Экспериментальная динамика сооружений

Рис. 1.9. Конструкция трамвайного пути фирмы «Дорсервис»

Для уменьшения вибраций при движении трамваев предлагается эффективная, по

мнению разработчиков, система эластичных подставок под рельсы DBGM 8336 005.

Достаточно противоречива оценка опасности генерируемой трамвайным движени-

ем вибрации с точки зрения сохранности расположенных вблизи зданий и сооружений,
которую можно разделить на три категории:

– трамвайная вибрация существует, но с помощью технических и организацион-

ных мероприятий снижена до безопасного уровня;

– взаимоисключающие, некомпетентные и ничем не обоснованные мнения и ре-

комендации по одному и тому же факту;

– однозначно отрицательное отношение к трамвайному движению, не обяза-

тельно чем-либо обоснованное.

Для подтверждения первой точки зрения приведем следующие примеры.
В г. Кройдон (Англия) трамвайная линия с интенсивным движением (трамвай про-

ходит через каждые 3 минуты в течение 18 часов в сутки) расположена очень близко к
историческим зданиям, однако здесь не отмечается никакого вредного эффекта, по-
скольку рельсы расположены на элементах, снижающих вибрацию бетонного основания
до 1,0 мм.

В районе г. Ноттингем (Англия) трамвайные пути расположены вблизи зданий, по-

строенных в основном на бетонных основаниях с глубиной заложения 2–3 м. Бетонное
основание трамвайных путей имеет глубину заложения 30 см, что благоприятствует
уменьшению колебательной энергии при передаче ее от трамвая на фундаменты зданий.
В результате этого и расположения трамвайных рельсов на резиновых амортизаторах
вибрация снижена до приемлемого, по мнению автора, уровня.

О противоречивости второй точки зрения свидетельствуют две информации, опуб-

ликованные в газете «Владивосток»:

1. Для решения транспортных проблем Владивостока трамваи не нужны: их заме-

няют многочисленные автобусные маршруты. Трамвай не столько средство  передвиже-
ния, сколько  тормоз на дорогах. Особенно это касается Светланской улицы, где трамваи
часто  создают  заторы  в  движении.  Кроме  того,  вибрация  от  трамваев  на  главной  улице
города постепенно разрушает старинные здания – памятники архитектуры – и подземные
переходы в центре города (С. Корнилов. Газета «Владивосток» от 01.02.2003 г.).

2. С улицы Светланской собираются убрать трамвай, так как вибрация разрушает

здания. Это безграмотное заявление: даже когда идет груженый состав, локальные со-

трясения почвы составляют от силы 2–3 балла и на расстоянии 0,5–0,7 м от рельсов уже
не регистрируются, а здания на Светланской так близко к рельсам не стоят (Е. Лысенко,
инженер путей сообщения, ветеран труда. Интернет-версия газеты «Владивосток»,
№ 1548 от 28.04.2004 г.).

Если позицию журналиста – человека, далекого от техники и живущего корпора-

тивными интересами, – можно в некоторой степени понять, то мнение ветерана-
инженера вызывает некоторое недоумение.

Во-первых, вибрация от транспортного движения во Владивостоке никогда не из-

мерялась. Непонятно в таком случае, на основании чего делается вывод о полном зату-
хании колебаний грунта на расстоянии 0,5–0,7 м от рельсов. Выпускаемая в течение
длительного времени регистрирующая аппаратура позволяет фиксировать такие колеба-
ния, которые не ощущаются сенсорно.

Во-вторых, 2–3 балла по принятой еще в СССР шкале MSK-64 соответствуют, по

средним оценкам, перемещению 0,9–1,3 см, по скорости – 0,5–1,1 см/с и по ускорению –
0,4–2,0 см/с

. Для транспортной вибрации это достаточно высокие величины. Неудиви-

тельно, что отечественные нормативные документы, высокое качество которых обще-
признано мировым техническим сообществом, предусматривают удаление зданий и со-
оружений от трамвайных путей не менее, чем на 60 м.

В качестве доказательства существования третьей точки зрения приведем такой

факт.  В  Нижнем  Новгороде  на  основании  обследования  технического  состояния  тон-
нелей метро, не выявившего значительных нарушений конструкций, было рекомендо-
вано  закрыть  трамвайное  движение  по  одному  из  маршрутов,  поскольку,  по  мнению
экспертов,  дальнейшее  воздействие  трамвайной  вибрации  на  конструкции  тоннелей
может  привести  к  негативным  последствиям (Internet. Обзор  нижегородской  прессы  за
17.07.2004 г.).

В данном случае остается только надеяться, что не обоснованные ни измерениями,

ни реальными фактами обследования гипотетические рекомендации являются сколько-
нибудь объективными, а не отражают пожеланий коммерческих структур, заинтересо-
ванных в закрытии трамвайного движения.

Соковскому мосту в г. Иваново более полувека. Это серьезный возраст для любой

строительной конструкции, которая ежедневно испытывает многотонные нагрузки. Ар-
матура почти всего моста проржавела, бетон раскрошился. Главной причиной этого счи-
тается вибрация от трамваев (Internet. Ivanovo News от 23.09.2005 г.).

