ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРАНСПОРТА НА ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

УДК 625.1(075.8)

Ю. П. Смолин, К. В. Востриков, В. В. Бессонов

Влияние колебаний от воздействия транспорта на инженерные

сооружения

Поступила 23.10.2019

Рецензирование 22.11.2019 Принята к печати 21.01.2020

В статье описаны проведенные авторами опыты по фиксации параметров колебаний грунтов от движущегося транспорта (поездов, метрополитенов), которые могут оказывать негативное воздействие на окружающую застройку. Для замеров параметров колебаний использовались пьезоэлектрические акселерометры. Данные параметров колебаний фиксировались аналого-цифровым преобразователем с передачей на компьютер. Зафиксированные данные параметров колебаний обрабатывались специальной программой Power Graph. При обработке опытных данных получены максимальные значения вертикальных и горизонтальных амплитуд ускорений колебаний грунтов и их среднеквадратичные значения в санитарной зоне, начиная от уровня шпал и до расстояния 63 м. Эти данные позволили определить коэффициент ослабления колебаний в грунте в зависимости от расстояния. Установлено, что на максимально удаленном расстоянии от источника колебаний, замеренном в опытах, вертикальные колебания ослабевают в 10 раз, а горизонтальные - в 24 раза.

Установлено, что в амплитудно-частотном спектре при скоростях поездов 60 км/ч максимальная частота вертикальных и горизонтальных колебаний составляет 35...40 Гц. Было также установлено, что с увеличением расстояния от источника осциллограммы приобретают синусоидальный характер, поэтому в расчетах возможно процесс колебаний идеализировать синусоидальным колебанием со средней частотой 3б Гц.

Амплитуды колебаний значительно изменяются по вертикали по глубине грунта. Чем дальше от источника колебаний, тем меньше глубина распространения как вертикальных, так и горизонтальных амплитуд ускорений колебаний. Установлено, что на глубине 2 м амплитуды колебаний уменьшаются в 3 раза, а на глубине 6 м - в 8 раз.

Для оценки воздействия вибрации в жилых зданиях от поездов метрополитена в Новосибирске замеры осуществлялись на поверхности грунта и непосредственно в жилых зданиях, отстоящих от оси тоннеля на расстоянии 20.25 м. Уровни вибрации в жилом доме RMS (среднеквадратичные значения вертикальных ускорений) составили 0,014 м/с2, при том что по нормам допускается 0,025 м/с2. Коэффициент ослабления волнового сигнала при передаче из грунта на фундамент составил k = 3,45.

Ключевые слова: железнодорожное полотно, транспортная динамика, вибрация, санитарная зона, ускорения амплитуд колебаний, акселерометры, аналого-цифровой преобразователь, коэффициент ослабления волнового сигнала, амплитудно-частотный спектр ускорений колебаний, метрополитен.

В настоящее время существуют научные статьи о случаях проявления вредного влияния на здания и сооружения колебаний, вызываемых движением различных видов транспорта. Приводятся примеры образования осадок фундаментов жилых, промышленных и общественных зданий, примыкающих к железнодорожному полотну, автомобильным дорогам [1-3] и линиям метрополитена [4].

Динамическое воздействие транспорта - это одна из важных проблем в обеспечении нормальной эксплуатации жилых, административных и иных зданий и сооружений. В связи с этим решение задачи по оценке безопасности сооружений, расположенных вблизи транспортных потоков, имеет важное хозяйственное зна-

чение. К числу факторов, определяющих состояние окружающей жилой среды, относится вибрация, которая влияет на деформацию грунтов под фундаментами зданий и на самочувствие людей, живущих в этих зданиях.

Наиболее интенсивным вибрациям подвержены здания и сооружения, находящиеся вблизи железнодорожных путей, например железнодорожные платформы, насыпи и другие объекты, где колебания грунта по уровню сопоставимы с 6.. .7 баллами по шкале балльности землетрясения [5].

