростить задачу: рассматривать лишь определенного вида воздействия на систему.

Рассматрена следующая задача. В безграничную идеальную жидкость помещена тонкая упругая оболочка толщиной Ъ и радиусом Л К внутренней стороне оболочки приложена сила р0(х, <р,1). Требуется определить величину суммарного звукового поля во внешней среде и изучить его модовый состав. Полная постановка задачи включает уравнение колебаний оболочки с правой частью -приложенной силой и реакцией грунта, волновое уравнение для внешней среды [8] и граничные условия на внешней поверхности оболочки.

Запишем выражение для реакции на сдвиг в виде:

dwdu jdw дv v

+—), S2 = цу (R 1 -— + ----),

охот д cp д r r

_ 2 ,2 Э w 1 д v Id и.

3~ w з"а7~зяЭФ~зах

Здесь Я - радиус, х, р,г - цилиндрические координаты, f - время, Ъ - толзцина оболочки, у = (1 - V2) / (Eh), Е - модуль Юнга, ц - второй коэффициент Ляме (модуль сдвига), v - коэффициент Пуассона, р - плотность окружающей среды. Величину ц находим по известным соотношениям, зная величины модуля Юнга и коэффициента Пуассона [11].

Пусть на внутренней поверхности прикладывается сила

р0 = А8(ф + представим функцию р0 в виде разложения в ряд Фурье

А 1

р0 = — (--sintp - cos 2ф+... ~)el<-k'-x~at}. Можно показать, что поле давления во

к 2

внешней среде, удовлетворяющее граничному условию должно записываться в виде

при этом

к = у]еа1/с1 (бт1<г-к] >0), яР(х) - функции Ганкеля. Если а2¡с2 -к] <0,

то давление р выражается через модифицированные функции Ганкеля К. (*)

(давление убывает экспоненциально с расстоянием).

Детальный численный анализ системы показывает, что структура акустического поля в фиксированной точке сильно зависит от выбора параметров задачи и прежде всего частоты и продольного волнового числа. Были проделаны расчеты с величинами, характерными для условий метрополитена (все величины далее в системе СИ).

Главные величины задачи меняются в пределах: 0</<200, 0.1<кх< 1., Я = 2.5, Ь = 0.2, скорость звука продольных волн - от 600 до 2000, 0.<у<0.25.

Получены кривые - зависимости составляющих поля во внешней среде, найдены области значений параметров, в которых та или иная мода преобладают.

В некоторых приложениях требуется более точная запись давления на внутренней стороне оболочки. Предлагаются два подхода к решению поставленной

задачи - представить решение в виде (1), (соответствующее задаче разложение Фурье) или использовать функцию Грина. Таким образом, представленные результаты обобщаются на случай произвольного распределения давления на внутренней стороне оболочки.

В п. 4.7 приводится описание компьютерной методики расчета уровней вибрации на поверхности грунта. Пакет написан на языках Fortran-77 и Turbo С [10]. Графика предназначена для работы в видеорежиме VGA. Выполняемый файл предполагает наличие математического сопроцессора.

Если нет надобности в графической поддержке достаточно пользоваться модулем USS.EXE. В графическом режиме исходным выполняемым файлом является US.EXE. В процессе выполнения программа запрашивает информацию о существующих или создаваемых файлах, с которых считываются или на которые сбрасываются необходимые данные.

В систему встроен аппарат, позволяющий в диалоговом режиме изменять содержимое исходного файла с определяющими параметрами.

Результат выдается на экран в виде графических изображений, а также сбрасывается на диск в файлы, задаваемые пользователем.

Для расчета функций Бесселя использованы стандартные подпрограммы из библиотеки Numerical Recipes Кембриджского университета.

В пятой главе проводится анализ существующей в мире нормативной документации по оценке вибрации, а также вырабатываются рекомендации по разработке удовлетворяющих современным требованиям отечественных нормативных документов и руководств по оценке вибрации от поездов метрополитена и порядка проведения вычислений, измерения уровней вибрации и обработке результатов измерений.

В мировой практике нет единства в выборе нормируемых параметров вибрации: -международные стандарты ISO 2631 рекомендуют использовать виброускорение, немецкий стандарт DIM 4150/2 - виброскорость, российские документы нормируют все три параметра, устанавливают допустимые значения для логарифмических уровней ускорения, скорости и перемещения в дБ.