В Челябинске с потолка одного из залов областной картинной галереи сорвался

пласт штукатурки площадью 4 м

. По мнению работников галереи, причиной может

быть только вибрация от общественного транспорта (особенно трамваев), нескончаемый
поток которого основательно расшатывает стены и потолок здания. На страницах «Че-
лябинского рабочего» уже была публикация о возможных последствиях дорожной виб-
рации, где, в частности, прогнозировалось растрескивание стен здания областной фи-
лармонии, непосредственно примыкающего к зданию картинной галереи (Internet.
«Челябинский рабочий» от 13.05.2000 г.).

В апреле 1979 г. в Курске разрушилось находящееся в аварийном состоянии засе-

ленное трехэтажное здание. По мнению штаба гражданской обороны области, «послед-
ней каплей» стала вибрация от проходящих мимо трамваев (Internet. Курск. Еженедель-
ник «Друг для друга» от 07.12.2004 г.).

По мнению дорожников, нарушающие движение автотранспорта неустранимые

ямы вдоль трамвайных рельсов появляются из-за вибрации, которую создают трамваи
(Internet. «Новости Харьковского региона» от 22.09.2005 г.).

Одному из самых красивых зданий Нижнего Новгорода – Строгановской церкви,

памятнику истории, архитектуры, культуры, построенной почти 300 лет назад на дубо-
вых сваях, грозит разрушение. Причинами, по мнению специалистов, являются сочета-
ние падения уровня грунтовых вод, в результате чего сваи оголились и разрушились,

и вибрации от движения транспорта, особенно трамвая, трасса которого проходит почти
вплотную со зданием церкви (Internet. «Город и горожане» от 20.06.1997 г.).

Трамвайная вибрация беспокоит западноевропейские города (где и памятников ар-

хитектуры  много,  и  узость  улиц  в  исторических  центрах  общеизвестна)  не  менее,  чем
российские,  однако  там  принимаются  требующие  в  ряде  случаев  значительных  затрат
необходимые  меры  по  ее  устранению  при  условии  сохранения  трамвайного  движения,
что позволяет сохранить исторический облик как городов, так и самих стран.

Информация о вибрациях от движения

трамваев  или  практически  отсутствует,  или
объединяется  с  вибрациями  от  рельсового
транспорта  в  целом  как  для  установления
причин  и  условий  их  возникновения,  так  и
для разработки мероприятий по их подавле-
нию.  Высокоупругие  нашпальные  и  под-
рельсовые прокладки фирмы «Getzner» (рис.
1.10, 1.11) используются в ряде стран Евро-
пы,  Латинской  Америки  и  Юго-Восточной
Азии на главных железных дорогах, линиях
метро  и  трамвайных  путях  в  пределах  го-
родских  застроек.  Для  жестких  путей  на
плитах они обеспечивают необходимую ми-
нимальную  упругость,  для  путей  на  балла-
сте  снижают  напряжения  в  щебне.  Умень-
шение  нагрузки  на  верхнее  строение  пути

приводит к существенному снижению вибрации зданий, расположенных вблизи дорог.
По заявлению фирмы, нашпальные прокладки имеют хорошее соотношение динамиче-
ского и статического коэффициентов упругости в зависимости от материала, частоты и
амплитуды воздействия, величины приложенной нагрузки.

а б

Рис. 1.11. Статический (а) и динамический (б) коэффициенты упругости подрельсовой прокладки

из материала SYLODYN фирмы «Getzner»

Статический коэффициент упругости подрельсовых прокладок толщиной 5–10 мм

варьируется в пределах 40–150 кН/мм. Соотношение динамического и статического ко-
эффициентов упругости материалов SYLOMER и SYLODYN невелико и зависит от час-
тоты, величины приложенной нагрузки, амплитуды, температуры и типа используемого
материала (Internet. «Кемопласт-Нева»).

Рис. 1.10. Динамический и статический

коэффициенты упругости нашпальной

прокладки из материала Sylomer

Сила (приложенная нагрузка), кН

Коэффициент упругости, мм

Сила, кН

Прогиб, мм

Динамическая жесткость, кН/мм

Частота, Гц

Научное общество Studiengesellschaft für unterirdische Verkehr-sanlagen (ФРГ) про-

извело оценку поведения пути с непрерывным упругим опиранием рельсов. Такая кон-
струкция опирания, по мнению авторов информации, исключает колебания шпал и воз-
никновение вибраций в точке опирания рельса, вызываемых перекатыванием колеса над
этой точкой.

Прерывистое опирание. Метрополитен, городские железные дороги и трамваи,

обслуживающие плотно заселенные районы, являются  источниками колебаний, которые
генерируются в процессе качения колеса по рельсу вследствие периодических и стохас-
тических неровностей их поверхностей, а также из-за упругих деформаций в зоне кон-
такта. Кроме того, колебания в системе «колесо – рельс» возникают из-за того, что рель-
сы  магистральных  и  трамвайных  линий,  а  также  линий  метрополитена  опираются  на
основание пути в отдельных точках (шпалы). Вертикальная жесткость пути между таки-
ми  опорами  меньше,  чем  непосредственно  в  них.  Вследствие  этого  рельс  между  ними
прогибается, что вызывает периодические вертикальные перемещения колеса.