Анализ результатов натурных наблюдений показывает, что при длительном действии даже небольших динамических вибрационных нагрузок в зданиях, близко расположенных к источ-

нику динамики, могут протекать медленно затухающие и часто неравномерные осадки фундаментов. Для того чтобы прогнозировать величины и скорости протекания осадок сооружений, расположенных вблизи транспортных магистралей, необходимо уметь рассчитывать реальные колебания грунта.

Авторами статьи проведены опыты по измерению параметров колебаний грунтов от движения поездов. Замеры производились на различных расстояниях в предполагаемой санитарной зоне строящегося жилого дома в г. Новосибирске. Были измерены вертикальные и горизонтальные ускорения колебаний на участке, перпендикулярном оси пути, в створах четырех точек на расстояниях в уровне основной площадки 10, 30 и 68 м.

Для замера ускорений колебаний применялась аппаратура, позволяющая измерять параметры колебаний с минимальным искажением. В качестве преобразователя величины ускорения в электрический сигнал использовались высокочувствительные пьезоэлектрические акселерометры. Электрический сигнал с датчиков оцифровывался аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в программе L-Card и записывался в память.

Использованный комплект датчиков ускорений, усилителей и системы сбора данных обеспечивал качественную регистрацию сигналов частот от 1 Гц до 1 кГц. Но так как величины колебаний зависят от скорости движения поезда, то одновременно с их измерением велась видеосъемка. Скорость поезда определялась по видеофиксации и по записи на осциллограмме.

По окончании полевых работ производилась обработка опытных данных на компьютере в программах Power Graph и Excel. Все опытные данные разбивались по скоростям движения поездов. Было выделено три диапазона скоростей: 30-35, 36-48, 49-60 км/ч. В качестве основных фиксируемых параметров при обработке данных были приняты максимальные значения в данных диапазонах скоростей вертикальных и горизонтальных амплитуд ускорений amax и их среднеквадратичные значения RMS.

I 1 N

RMS^ I «2, (1)

где N - количество точек на осциллограмме для всего интервала длительности прохождения поезда; а, - значение ускорения 7-й точки осциллограммы.

Опытные данные позволили определить коэффициент ослабления волнового сигнала в грунте к в зависимости от расстояния от источника колебания. Для этой цели были построены графики зависимости среднеквадратичных значений амплитуд вертикальных и горизонтальных ускорений колебаний от расстояний. На графиках, представленных на рис. 1, приведены точки всех замеренных вертикальных и горизонтальных амплитуд колебаний.

Согласно опытным данным затухание амплитуд ускорений от уровня основной площадки до расстояния 68 м происходило следующим образом: для вертикальных колебаний -в 10 раз, для горизонтальных - в 24 раза.

Как показывают записанные осциллограммы, на различных расстояниях от рельсового транспорта имеются две зоны (ближняя и дальняя), отличающиеся по характеру интенсивности затухания амплитуд и ускорений колебаний. Ближняя зона от источника колебаний для железнодорожного транспорта составляет примерно 10.. .15 м. В этой зоне интенсивно загасают амплитуды, а колебания грунта имеют сложный стохастический вид. На рис. 2 показан фрагмент акселерограммы вертикальных амплитуд колебаний и амплитудно-частотный спектр этих колебаний на расстоянии 12 м от крайнего рельса при следовании грузового поезда со скоростью 60 км/ч, на рис. 3 - горизонтальных.

В дальней зоне на расстоянии, превышающем 15 м от земполотна, это колебания в основном по поверхности грунта в виде волн Лява и Рэлея.

На рис. 4 и 5 приведены акселерограммы и амплитудно-частотные спектры, записанные на расстоянии 30 м от железной дороги.

Опыты при замерах амплитуд колебаний от воздействия поездов показали, что выделяется три частотных диапазона: низкочастотный - до 20 Гц, среднечастотный - до 50 Гц и высокочастотный - более 50 Гц. В процессе работы выяснилось, что спектральный состав регистрируемых сигналов не превышает 100 Гц (см. рис. 5, б).