Поскольку допустимые значения параметров вибрации, установленные российскими документами могут быть вычислены друг из друга, достаточно установить допустимые значения лишь для одного параметра вибрации. В качестве такого параметра целесообразно выбрать ускорение, так как распространенные в мировой практике приборы для измерения вибрации используют в качестве приемника пьезопреобразователь, сигнал которого пропорционален ускорению. Использование логарифмических уровней не обосновывается какими-то объективными причинами метрологического или психофизиологического характера, как это имеет место, например, для шума. Поэтому при нормировании вибрации целесообразно руководствоваться международной практикой и в качестве контрольной величины использовать среднеквадратичные значения виброускорения.

В табл.1 приведены предельные значения виброускорения, соответствующие допустимым значениям уровней и рекомендуемые для оценки вертикальной вибрации непрерывного или периодического действия и многократного импульсного удара в жилых помещениях для ночного времени.

Российские нормы в 2,9-4,1 раза для спектральных значений и в 1,7 раза для корректированного значения жестче рекомендуемых международным стандартом, несмотря на то, что для последних и полоса частот уже (терция вместо октавы) и для корректированного значения принимается наименьшая спектральная величина.

При определении норлштивных значений вибрации в помещениях жилых зданий для ночного времени суток в качестве основополагающего целесообразно принять положение, что раздражающее действие вибрации исключается лишь в том случае, когда вибрация является неощутимой. Такой подход позволяет исключить необходимость установления различных допустимых значений для постоянной и непостоянной вибрации и перейти к методу контроля непостоянной вибрации по двум значениям нормируемого параметра: максимальному и эквивалентному. Он принят в немецком стандарте. В стандартах ISO для обоих видов вибрации также установлена единая норма. В российской практике такой подход принят при нормировании шума.

Таблица 1. Допустимые средние квадратичные значения виброускорения

Обозначение нормативного документа ах 103 , м/с2, в октавной полосе со среднегеометрической частотой, Гц Корректор, значение 2х103 , м/с*

2 4 8 16 31,5 63

СН 2.2.4/2.1.8.566 1,3 1,4 1,8 3,5 7,0 14,4 1,3

ISO 2631-2 5,0 5,7 7,0 14,0 27,6 55,2 5,0

По ISO 2631/1 порог чувствительности соответствует ускорению примерно 0,01 м/с2 (30 дБ по отношению к опорному значению в0 = 3 х Ю~4м / с2). Оценки показывают, что указанному порогу соответствует Российский норматив для постоянной вибрации (корректированное значение виброускорения для ночною времени и значения в полосах наибольшей чувствительности) для дневного времени. Эту величину можно было бы рекомендовать в качестве предельно допустимой для максимального корректированного значения ускорения вибрации в жилье от движения поездов метрополитена ночью. Однако по данным Московской санитарной службы имеют место жалобы населения о раздражающем действии вибрации от поездов метрополитена в ночное время, когда максилшльное корректированное ускорение превышает 25 дБ. Поэтому в качестве допустимого значения для ликсимальното корректированного ускорения следует принять 0,0053 м/с1, т.е. величину, рекомендуемую в низкочастотном диапазоне постоянной вибрации для ночи.

Для максимального значения вибрации, воздействующей от движения поездов метрополитена в дневное время, можно использовать установленные допустимые значения для постоянной вибрации, т.е. 0,0169 м/с1.

Для эквивалентного значения виброускорения допустимые значения слудует принимать соответствующими нормам для непостоянной вибрации, т.е. в 3,16 раза (на 10 дБ) более низкие, чем для максимальных значений виброускорения: 0,0017 л«/с2 для ночи и 0,0053 м/с1 для дня.

Измерение и анализ уровней вибрации

Одним из основных вопросов при измерении вибрации является выбор времени усреднения г прибора для получения среднеквадратичного значения. Российские документы рекомендуют использовать при измерении постоянной вибрации динамическую характеристику "медленно", (г = 1 ), при измерении непостоянной вибрации - характеристику "быстро", (г = 0,125 ). В немецком стандарте применяют постоянную т = 0,125 . ГОСТ 12.1.012 рекомендует при измерении общей вибрации применять г = 10 . На наш взгляд решающим аргументом при выборе постоянной усреднения должно быть соответствие г реакции, свойственной человеческому организму при восприятии вибрации. Относительно субъективной оценки вибрационной интенсивности обнаружено, что время интегрирования, идущее на восприятие вибрации человеком, уменьшается с 2 с. до 0,8 с. в частотном диапазоне 2-90 Гц. Это указание позволяет рекомендовать в качестве наиболее оптимального значения г = 1 независимо от временного характера оцениваемой вибрации.