Рис. 1.12. Зависимость между силами и перемещениями

при приложении статической нагрузки к первой опоре

Рис. 1.13. Жесткость непрерывного опирания рельсов при различных нагрузках:

VE2, VE4 – конструкция Kölner Ei в точке опирания и между двумя точками опирания;

VE5, VE7, VE10 – конструкция KES1 при левом рельсе над точкой крепления, между двумя точками

крепления и при правом рельсе над точкой крепления; VE12, VE14 – конструкция KES2 при правом

и левом рельсе над точками крепления

Сила

, кН

Посадка, мм

В результате возникают динамические силы, которые приводят к возбуждению

колебаний нижнего строения пути и прилегающего грунта. Частота этих колебаний за-
висит от соотношения расстояния между шпалами и скоростью движения транспортного
средства.

Непрерывное опирание рельса по всей длине пути обеспечивает постоянную верти-

кальную  жесткость  пути  в  продольном  направлении.  Кроме  того,  при  упругом  основа-
нии  допускаются  большие  вертикальные  прогибы  рельса  под  действием  массы  поезда
(> 2  мм).  Это  приводит  к  снижению  уровня  генерируемых  движением  колебаний,  что
было  подтверждено  экспериментальными  исследованиями  на  участках  пути  длиной
100–600  м  в  тоннеле  метрополитена  и  на  поверхности  (в  Нюрнберге)  и 800-метровом
участке  городской  железной  дороги  (в  Кельне).  В  первом  случае  просадка  рельсов  со-
ставляла в среднем 3 мм, во втором – 6 мм. В зданиях, расположенных вблизи опытных
участков, вибрация снизилась на 30%.

Дополнительно к этому на экспериментальных стендах были исследованы силовые

и деформационные параметры системы «путь – колесо» как определяющие демпфи-
рующие свойства верхнего строения пути, а также тангенциальная жесткость (рис. 1.13)
верхнего строения пути различных модификаций опирания типов Кölner Ei и KES (Inter-
net. «Железные дороги мира», № 7, 2004 г.).

1.3. Железнодорожная вибрация

Как утверждают сами работники железнодорожного транспорта, «…при проекти-

ровании  зданий  и  сооружений,  примыкающих  к  железнодорожному  полотну,  влияние
вибраций  не  учитывается.  Подход  этот  не  базируется  на  результатах  необходимых
исследований.  Сомнение  в  его  правильности  подкрепляется  результатами  натурных
обследований, которые показывают, что вредное влияние вибраций несомненно» [20].

Это резюме явилось основой для проведения кафедрой «Здания» ЛИИЖТ достаточно

масштабных экспериментальных исследований, в результате которых было установлено:

1. Давления постоянных по величине нагрузок, перемещающихся по поверхности

грунта, генерируют низкочастотные составляющие, скорость распространения которых
«совпадает со скоростью движения состава». Горизонтальная и вертикальная компоненты
этой составляющей сдвинуты на π/2, что, по мнению авторов работы, свидетельствует об их
принадлежности к волнам Рэлея. Кроме того, наличие в корреляционной функции регуляр-
ной составляющей, считают авторы, свидетельствует о том, что массы, перемещающиеся
по поверхности грунта, генерируют в нем регулярную составляющую колебаний.

Общие положения лучевой теории распространения волн в грунте дают опреде-

ленные  основания  сомневаться  в  справедливости  этого  заключения:  скорость  распро-
странения волн деформаций после их возникновения не зависит от скорости движения
генерировавшего  их  источника [21]. Как  следует  из  текста  работы,  измерения  прово-
дились  на  влажных  песчаных  и  супесчаных  грунтах,  скорость  распространения  про-
дольных  волн  деформаций  в  которых  составляет  примерно 300–600 м/с,
а  поперечных – 200–300 м/с [22]. Меньшие  скорости  распространения  могут  возник-
нуть только в случае возникновения в верхних слоях грунта волноводов, что в данной
работе  не  оговорено.  Появление  регулярной  составляющей  авторы  объясняют  сильной
фильтрацией пакета волн грунтом.

Дополнительно к регулярной составляющей, по мнению авторов работы, колеба-

ния подрессоренных масс, возникающие при прохождении колеса по неровностям же-
лезнодорожного пути, генерируют в грунте случайную составляющую колебаний.

Для определения на расстоянии 3 м от оси пути параметров регулярных вертикаль-

ных колебаний грунта и среднего квадратичного амплитуды случайной составляющей
предлагаются следующие формулы:

)

cos

cоs

cos

(

)

(

, (1.1)

, (1.2)

где v – скорость движения железнодорожного состава, км/ч;

– время прохождения одного вагона, с.

Аналогичные параметры для перпендикулярной оси пути горизонтальной состав-

ляющей полагаются в два раза меньше.

2. Визуальная оценка регистраций для различных скоростей движения вагонов на

различных расстояниях от оси пути по трем составляющим позволил авторам выявить
четыре основных частотных диапазона группировки наибольших амплитуд перемеще-
ний: 3–5 Гц, 7–13 Гц, 35–45 Гц, 60–80 Гц.

3. Для определения амплитуды колебаний грунта А

на расстоянии r от оси пути

предлагается формула

)}

(

125

exp{

−

, (1.3)

где

– величина, определяемая по формулам (1.1) и (1.2).