а)

«

Я

Л О

и

о

^

£ «

С

1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

♦

♦ * ♦

\ ♦

А * ♦

1 н ¡и ♦ У = 2 Я2 ,4399 = 0,7 х-0,819 [14

♦ ♦

0 10 20 30 40 50 60 70

80 90 100 Расстояние, м

б)

2,4

о 2,2 2

1,

« «

и

& 1,6 о

8 1,4

1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

♦

♦ ♦

♦

♦

А, ♦ ♦

\ ♦

Л ♦

♦ \ У = 8,0428 = 0,82 х-1,162 >63

♦ ♦ г?- 1-- Я

—♦— -*—♦—

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Расстояние, м

Рис. 1. Графики вертикальных (а) и горизонтальных (б) ускорений колебаний, м/с2, в зависимости от расстояния от уровня основной площадки (скорость поездов 49.. .60 км/ч)

0,07-

0.06-

1 0.04-

< . ..

0.02- 1

1,

V А' ■ Л' :

а ►► и и

0 ©| 1: 2.207 24,414 36,621 48,828 61.035

1©М

Щ Е! СИ вертик 2 РС 0,0 I Мах 0017 0.074 I Ргпа«, Нг | 19,04297 Н г 17 33.6914 0.00646

Рис. 2. Вертикально-направленные ускорения колебаний при движении локомотива на расстоянии 12 м

от крайнего рельса (скорость локомотива 60 км/ч): а - фрагмент акселерограммы; б - амплитудно-частотный спектр

0

щ ш I СИ | РС | Мая | Fm.ax.Hz | 0,2441405 Нг Г

„ „ I гориз 2 0.000427 0.03771 33.0355 0.000091

Рис. 3. Горизонтально-направленные ускорения колебаний при движении локомотива на расстоянии 12 м

от крайнего рельса (скорость локомотива 60 км/ч): а - фрагмент акселерограммы; б - амплитудно-частотный спектр

Рис. 4. Вертикально-направленные ускорения колебаний при движении локомотива на расстоянии 30 м

от крайнего рельса (скорость локомотива 60 км/ч): а - фрагмент акселерограммы; б - амплитудно-частотный спектр

Рис. 5. Горизонтально-направленные ускорения колебаний при движении локомотива на расстоянии 30 м

от крайнего рельса (скорость локомотива 60 км/ч): а - фрагмент акселерограммы; б - амплитудно-частотный спектр

В дальней зоне на высокочастотную составляющую приходится малая энергия колебаний, а следовательно, она быстрее затухает с дальностью распространения. Опыты показали, что для железнодорожного транспорта в дальней зоне доминирующей частотой является 35.40 Гц.

На рис. 5, а видно, что в дальней зоне осциллограммы имеют вид, близкий к синусоидальному колебанию. В связи с этим виброграммы в дальней зоне, где здания находятся за пределами защитной зоны от железнодорожного пути, можно аппроксимировать какой-либо периодической функцией с соответствующей частотой, амплитудой и ускорением. Согласно СНиП 2.07.01-89 «Градостроительство», регламентируемая защитная зона от железной дороги составляет 100 м.

При замерах амплитуд колебаний было установлено, что с удалением от источника амплитуды колебаний затухают как по поверхности, так и по глубине. По данным авторов, при движении поезда со скоростью 60 км/ч амплитуды колебаний по поверхности земполотна в 1 м от рельса составили 0,1 мм; на расстоянии 100 м - 0,015 мм; 200 м -0,0095 мм (рис. 6). На графике видно, что на расстоянии до 200 м от железнодорожного пути величина амплитуд колебаний уменьшилась в 5,8 раз.

На величину амплитуд колебаний и характер их распространения прежде всего влияет геологическое строение основания.