Что касается выполнения измерений и обработки результатов, наиболее детальные и последовательные рекомендации даны в немецком стандарте. Время измерения Тм должно быть достаточным для регистрации выборки вибрационного процесса, представительной для исследуемого режима или всего времени оценки воздействия вибрации. Оно разбивается на целое число N элементарных интервалов (тактов) длительностью 30 с.

За каждый тридцати секундный такт регистрируется максимальное корректированное среднеквадратичное значение ускорения ^тах.г (или скорости). В качестве результатов измерения принимают две величины: максимальное значение ускорения за время измерения

«И 1, 2, ..., Ы;

максимальное эффективное значение ускорения

(14)

если какие-либо из значений атах^ оказываются меньше порога чувствительности (в нашем случае 0,0053 м/с2), они приравниваются нулю, но общее число N тактов в выражении (14) остается без изменения.

При условии выбора одинакового числа событий прохождения поездов за время измерения в различные режимы движения и предположении, что фон не существенней и его можно не учитывать при определении максимального эффективного значения виброускорения, выражение (14) может быть переписано в виде

= = СаТтк, (15)

В табл. 2 приведены значения постоянной С для линии Московского метрополитена.

Таблица 2. Значения постоянной С для линий Московского метрополитена

Арба- Таган- Серпу-

Интер- Соколь- гско- Калуж- ско- ховско-

валы ническая Замоск- Пок-ров- Филевс- Коль- ско- Красно- Кали- Тимиря-

движе- ворецкая ская кая цевая Риж- пресне- нин-ская зевская

ния ская нская

День 0,85 0,90 0,75 0,80 0,80 0,85 0,80 0,80 0,85

7-23ч

Ночь 0,55 0,55 0,55 0,55 0,60 0,50 0,50 0,50 0,50

23-7ч

Данные табл. 2 можно использовать, если максимальное эффективное значение ускорения для фоновой вибрации , вычисленное с помощью

(14) (с заменой N на Ы-п, где п - число событий прохождения поезда за время _ измерения), не превышает 0,5 а Ти. При 0,5 < л1гп^ан1 /аГт < 0,8 значения С в выражении (15) могут быть приняты равными 1 для дня и 0,8 для ночи. При I а1т. > 0 поезда дают вклад в общее вибрационное воздействие, меньший вклада фона, и оценить их влияние не представляется возможным.

Контроль соответствия вибрации в жилье от движения поездов метрополитена проводится по результатам сопоставления определенных за время оценки значений и с допустимыми значениями указанными в

предыдущем параграфе.

Б шестой главе проводится анализ имеющихся методов определения упругих и диссипативных параметров сплошных сред с точки зрения перспектив использования методов для задачи томографии верхней части грунта

На основе измерений, описанных в п. 4.5 приводится пример реализации методики расчета коэффициентов поглощения в грунте.

Результаты приводятся на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Коэффициент затухания объемных продольных и поперечных волн в зависимости от частоты.

В заключении осуществляется постановка задачи по экспериментальному определению механических свойств грунтов.

Проведение исследований по решению как прямой, так и обратной задач. При этом анализ прямой задачи позволит в значительной степени подробно изучить вопросы чувствительности измеряемых в эксперименте зависимостей к аномалиям среды, а также выяснить оптимальный способ нагружения среды,

0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 а 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

16 31.5 63 125 250 f (Гц)

Рис. 7. Коэффициент затухания поверхностных волн Рэлея в зависимости от

частоты.

объем необходимой информации, а также наилучший способ ее снятия. Анализ типичных для городских условий стратификации и расчет на ней распространения упругих волн позволит в значительной степени прояснить вопрос о возможности и единственности решения обратной задачи, а также обоснованности использования предлагаемых упрощенных 1-, 2-, 3-слойных моделей строения верхней части грунта.

В седьмой главе рассматриваются средства и методы снижения шумов, приводятся общие сведения об источниках шума и принципах шумозащиты при проектировании с использованием акустических расчетов.

Существенным достоинством развиваемой здесь методики является использование в акустических расчетах методов современного программирования для персональных колшьютеров.

Источниками шума на объектах метрополитена являются:

- вентиляционное оборудование и компрессоры;

- автомобильный и железнодорожный транспорт ;

- площадки погрузо-разгрузочных работ;

- грузовые подъёмники;

- технологическое оборудование;

1 1

i 1

.................J.................]..........

\ ! ! 1

V i

V i

Тч. |

................ !' '..................