4. Выполненное массовое обследование сооружений, расположенных в зоне дейст-

вия транспортной вибрации, с целью выявить ее влияние на дополнительные осадки и
связанное с этим появление трещин (табл. 1.1) позволило авторам публикации устано-
вить следующее:

– во всех случаях определяющее значение имеют колебания по низшей форме;

вертикальные колебания настилов платформ вызываются действием бегущей волны,
равной длине вагона;

– при заглублении стоек платформ выше глубины промерзания грунтов наблюда-

ются длительные незатухающие осадки с постоянной скоростью примерно 5–10 мм/год.
На площадках, сложенных выше глубины промерзания, установлены обусловленные
морозным пучением грунтов и направленные вверх деформации со скоростью развития
примерно 7–10 мм/год.

Таблица 1.1

Результаты обследования сооружений, подвергающихся действию железнодорожной вибрации

Параметры

обследования

Тип группы сооружений

Производственные

здания

Пассажирские

здания

Высокие

платформы

и павильоны

Частота свободных колебаний, Гц 2,6 5,5

– 14,0

5,5

– 14,0

Расстояние от оси пути, м 3–20

6–12 3

Количество объектов 34

Время эксплуатации, лет 5–112

19–20

2–10

Число объектов, на которых обна-
ружены дефекты

28 5 32

Скорость прохождения составов,
км/ч

70–120 90 87–110

ΔS

/ L

от 1 : 113 500

до 1 : 239 000

от 1 : 415 500

до 1 : 155 000

от 1 : 21 600

до 1 : 55 500

Характер и предполагаемые при-
чины повреждений

Неравномерные не-

значительные осадки:

статические при

больших расстояниях

от оси пути, динами-

ческие при r = 3–4 м

Неравномерные
незначительные

осадки, вызванные

действием статиче-

ских нагрузок

Значительные ди-

намические напря-

жения и осадки,

морозное пучение

грунтов, дефекты

производства работ

Примечание. Цифрами в табл. обозначены: 1 – стены; 2 – перекрытия; 3 – стойки; 4 – плиты насти-

ла; 5 – наибольшее динамическое перемещение конструктивного элемента; 6 – пролет элемента.

Расстояние, м

В результате оценки по разработанной ЛИИЖТ методике износа и надежности

44 высоких платформ авторами установлено, что их фактическая долговечность состав-
ляет 27–30 лет вместо нормативных 50 лет.

5. Установлено, что при современных скоростях движения поездов генерируемая

ими вибрация вызывает дополнительные динамические напряжения в несущих конст-
рукциях и осадки только на объектах, расположенных на расстоянии 3–4 м от оси пути.
Предполагается, что на высокоскоростных линиях опасное расстояние может увели-
читься до 8 м.

В работе [23] приведены результаты экспериментальных исследований влияния

вибрации  грунта,  генерированного  железнодорожным  движением,  на  осадки
14-этажного  здания,  имеющего  в  основании  водонасыщенные  пески  и  расположенного
на расстоянии примерно 150 м перпендикулярно магистральным путям. Наблюдения за
осадками здания велись от окончания строительства до полной стабилизации. Амплиту-
ды смещений варьировались от 10 до 30 мк. По мере удаления от железнодорожных пу-
тей  высокочастотные  составляющие  колебаний  затухали  быстрее  низкочастотных.
Осадки  по  длине  здания  распределялись  неравномерно,  достигая  примерно 55 мм  со
стороны путей и убывая примерно до 33 мм с противоположной стороны. Отмечается,
что при строительстве на водонасыщенных песках вибрации от железнодорожного дви-
жения  приводят  к  дополнительным  осадкам,  сопоставимым  с  основными.  В  районе
станции Tarumi (Tokyo) было  проведено  измерение  вертикальной  вибрации  глинистых
грунтов от железнодорожного движения на расстояниях 5–70 м от оси пути [24]. Хотя
разброс результатов измерений значительный (рис. 1.14), они были аппроксимированы
единой зависимостью

Z(r) = 8,36 – 1,71 Ln(r). (1.4)

Рис. 1.14. Совокупность наблюдений вибрации грунта в районе станции Tarumi

Амплитуда

, мк

По нашему мнению, уменьшение

средней  почастотной  величины  ампли-
туды (1) с расстоянием (рис. 1.15) про-
исходит  не  так  равномерно,  как  об
этом  можно  судить  по  тренду (3), ко-
торый  существенно  сглаживает  ло-
кальные  отклонения.  В  данном  случае
провал в частотном диапазоне 25–30 м
может  быть  результатом  местной  не-
однородности  грунта:  наличия  харак-
терных  для  техногенно  измененных
грунтов  рыхлых  включений,  которые
обладают  хорошими  демпфирующими
свойствами.  Подобные  явления  часто

встречаются при проведении геофизических работ по уточнению сейсмичности пло-
щадок строительства [25].

В работе [26] приведены результаты экспериментальных исследований вибрации

грунта от автомобильного и железнодорожного трафика в трех районах железнодорож-
ного транспортного узла (рис. 1.16). В первом районе измерения выполнялись в двух
точках (станциях), во втором – в четырех, в третьем – в одной. Радиальная составляю-
щая всегда была ориентирована перпендикулярно направлению трафика.

Рис. 1.16. Ситуационная схема измерений на транспортном узле

Наиболее интенсивная вибрация наблюдалась в течение 9 с при прохождении оди-

ночного локомотива со скоростью 20 м/с (72 км/ч) и в течение 40 с при медленном про-
хождении груженного рудой железнодорожного состава. Сводные результаты представ-
лены в табл. 1.2 и на рис. 1.17.