Кроме наружного рельсового и автомобильного транспорта, вибрационное воздействие на здания оказывает метрополитен. Для

оценки уровней вибрации в зданиях были произведены замеры вертикальных ускорений колебаний вблизи одного из участков метрополитена г. Новосибирска [6, 7].

Замеры осуществлялись на дневной поверхности грунта и в жилых зданиях, отстоящих от оси тоннеля на расстоянии 20...25 м. Были определены максимальные значения амплитуд ускорений колебаний атах и среднеквадратичные значения этих амплитуд RMS.

Сравнительная оценка уровней вибрации на дневной поверхности и в здании показала, что ускорения на дневной поверхности на бордюрном камне около здания составили aim« = = 0,16 м/с2, на всем диапазоне частот RMS = = 0,044 м/с2. В здании, на первом этаже 5-этажного жилого дома, атах = 0,05 м/с2, RMS = = 0,014 м/с2. Для жилых помещений допускается RMS = 0,025 м/с2 [8].

Данные измерений позволяют внести важный показатель - коэффициент ослабления волнового сигнала к при передаче из грунта на фундамент:

0,10

a

max гр

a , 0,029

max фун '

■ = 3,45,

(2)

где атах гр, атах фун - максимальное ускорение на поверхности грунта и на фундаменте соответственно, м/с2.

Видно, что ослабление сигнала происходит при переходе из грунта в жесткую конструкцию фундамента здания. Данный пример иллюстрирует связь между колебаниями в грунте и фундаменте, через который вибрация передается на все здание. В общем случае, чем выше жесткость фундамента и чем больше плотность

Рис. 6. Изменение вертикальной амплитуды колебаний: а - в зависимости от горизонтального удаления; б - в зависимости от вертикального удаления

(затухание по глубине)

Допустимые значения виброускорений в административных помещениях [8]

Среднегеометрические частоты полос, Гц 16 31,5 63

Допустимые значения уровней виброускорений, м/с2 0,00896 0,01792 0,0352

грунта, тем выше значения собственных частот системы «грунт - фундамент - здание».

Для оценки воздействия вибрации от поездов линии метрополитена на людей и на прецизионное оборудование, находящееся в здании, авторами были проведены измерения уровней вибрации в помещениях Сибирского филиала ПАО «МегаФон». Цель замеров состояла в том, чтобы установить, во-первых, в каком помещении здания влияние вибрации на возможную установку прецизионного оборудования будет наименьшим и, во-вторых, как влияет вибрация на людей, работающих в этих помещениях.

Датчики устанавливались на полу каждого помещения посередине. Замер вертикальных колебаний производился со времени начала движения поезда и до конца движения следующего поезда. Этот интервал составил примерно 4.4,5 мин. Обработка опытных дан-

ных осуществлялась для этого промежутка времени.

Были определены максимальные пиковые амплитуды вертикальных ускорений от воздействия поездов и среднеквадратичные значения виброускорений в октавных полосах (16, 31,5, 63 Гц).

Максимальные ускорения составили от 0,18 до 0,4 м/с2. Ускорения в помещениях при среднегеометрической октавной частоте 14 Гц составили 0,0017.0,0090 м/с2; при 31,5 Гц -0,001.0,0075 м/с2; при 63 Гц -0,0027.0,0175 м/с2.

Данные замеров сопоставлялись с допустимыми значениями (таблица).

Пиковые значения виброускорения, замеренные в комнатах, составили 0,4 м/с2. Для размещения прецизионной аппаратуры в данных помещениях такие значения оказались недопустимыми.

Библиографический список

1. ИСО 14837-1-2007. Шум и вибрация, создаваемые движением рельсового транспорта : дата введ. 2008-10-01 : утв. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 дек. 2007 г. № 586-ст. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200064162 (дата обращения: 12.11.2020).

2. Тупин В. Н. Определение параметров вибродинамического (сейсмического) воздействия подвижного состава на окружающие здания и сооружения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 2 (38). С. 99-103.