7 — Т

i I т

- механизмы и установки, выполняющие работы по строительству.

Борьба с шумом осуществляется по следующим основным направлениям:

- на источниках шума конструктивными и административными методами (создание и применение малошумннх агрегатов и экипажей, а также регламентация времени их работы );

- на пути распространения шума от источника до объектов шумозащиты архитектурно-планировочными и инженерно-строительными методами и средствами;

Далее анализируются средства снижения шума на пути его распространения.

Для обеспечения нормативных уровней звука в зданиях и на территориях необходимо учитывать следующее:

- каждое удвоение расстояния от источника шума дает снижение уровня звука на 4 - 5 дБА;

- препятствия, экраны, стенки, специальные зеленые насаждения, откосы и т.д., расположенные на пути распространения звука (если их длина и высота более 6 - 10 м), могут снизить уровень звука на 5 - 25 дБА;

- звукоизоляция ограждающими конструкциями источника шума может обеспечить снижение уровня звука до 40 дБА.

В приложениях приводится таблица характерных величин упругих параметров грунтов, фрагменты рассчетных программ (вьиисление уровней звукового поля в грунте и на его поверхности) и пример расчета ожидаемых уровней шума от наземных объектов метрополитена и подбор мероприятий по его снижению.

Список литературы включает 121 ссылку.

Выводы

1. Проведены теоретические исследования колебаний обделок тоннелей метрополитена различною типа, рассматриваемых как упругие оболочки, создана математическая модель упругих волн в грунте, учитывающая распространение продольных, поперечных, а также волн Рэлея в грунте.

2. Впервые последовательно произведен учет поверхностных волн Рэлея в практике акустических расчетов, связанных с метрополитеном. Показана важность роли последних при передаче энергии вибрации к жилой застройке вследствие малого затухания поверхностных волн.

3. Проведен ряд натурных измерений уровней колебаний обделок, а также генерируемых шумов и вибраций в жилой застройке. Обработанные согласно описываемой в работе методике результаты демонстрируют хорошее согласие с прогнозируемыми уровнями вибраций и шумов.

4. Анализ полученных экспериментальных результатов показывает, что традиционный подход к моделированию вибрационного поля в окрестности трасс метрополитена дает существенно заниженные результаты для уровней вибрации. Учет волны Релея позволяет значительно лучше прогнозировать уровни вибрации в зоне, прилегающей к линиям метрополитена.

5. Разработаны рекомендации по снижению уровней вибрации и шума. Основное внимание при этом уделено подавлению вибрации в источнике.

6. Развиты новые подходы анализа волновой структуры вибрационного поля, в частности учитывающие волноводные свойства грунта. Результаты численного анализа модели сравнивались с натурными измерениями. Получено удовлетворительном соответствии расчетных и измеренных значений уровней вибрации.

7. На базе перечисленного комплекса исследований создана "Методика прогнозирования уровня вибрации от движения поездов метрополитена и расчет виброзащитных устройств", включающая пакет программ и позволяющая производить необходимые расчеты уровней вибрации и шума на поверхности почвы, на внешней стороне обделки, в тоннеле и на станциях метрополитена.

8. Результаты работы положены в основу при разработке "Руководства по определению физико-механических свойств грунтов при расчетах вибрации в помещениях жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена", включающего методику определения динамических и диссипативных характеристик грунта (скоростей и коэффициентов

затухания упругих волн) в различных естественных геологических и вызванных техногенными факторами условиях юрода.

9. Выработаны рекомендации по нормированию уровней вибрации. Предложения включают выбор нормируемого параметра, величин предельно допустимых уровней с учетом характера вибрации и порога чувствительности для тела человека, а также порядка проведения измерений уровней вибрации и усреднения их результатов.

10. Результаты работы положены в основу нового "Руководства по оценке вибрации в помещениях жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена", учитывающего специфику источника и основанного на современных представлениях, отраженных в международных и отечественных стандартах.

11. Предложены рекомендации по разработке новой "Методики проведения акустических расчетов и выбора мероприятий по снижению шума на селитебной территории от источников, расположенных на наземных объектах метрополитена". Рекомендации включают порядок отбора наиболее шумящих источников, выбор архитектурно-планировочного решения и конструкции зданий, критерии и порядок выбора расчетных точек, а также разработка мероприятий по снижению шума с целью удовлетворения нормативных требований.

12. Работа положена в основу разработки "Руководства по оценке шума в помещениях жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена".