Рис. 1.15. Статистика данных для станции Tarumi:

1, 2 – почастотные средние и односигмовые

доверительные интервалы; 3 – тренд

Амплитуда

, мк

0,1

100

Расстояние, м

Таблица 1.2

Сводные результаты измерения вибрации (скорость, мм/с)

№ района

и точки

Общий

фон

Интенсивный
непрерывный

внутренний

трафик

Интенсивное
непрерывное

автомобильное

движение

Частый

железнодорожный

трафик

2B
2C

2D
3A

0,20 (R и S)

0,25 (V)
0,23 (R)
0,31 (V)
0,25 (V)
0,31 (R)
0,41 (R)

0,25 (S)

0,36 (V)

–
–
–
–

0,48 (R)

–
–

0,31 (V)

0,36 (V и R)

0.31 (V)

0,38 (R и S)

0,43 (R)

0,56 (V)
0,48 (V)
1,04 (V)
0,94 (V)
0,89 (V)
1,98 (V)

–

Расстояние, м

– –

24,4–47,3

6,1–18,3

Основная
частота, Гц

– – 15–38

11–65

Примечания:
1. Общий фон – непрерывная вибрация от незначительного внутреннего трафика или незначитель-

ного движения автотранспорта по шоссе с двойной проезжей частью.

2. Символами R, S, V соответственно обозначены радиальная, поперечная и вертикальная состав-

ляющие.

Амплитуда, дм Амплитуда, дм

а б

Рис. 1.17. Амплитуды вибрации от железнодорожного движения в районах № 1 (а)

и № 2 (б) транспортного узла (см. рис. 1.16) в сопоставлении со шкалой Reiher – Meister

(I – незначительная вибрация, II – слабозаметная, III – отчетливая; авторы дают ансамбли

без разделения по составляющим; сплошными линиями выделены зоны реализации колебаний)

Рис. 1.18–1.20 характеризуют режимы работы подвижного парка в разных услови-

ях и показывают влияние их конструкции на эти процессы [29]. По утверждениям аме-
риканских исследователей, уровни вибраций, возникающие в подвижном составе при
движении по железной дороге, меньше, чем в грузовых автомобилях. Значительные виб-
рации возбуждаются в основном на железнодорожных стрелках, пересечениях путей и
маневровых операциях. Достаточно стабильно внимание, которое уделяется вибрациям
от движения поездов метрополитенов неглубокого заложения.

При экспериментальном обследовании колебаний фундамента с глубиной заложе-

ния 2 м типового 5-этажного панельного здания, расположенного в 25 м от прямолиней-
ного участка тоннеля Минского метрополитена, трехкомпонентные акселерометры рас-
полагались в центре лотка тоннеля и на полу повала непосредственно у стены
фундамента, обращенной к тоннелю [27].

аст

ота

, Гц

Част

ота

, Гц

f, Гц

Рис. 1.20. Продольные ускорения в конструкциях железнодорожного вагона

при его столкновении с другим вагоном на скорости 125 км/ч

Измерения в октавных полосах с центральными частотами 31,5 и 63,0 дБ показали

по соответствующим октавным полосам: на фундаменте уровни виброускорений по вер-
тикальной составляющей (Z) – на 32 и 34 дБ; в горизонтальном направлении, параллель-
ном оси тоннеля (X) – на 38 и 41 дБ; в горизонтальном направлении, перпендикулярном
оси тоннеля (Y) – на 30 и 33 дБ ниже, чем лотка. Амплитуды вертикального смещения
лотка тоннеля (Z) при прохождении поездов изменялись от 5,7 и 5,1 мк до 16,6 и 11,4 мк,
в то время как для фундамента здания эти значения составляли: для Z – от 0,20 и 0,10 мк
до 0,34 и 0,18 мк, для X – от 0,10 и 0,06 мк до 0,13 и 0,08 мк, для Y – от 0,30 и 0,15 мк до
0,45 и 0,27 мк.

Похожие результаты были получены в Киеве, где в зданиях, расположенных в 10 м

от туннеля метрополитена мелкого заложения, уровни виброускорений на частотах 31,5–
63 Гц составляли соответственно 41–44 дБ, а на расстоянии 40 м – 23–26 дБ.

Рис. 1.18. Преобладающие частоты

и амплитуды колебаний

железнодорожных грузовых вагонов:
1–4 – усредненные значения вибраций

для платформ с разными рессорами

Амплитуда

ус

корен

ия

, g

f, Гц

Рис. 1.19. Число максимумов

ускорений, превышающих заданный

в долях g уровень, которое

приходится на одну милю

в зависимости от скорости вагона

v, миль/ч

дюй

/с

Имеются попытки чисто теоретической оценки интенсивности колебаний грунта от

железнодорожного движения. Так, например, в результате расчетов по методу конечных
элементов в работе [29] установлено, что при удалении от оси железнодорожного полотна
с 5 до 15 м в обычных ситуациях амплитуда колебаний грунта снижается почти в 15 раз,
скорость в 13 раз, а ускорения в 6 раз. Для насыпей, усиленных по разрядно-импульсной
технологии, параметры колебаний уменьшаются соответственно в 14, 8 и 7 раз.