3. Клацко М. М., Коломайнен А. И. Результаты исследования колебаний, вызываемых движением железнодорожных составов // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1972. № 8. С. 28-32.

4. Дашевский М. А., МондрусВ. Л., Моторин В. В. Виброзащита крупнопанельных зданий, возводимых вблизи трасс метрополитена неглубокого заложения // Промышленное и гражданское строительство. 2001. № 9. С. 19-20.

5. Маслов Н. Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М. : Автотрансиздат, 1961. 511 с.

6. Востриков К. В., Смолин Ю. П. К вопросу о границе санитарно-защитной зоны от вибрационного воздействия транспорта // Вестник ТГСУ. 2016. № 1 (54). С. 163-172.

7. Исаков А. Л., Смолин Ю. П. Применение виброзащитных конструкций подрельсовых оснований на линиях метрополитена для уменьшения влияния вибрации в зданиях // Известия вузов. Строительство. 2017. № 8. С. 5-14.

8. СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий : утв. и введ. в действие Постановлением Госкомсанэпиднадзора России от 31 окт. 1996 г. № 40. М., 1996. 14 с. URL: http://docs.cntd.ru/document/901703281 (дата обращения: 12.11.2020).

Yu. P. Smolin, K. V. Vostrikov, V. V. Bessonov

The Variation Effect from the Influence of Transport on Engineering Structures Abstract. The authors of the article give experiments on fixing the parameters of soil oscillation from moving transport (trains, subways), which can have a negative influence on the surrounding buildings. The authors used piezoelectric accelerometers to measure the oscillation parameters. These oscillation parameters were recorded by

an analog-to-digital Converter and transmitted to a computer. The recorded data of the oscillation parameters were processed by a special program "Power Graph". When processing experimental data, the maximum values of vertical and horizontal amplitudes of soil oscillation acceleration and their standard values in the sanitary zone were obtained, starting from the level of sleepers and up to a distance of 63 m. These data allowed us to determine the coefficient of oscillation attenuation in the ground depending on the distance. It was found that at the maximum distance measured in experiments from the source of oscillations, vertical ones weaken by 10 times, and horizontal ones by 24 times.

It was found that in the amplitude-frequency spectrum at train speeds of 60 km/h, the maximum frequency of vertical and horizontal oscillations is within 35.. .40 Hz. It was also found that with the distance from the source, the waveforms acquire a sinusoidal character, so it is possible to idealize the oscillation process with a sinusoidal oscillation with an average frequency of 36 Hz.

The oscillation amplitudes vary significantly vertically in the depth of the ground. The farther from the source of oscillation, the smaller the depth of propagation of both vertical and horizontal amplitudes of oscillation acceleration. Installed at a depth of 2 m, the vibration amplitudes are reduced by thrice, and at a depth of 6 m - by 8 times.

To assess the variation effect in residential buildings from metro trains in Novosibirsk, measurements were carried out on the ground surface and directly in residential buildings that are separated from the axis of the tunnel at a distance of 20 ... 25 m. The oscillation levels, in a residential building RMS (standard values of vertical accelerations) were 0.014 m/s2, while it is allowed according to the norms of RMS (0.025 m/s2). The coefficient of the wave signal attenuation when transmitting from the ground to the Foundation was k = 3.45.

Key words: railway track; transport dynamics; oscillation; sanitary zone; acceleration of oscillation amplitudes; accelerometers; analog-to-digital converter; attenuation coefficient of a wave signal; amplitude-frequency spectrum of accelerations of oscillations; metro.

Смолин Юрий Петрович - доктор технических наук, профессор кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены» СГУПС. E-mail: yrij.smolin@bk.ru

Востриков Константин Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены» СГУПС. E-mail: koctas_v@mail.ru

Бессонов Виталий Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены» СГУПС. E-mail: bessonovvv@stu.ru