И. ВКЛАД АВТОРА В ПРОВЕДЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Личный вклад автора.

Обоснован предмет и область исследований, сформулирована общая постановка задачи. Значительная часть результатов исследований получены автором самостоятельно. Результаты, относящиеся к постановке задачи, а также разработке физико-математических моделей получены совместно с научным

консультантом Виброакустической лаборатории МОО "Тоннельная ассоциация" проф. С.А.Рыбаком. Результаты, связанные с численным анализом предлагаемых акустических моделей, натурными измерениями, анализом существующей нормативной документации получены под руководством и при непосредственном участии автора совместно с сотрудниками Виброакустической лаборатории МОО "Тоннельная ассоциация" С.А.Махортых, О.К.Перфильевым и И.А.Цукерниковым. Всем упомянутым коллегам автор выражает искреннюю благодарность и признательность.

Апробация работы.

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены на 10-м, 11-м и 12-м Международных Симпозиумах FASE "Transport Noise and Vibration" (С.-Петербург, 1992, 1994 и 1996 гг.) и научно-техническом совещании "Снижение шума и вибрации от метрополитена - важная экологическая проблема городов" (Москва, 1995 г.).

Часть изложенных работ выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (номер проекта 95-0204735).

Цель работы.

Настоящая работа выполнена с целью создания комплекса нормативных документов и методик, удовлетворяющих современным требованиям для прогнозирования уровней вибрации в жилой застройке, прилегающей к проектируемым и строящимся линиям метрополитена и оценки эффективности мероприятий по виброизоляции зданий и сооружений. Основными задачами данной работы являются:

- выявление факторов, определяющих виброизлучение при движении поездов метрополитена;

- разработка математической модели возбуждения обделки и распространения упругих колебаний в грунте;

- проведение натурных экспериментальных исследований на действующих линиях метрополитена для проверки адекватности математической модели; -разработка методики расчета уровней вибрации в зданиях, расположенных в зоне влияния линий метрополитена;

- разработка программного обеспечения, реализующего методику расчета уровней вибрации в зданиях и оценку эффективности мероприятий по их виброзащите.

Разработаны рекомендации по созданию методики измерения и оценки шума и вибрации в жилье от движения поездов метрополитена, учитывающие специфику источника. Разработка основывается на современных представлениях, отраженных в международных стандартах.

Предложены новые эффективные средства виброзащиты конструкций метрополитена Рассматриваются дополнительные мероприятия по виброизоляции (эластичные амортизаторы и прокладки на обделке).

В рамках разрабатываемых виброакустических методик заложены основы создания эффективных программ и алгоритмов для ЭВМ.

Все перечисленные направления исследований должны лечь в основу новой единой методики (или комплекса методик) по измерению, расчету, прогнозу уровней вибрации на объектах метрополитена и окружающей застройке, а также выработке эффективных мероприятий по снижению избыточных уровней и удовлетворению существующих санитарных норм.

Методы исследования.

В диссертации проведено теоретическое рассмотрение ряда задач, связанных с расчетом шума и вибрации в селитебной зоне, вызванных влиянием объектов метрополитена.

Получены модели и проделаны расчеты распространения упругих волн в грунта, передачи вибрации на объекты застройки на поверхности грунта, а также излучения структурного шума.

Для получения достоверных исходных данных для последующих расчётов была проведена серия экспериментальных исследований, на основе которой разработан метод определения акустических и диссипативных параметров среды.

Применён новый комбинированный численно-аналитический метод решения физических задач.

Получено удовлетворительное соответствие прогнозируемых уровней, получаемых на основе моделирования и получаемых в ходе натурных измерений на дейтсвующих линиях метрополитена как для шума, так и для вибрации.

III. СТЕПЕНЬ НОВИЗНЫ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Актуальность темы.

Увеличение провозной способности транспорта в современных крупных городах невозможно без развития наиболее совершенного вида массового транспорта - метрополитена. Однако требования к условиям проживания населения вблизи магистралей приводят к необходимости учитывать возможные воздействия поездов на окружающую среду.

Известно, что линии метрополитена, особенно мелкого заложения, являются источником повышенной вибрации зданий, расположенных в зоне их влияния. В связи с этим возникает задача прогнозирования уровней вибрации в жилой застройке, прилегающей к проектируемым и строящимся линиям. Другой, не менее важной задачей является оценка эффективности различных мероприятий по защите зданий и сооружений как от проектируемых, так и существующих линий метрополитена. Важность этих задач определяется как масштабами развития сети линий метрополитена в городе Москве, так и высоким уровнем материальных и финансовых затрат на реализацию мероприятий по защите зданий от вибрации. Ошибки в прогнозировании ожидаемых уровней вибрации и оценке эффективности виброзащитных мероприятий и конструкций могут привести к значительным материальным и финансовым потерям.