Одновременно с экспериментальными и теоретическими оценками вибрации грун-

та  и  сооружений  от  движения  поездов  метрополитена  и  наземного  железнодорожного
транспорта разрабатываются и различные конструктивные мероприятия по  виброзащи-
те:  оборудование  фундаментов  предварительно  сжатыми  пластинами  из  резины [30],
устройство свайных фундаментов с защитными экранами [31], специальных щелей глу-
биной до 7,0 м [32], размещение дополнительных массивных блоков вблизи железнодо-
рожного пути [33], размещение зданий на бетонной подушке, размеры которой обеспе-
чивают  необходимое  гашение  вибраций  от  железнодорожного  транспорта [34] и  т.  п.
(также п. 1.2 настоящей главы).

Следует отметить, что большое внимание в железнодорожном транспорте уделяет-

ся выяснению влияния технического состояния железнодорожного пути и подвижного
состава на генерируемые ими динамические нагрузки.

Так, например, в работе [35] указывается, что наибольшие нагрузки на железнодо-

рожные пути возникают при прохождении подвижного состава с дефектными колесами.
В результате экспериментальных исследований ударных нагрузок, которые генерирова-
лись при прохождении колеса через установленные на оба рельсовых пути стальные
пластинки с толщиной, равной дефекту колеса, было установлено, что удары колес с вы-
боинами создают динамические нагрузки, превосходящие статические в 5–10 раз.

Для подземных трасс в Риме выполняются длительные программы динамических

испытаний подвижного состава, в частности колесных осей и тележек ходовой части ва-
гонов в различных режимах ускоренного движения, и наблюдений показателей эксплуа-
тационного состояния с целью выявления наиболее целесообразных вариантов усиления
рельсов на железнодорожной насыпи с учетом циклических колебаний и динамического
взаимодействия с бетонной облицовкой тоннеля [36].

Проводятся экспериментальные исследования по определению амплитуд колеба-

ний грунта насыпей от подвижного состава с повышенными осевыми и погонными на-
грузками [37], выявлению в земляном полотне зон динамического воздействия поездной
нагрузки [38], оценке уровней вертикальных динамических нагрузок на верхнее строе-
ние железнодорожного пути для вагонов грузоподъемностью 70–125 т при движении с
различной скоростью в рабочих и специальных режимах и т. д. [39].

Выводы

Для литературы по рассматриваемому вопросу характерны следующие особенности:
1. В СМИ основное внимание уделяется сопутствующим эксплуатации транспорта

экологическим факторам (шум, санитарная вибрация, выхлопы газов, утечки топлива и
технических жидкостей). Особой критике подвергается трамвайное движение, которое
заслужило даже особое определение – «добродушный убийца». Позиция СМИ заслужи-
вает внимания как некоторый условный показатель отношения населения к рассматри-
ваемому вопросу, но не более того, поскольку ее отличает непрофессионализм по сути
рассматриваемых проблем, высокая зависимость от спонсоров, чьи интересы они и
«раскручивают», и склонность к сенсациям.

Публикации как в отечественной, так и в зарубежной научно-технической литера-

туре имеют, как правило, теоретический характер. Процент экспериментальных иссле-
дований невысок и быстро уменьшается.

Основное внимание в научной периодике уделяется железнодорожному транспор-

ту: динамике подвижного парка, железнодорожных путей, мостов и т. п. В некоторых
случаях рассматривается и генерирование волн в грунте. Состоянию сооружений, распо-
ложенных вблизи, внимания уделяется неизмеримо меньше. Автомобильный транспорт
рассматривается в основном как источник опасности для автомобильных мостов и мос-
тов с комбинированным движением.

Работы по проблемам трамвайного транспорта, несмотря на большой шум в СМИ,

являются,  по  сути,  эпизодичными.  Характерной  в  этом  отношении  является  выполнен-
ная  в  Донском  государственном  техническом  университете  работа  по  определению
уровней  вибрационного  воздействия  на  основания  жилых  строений  в  Ростове-на-Дону,
расположенных на транспортных магистралях в различных районах города, от движения
автотранспорта  на  ровных  участках,  спусках  и  подъемах,  а  также  от  движения  авто-
транспорта в сочетании с трамвайным и железнодорожным. Это позволило определить
количественные характеристики воздействия движущихся потоков транспорта на осно-
вания  зданий  и  установить  параметры  кинематического  возбуждения  элементов  строи-
тельных конструкций [41].

Измерения производились в октавных полосах со среднегеометрическими часто-

тами 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 125 Гц.

По мнению авторов, актуальность работы определялась:
– ростом интенсивности транспортных потоков, в том числе по улицам с преоб-

ладанием зданий старой постройки;

– повышенными нагрузками со стороны движущегося автотранспорта, низким

качеством дорожных работ и отсутствием регулярного надзора за состоянием дорожного
полотна, что привело к нарушениям его сплошности и связанному с этим увеличению
динамических нагрузок на дорожное полотно;

– быстрым старением жилого фонда, что способствует ускорению возникнове-

ния в конструкциях зданий повреждений, в том числе и усталостных.

Результаты обработки измерений (рис. 1.21–1.22) показывают, что здания, находя-

щиеся в непосредственной близости от напряженных транспортных магистралей, испы-
тывают вибрации, эквивалентные толчкам в сейсмически опасных районах.