Для прогнозирования уровней вибрации в зоне, прилегающей к линиям метрополитена, а также для оценки эффективности мероприятий по виброизоляции зданий необходимо создание надежной методики расчета вибрационного поля, порождаемого поездами метрополитена.

В свое время была сделана попытка создания такого рода методики - были созданы ведомственные строительные нормы "Прогнозирование уровней вибрации грунта от движения метропоездов и расчет виброзащитных строительных устройств". Ведомственные строительные нормы регламентируют методы оценки и прогнозирования уровней вибрации, возникающих при движении поездов метрополитена, а также способы защиты от вибрации жилой застройки и предназначаются для применения при проектировании и эксплуатации линий метрополитена, расположенных в селитебной зоне. Нормы содержат методы оценки уровней вибрации обделок тоннелей, ожидаемых уровней вибрации поверхности грунта, эффективности виброзащитных строительных устройств. Кроме того, в Приложениях к Нормам приводятся справочные материалы по свойствам различных грунтов и виброзащитным устройствам, алгоритм вычисления коэффициентов передачи колебаний от тоннельной обделки на поверхность грунта и эффективности экранирующих стенок в грунте, порядок вычисления среднеквадратичной величины вибросмещения поверхности грунта, алгоритм вычисления эффективности виброзащитных устройств в основании пути.

Основанием инженерного расчета среднеквадратичной величины вибросмещения поверхности грунта является метод конечных элементов, при этом принимается, что состояние среды достаточно полно описывается двумерной схемой.

Следует отметить достоинства предложенных "Норм":

- обширный справочный материал по свойствам грунта;

- волновой подход к описанию передачи вибрации от обделки к поверхности грунта;

- указание на возможность применения различных виброзащитных устройств, в том числе экранов.

Между тем к настоящему времени принятые в "Нормах" ограничения устарели и вызывают возражения (двумерная схема расчета, указание на то, что расстояние в 40 метров является достаточной гарантией выполнения санитарных норм, недостаточная разрешающая способность метода, неясно, учтено ли отражение волн от поверхности грунта и возникающая при этом поверхностная волна Рэлея и т.д.)

Предложенная авторами расчетная схема могла бы претендовать на некую правомерность при наличии надежного экспериментального подтверждения, которое отсутствует.

Учитывая высокие требования, предъявляемые к точности прогноза значений виброперемещения на поверхности грунта, а также оценке эффективности мероприятий по виброзащите, расчетная схема, принятая в Нормах, не может считаться удовлетворительной и требует коренной переработки. Необходим учет локального характера нагружения тоннеля, порождающего изгибные волны в нем, трехмерного характера поля вибраций в грунте, достоверные оценки эффективности защиты зданий экранами и другими средствами.

Проблема расчета уровней вибрации в грунте в городских условиях представляется довольно сложной по нескольким причинам. Во-первых, грунт является довольно сложной геофизической средой с присущими ему гетерогенностью, неоднородностью, сложными поглощающими и упругими свойствами. С математической точки зрения уже достаточно сложной является модель однородной среды со свободной поверхностью, сдвиговой и объемной упругостью. Уже на этом уровне вычислительные сложности иногда приводят к потерям существенных составляющих волновых решений. При наличии многих слоев грунта с различными упругими и Л1ассовыми характеристиками может существовать множество типов волн и картина вибрационного поля резко усложняется.

В дополнение к матемагичес ким трудностям проблема осложняется отсутствием данных о геометрических характеристиках и упругих свойствах слоев грунта.

Вследствие сложности вибрационного поля и отсутствия достаточно подробных данных о геометрических и физических свойствах слоев грунта в настоящее время актуально создание новых расчетных схем, дающих приемлемую точность в условиях нехватки исходных эмпирических данных.

В описанных условиях нехватки геофизических данных предпочтительнее пользоваться однородными моделями грунта, которые в большинстве случаев дают приемлемую точность и физическую прозрачность результатов, не приводя к избыточной математической сложности.

Вибрация, создаваемая в жилье от движения поездов метрополитена, носит непостоянный прерывистый характер с выраженным преобладанием сигналов спектральных составляющих в полосе частот 22,5-90 Гц и повторяется с периодом, определяемым графиком движения поездов.