Частота, Гц Частота, Гц

а б

Рис.1.21. Результаты замеров уровней вибрации (а) и среднеквадратичного виброускорения (б)

фундаментов строений от воздействия проходящего транспорта

Несмотря на то что целью исследований была разработка методики определения

технического состояния зданий, эксплуатируемых в нестационарных условиях, она не
была достигнута, на наш взгляд, поскольку применявшаяся уровневая измерительная

Уровень вибрации, дБ

Виброускорение, м/с

аппаратура не дает возможности не только применить современные статистические ме-
тоды анализа, но и дает искаженное представление о реальном положении в связи с ни-
велированием измерений в октавных полосах, что затрудняет получение значений даже
собственных частот обследованных элементов, не говоря уже о трансформации энерге-
тических потоков в системе «транспорт – грунт – охраняемое сооружение».

2. Как и в других технических отраслях, связанных с динамикой (горное дело, су-

достроение, строительство и т. д.), на транспорте практически отсутствуют нормативы с
количественной  оценкой допустимости колебаний (по амплитуде и частоте) не только
грунта  в  районе  расположения  охраняемого  сооружении,  но  и  его  самого  как  в  целом,
так и отдельных элементов. Встречающиеся ссылки на то, что если выполнены санитар-
ные нормативы, то и с прочностью все обстоит благополучно, по крайней мере не имеют
под собой научной основы. Следует иметь в виду и то, что конструктивная вибрация не-
посредственно  связана  с  усталостной  прочностью,  что  остро  проявляется  в  цельноме-
таллических конструкциях.

3. Следует отметить, хотя это и не является предметом настоящей работы, то нема-

ловажное значение, которое генерируемые транспортными потоками вибрации имеют с
точки зрения сохранения здоровья человека.

Как известно, критерии неблагоприятного внешнего воздействия устанавливаются

Государственными  стандартами  (ГОСТ 12.1.012–90) и  Санитарными  нормами
(СН 2.2.4/2.1.8.566–96), которые регламентируют предельно допустимые уровни коле-
баний ограждающих конструкций жилых помещений, административно-общественных
зданий  и  рабочих  мест.  При  этом  амплитуды  колебаний  ограничиваются  в  диапазоне
частот 1,4–88,0 Гц всего лишь несколькими микронами. Многочисленными исследова-
ниями установлено, что в тех случаях, когда здания располагаются в непосредственной
близости от транспортных магистралей, вибрация их конструктивных элементов может
превышать предельнодопустимые значения в 10 и более раз (на 20 дБ). При этом в спек-
тральном  составе  преобладают  октавные  полосы  со  среднегеометрическими  частотами
31,5 и 63,0 Гц.

В настоящее время регламентируемая СНиП 2.07.01–89 защитная зона железной

дороги составляет 100 м, а защитная зона трамвайных линий должна быть не менее 60 м
от крайнего пути, что практически нигде не выполнено и не выполняется.

4. Открытым остается вопрос о влиянии транспортной вибрации на устойчивость

грунтов  в  основании  зданий  и  сооружений.  Так,  например,  значительная  часть  пород,
слагающих территорию Самары, относится к категории неустойчивых, поскольку обла-
дает сравнительно низкими и чувствительными к внешним воздействиям структурными
свойствами. Неудовлетворительная устойчивость таких оснований проявляется в допол-
нительных и неравномерных осадках, провоцируемых колебаниями уровней подземных
вод и, что не прогнозируется в настоящее время и не учитывается в проектах, негатив-
ными воздействиями на грунты основания вибраций от городского транспорта. Если из-
бежать  последствий  первого  фактора  можно  путем  более  детального  изучения  и  учета
неоднородности  геолого-литологического  строения  оснований,  то  оценка  негативного
влияния транспортной вибрации на устойчивость основания российскими нормативами
в настоящее время не предусмотрена, несмотря на то, что физические процессы измене-
ния механических свойств грунтов при вибрации изучены достаточно подробно. Извест-
но,  что  устойчивость  отмеченных  выше  пород,  обладающих  низкими  тиксотропными
свойствами, нарушается при виброускорениях выше 4 мм/с

в достаточно широком час-

тотном диапазоне 1,0–70,0 Гц, в то время как экспериментальные измерения дают оцен-
ку виброускорениям на уровне 10–16 мм/с

. Период восстановления структурных связей

грунтов превышает цикличность вибровоздействий, а интенсивность уплотнения про-
порциональна ее росту и не зависит от значения частоты. По шкале Richter эффектив-
ность транспортной вибрации эквивалентна землетрясению в 3–6 баллов.