Нормирование, измерение и оценка вибрации в жилых помещениях проводится в России в соответствии с новыми санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562-96 и методическими рекомендациями МР № 2957 1984 г. Эти документы носят общий характер и не учитывают в полной мере специфики метрополитена.

Научная новизна

Проведены теоретические исследования колебаний обделок тоннелей метрополитена различного типа, рассматриваемых как упругие оболочки, создана математическая модель упругих волн в грунте, учитывающая распространение продольных, поперечных, а также волн Рэлея в грунте.

Учет поверхностных волн Рэлея в практике акустических расчетов, связанных с метрополитеном, производится впервые. Была показана важность роли последних при передаче энергии вибрации к жилой застройке вследствие малого затухания поверхностных волн.

Решена задача о модовой структуре колебаний цилиндрической оболочки в суммарное звуковое поле, возбуждаемое во внешней среде приложенной к ее внутренней поверхности силой. Получены частотные зависимости относительного

уровня отдельных составляющих, а также зависимость от величины продольной составляющей волнового вектора на оболочке.

Практическая и научная значимость

На базе перечисленного комплекса исследований создана инженерная методика, включающая пакет программ, которая позволяет производить необходимые расчеты уровней вибрации и шума в простом случае однородного грунта в виде цилиндрических функций, удовлетворяющих условиям на поверхности почвы и внешней стороне обделки. Последняя рассматривается как упругая оболочка, на которой возбуждаются как продольные, так и азимутальные колебания. Наряду с объемными волнами в грунте принимаются во внимание и поверхностные волны.

• Впервые в диссертации проводится сопоставление российских документов с международными стандартами ISO 2631 и немецким стандартом DIN 4150/2 и предлагаются рекомендации по разработке методики измерения и оценки в жилье от движения поездов метрополитена, учитывающие специфику источника и основанные на современных представлениях, отраженных в указанных стандартах.

Настоящая работа содержит также набор рекомендаций по снижению уровней вибрации и шума. Причем, следует подчеркнуть, что большое внимание в ней уделено подавлению вибрации в источнике, т.е. в системе вагон — вагонная тележка — колесо — рельс — путевой бетон (или другие конструкции, включая обделку).

Публикации

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 30 печатных работах, в том числе получены 8 авторских свидетельств:

1. Методика прогнозирования уровней вибрации от движения метропоездов и расчета виброзащитных устройств/ С.А.Костарев, С.А.Рыбак, С.А.Махортых, О.К.Перфильев. МОО "Тоннельная ассоциация", М., 1993.

2. Руководство по прогнозированию уровней вибрации от движения поездов метрополитена и расчету виброзащитных устройств/ С.А.Костарев, С.А.Рыбак, С.А.Махортых, О.К.Перфильев. M.: МОО Тоннельная ассоциация, 1996.

3. Руководство по оценке вибрации в помещениях жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена/ С.А.Костарев, С.А.Рыбак, И.А.Цукерников. М.: МОО Тоннельная ассоциация, 1996.

4. Руководство по определению физико-механических свойств грунтов при расчетах вибрации в помещениях жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена/ С.А.Костарев, С.А.Рыбак, С.А.Махортых, О.К.Перфильев. М.: МОО Тоннельная ассоциация, 1996.

5. Методика проведения акустических расчетов и выбора мероприятий по снижению шума на селитебной территории от источников, расположенных на наземных объектах метрополитена/ С.А.Костарев, С.А.Рыбак, А.А.Маслов. М.: МОО Тоннельная ассоциация, 1995.

6. Руководство по оценке шума в помещениях жилых и общественных зданий от движения поездов метрополитена/ С.А.Костарев, С.А.Рыбак, И.А.Цукерников, О.К.Перфильев. М.: МОО Тоннельная ассоциация, 1997.

7. S.A.Kostarev, S,A.Makhortykh, S.A.Rybak. Mode structure of acoustical field, generated by oscillations of cylinder elastic shell in continue media. ( In Proc. Transport Noise94. St.-Petersburg, 1994, p. 301-302.

8. С.А.Костарев, С.А.Махортых. Модовая структура акустического поля, возбуждаемого колебаниями цилиндрической оболочки в сплошной среде / Техническая акустика. T. V, № 12, 1996.

9. S.A.KostaTev, S.A.Makhortykh, S.A.Rybak. Acoustic waves propagation in soil with stratification (in particular case of underground wave guide) / Proceedings of the 12-th International FASE Symposium "Transport Noise and Vibration". - St-Petersburg, 1996. P.103-106.

lO.S.A.Kostarev, S.A.Makhortykh, S.A.Rybak. Calculations of vibration, induced by underground sources in soil. Software package UNSONIC, version 2.1/

Proceedings of the 12-th International FASE Symposium "Transport Noise and Vibration". - St-Petersburg, 1996. P.79-82.

11. Оценка уровней шума и вибрации и разработка мероприятий по снижению их воздействия на жилую застройку от строительной площадки и действующей линии метрополитена/ С.А.Костарев, С.А.Рыбак, С.А.Махортых, О.К.Перфильев. МОО "Тоннельная ассоциация", - М., 1993.

12. ГОСТ 16297-80 "Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие" / Л.А.Борисов, С.А.Костарев, Е.М.Магаев, Г.С.Росин и др. М.: Издательство стандартов, 1980.

13. С.А.Костарев, М.Б.Сергеев. Расширение области применимости реверберационного метода измерения звукоизоляции. Труды НИИСФ "Обеспечение акустического комфорта в помещениях". 1980.

14. Л.А.Борисов, Ф.Е.Гитман, С.А.Костарев. Звукоизоляция ортотропных междуэтажных перекрытии. Труды X Всесоюзной конференции. 1983

15. А.А.Климухин, С.А.Костарев. Руководство по расчету и проектированию звукоизоляции ограждающих конструкций зданий. М.: Строййздат, 1983.

16. С.А.Костарев, М.В.Сергеев. Способ измерения звукоизоляций. A.c. № 1363300, 1986.

17. Е.В.Кавин, В.П.Гинзбург, А.А.Климухин, С.А.Костарев. Многослойный щит пола. A.c. № 857393, 1981.

18. Е.В.Кавин, В.П.Гинзбург, В.Ф.Дроздовский, А.А.Климухин, С.А.Костарев, О.Г.Поляков, Д.Р.Разгон. Многослойный щит пола. A.c. № 949127, 1982.

19. Л.А.Борисов, Ф.Е.Гитман, С.А.Костарев. Способ изготовления железобетонной плиты междуэтажного перекрытия. A.c. № 1296698, бюл. №10, 1987.

20. С.А.Костарев. Способ определения изолирующей характеристики ударною шума рулонного покрытия пола. A.c. № 871068, 1981.

21. А.А.Климухин, С.А.Костарев, Ю.А.Крылатов, С.А.Сазанов. Волокнистый материал. A.c. № 931478,1982.

22. С.А.Костарев, С.А.Махортых, С.А.Рыбак, И.А.Цукерников. Комплекс нормативных документов по оценке шума и вибрации от метрополитена. -Метро, N 3-4, 1997, с. 44

23. S.A.KostaTev. An analysis of vibration field, generated by underground tunnel in soil / Proceedings of 4th International Congress on Sound and Vibration. St-Petersburg. 1996, vol.2, p. 1083-1088.

24. S.A.Kostarev. Vibrations of a two-level underground station / JASA, Vol. 101, N5, Pt.2, 1997, P. 3024.

25. S.A.Kostarev, S.A.Makhortykh, S.A.Rybak. Noise and vibration estimation on the territory near high speed trains railway/ Proceedings of the 13-th International FASE Symposium "Transport Noise and Vibration". - Tallinn, 1998.

26. S.A.Kostarev, S.A.Makhortykh, S.A.Rybak. Two-unit elastic system for vibration reduction of underground railway/ Proceedings of the 13-th International FASE Symposium "Transport Noise and Vibration". - Tallinn, 1998.

27. I. Tsukernikov, S.A.Rybak, S.A.Kostarev. A new approach to underground train noise estimation in the living buildings/ Proceedings of the 13-th International FASE Symposium "Transport Noise and Vibration". - Tallinn, 1998.

28. S.A.Kostarev, S.A.Makhortykh, S.A.Rybak. Acoustic waves propagation from underground wave guide. 16th International Congress on Acoustics and 135th Meeting Acoustical Society of America. Seattle, 1998.

29. Цукерников И.Е., Рыбак C.A., Костарев C.A. Современные представления по нормированию, измерению и оценке вибрации в жилье от движения поездов метрополитена. - Труды третьей Всероссийской конференции "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности". С.-Петербург, 1998.

30. I. Tsukernikov, S.A.Rybak, S.A.Kostarev. Noise assessment in residential buildings from the underground trains. Inter-Noise 98. Christchurch, 1998.