Фактором, инициирующим возбуждение вибрации в основании зданий, служат

конструктивные недостатки, присущие транспортным магистралям города. Неравномер-
ные осадки дорожного полотна и разрушение дорожного покрытия создают при движе-
нии транспорта «эффект стиральной доски», инициирующий вибрацию. Для рельсового
транспорта  определяющими  параметрами  являются  качество  межрельсовых  стыков  и
степень  жесткости  вагонных  амортизаторов.  По  данным  литературных  источников
отечественных и зарубежных исследователей, осредненные радиусы негативного дей-
ствия  транспортной  вибрации  на  основания  зданий  составляют  от  движения  авто-
транспорта примерно 12–5 м, трамваев – 50 м, поездов – 100–150 м. Дополнительные
осадки оснований в зависимости от видов грунтов, их состояния и интенсивности виб-
рации достигают 50–200 мм, носят, как правило, неравномерный характер и их разви-
тие соизмеримо с периодом эксплуатации объекта. Отмечены случаи, когда здания на-
клонялись в сторону проезжей части, а незатухающие во времени и возрастающие по
величине  осадки  оснований  вынуждали  полностью  закрывать  улицы  для  движения
транспорта.  Впервые  негативные  последствия  вибрации  от  городского  транспорта  на
состояние зданий было отмечено в конце 60-х – начале 70-х гг. в период резкого уве-
личения  числа  транспортных  средств  и  роста  магистральных  нагрузок.  Ниже  приво-
дится далеко не полный перечень зданий Самары, на главных фасадах которых четко
обозначаются  незакрывающиеся  трещины,  свидетельствующие  о  незатухающем  и  не-
равномерном характере осадок основания.

Так, в границах второй надпойменной террасы реки Волги не затухают осадки

12 зданий. В конце 90-х гг. упал фронтон угловой части жилого дома. В границах треть-
ей  надпойменной  террасы  реки  Волги  аналогичная  картина  наблюдается  в 35 зданиях.
В жилом доме довоенной постройки вертикальная трещина прошла по торцевой стене от
цоколя до конька крыши, что свидетельствует о значительных разностях осадок пролета
здания  со  стороны  главного  фасада  относительно  дворового.  В 2000 г.  появились  тре-
щины  на  торцевой  стене  корпуса  Технического  университета.  В  конце 60-х  гг.  из-за
транспортной вибрации упал фронтон здания бывшего строительного техникума.

В границах второй надпойменной террасы реки Самары в конце 70-х гг. стали по-

являться трещины в 26 зданиях постройки 50–60-х гг. Дополнительным источником
вибрации на эти здания служит близость железнодорожных путей (около 100 м). Про-
должают появляться и развиваться трещины в фасадах ряда зданий, продолжаются осад-
ки 3-этажного жилого дома, находящегося на расстоянии 50 м от железнодорожного по-
лотна, несмотря на выполненное в 90-х гг. усиление фундаментов сваями вдавливания.
Не затухают осадки 7 зданий, расположенных в границах водораздела.

Показательна динамика состояния здания ДК «Современник»: схема раскрытия

трещин на его торцевой части имеет веерообразный характер, что свидетельствует о по-
следствиях активного движения транспорта по обе стороны от него. Раскрываются тре-
щины на фасаде 3-этажной части здания дирекции метрополитена, построенного в конце
80-х гг. Аналогичная картина наблюдается в более чем 50% зданий, расположенных на
делювиальных склонах, которые к тому же находятся на расстоянии 6–10 м от оси дви-
жения  городского  транспорта.  Приведенные  примеры  негативного  воздействия  транс-
портной вибрации на эксплуатационную устойчивость объектов свидетельствуют об ак-
туальности  проблемы,  требующей  корректировки  деятельности  как  проектно-
изыскательских,  так  и  производственных  подразделений  регионов.  Проекты  вновь  воз-
водимых в радиусе действия транспортной вибрации зданий и сооружений должны вы-
полняться с учетом демпфирующих свойств грунтов их оснований, отвечающих расчет-
ным  нагрузкам  и  режимам  воздействия  транспортных  средств.  При  проектировании
новых дорог и реконструкции существующих следует обращать повышенное внимание
на  типы  и  состояние  грунтов  основания  земляного  полотна.  К  наиболее  устойчивым  к
транспортной  вибрации  породам  относятся  невыветрелые  глины,  пески  и  супеси  сред-
ней  плотности.  Менее  устойчивыми  являются  делювиальные  водонасыщенные  глини-

стые грунты, аллювиальные мелкие и пылеватые пески, супеси и суглинки, включая
присадочные (уровень просадки от вибрации возрастает на 1,0–1,5%) и легкие глины,
обладающие виброползучестью.

В эксплуатационный период необходимо ужесточение контроля за состоянием до-

рог, что позволит принимать оперативные меры по устранению выявленных дефектов.
В качестве временной защиты зданий от неравномерных осадок могут служить ограни-
чения интенсивности и скоростей движения транспортных средств и их массы. Сравни-
тельно дорогими и трудоемкими, но более надежными средствами защиты являются из-
вестные в строительной практике способы усиления оснований и фундаментов.
В перспективном строительстве следует уделять больше внимания свайным фундамен-
там различных типов и фундаментам глубокого заложения.

Нет оснований предполагать, что подобная ситуация характерна только для Сама-

ры. В каждом городе с развитой транспортной сетью найдутся особые обстоятельства,
которые в сочетании с транспортной вибрацией приведут к аналогичным или даже более
серьезным последствиям: во Владивостоке это гористый рельеф в сочетании с нарушен-
ной гидрогеологией территории, в Хабаровске – предрасположенные к оползням обрывы
и овраги и т. п. [40].

5. В выполненном в 1990 г. обзоре [41] отечественных и зарубежных исследований

проблемы транспортной вибрации отмечалась резкая нехватка экспериментальных дан-
ных  и  противоречивость  полученных  результатов,  а  также  практически  неисследован-
ность факторов, определяющих особенности распространения генерированных ею коле-
баний  в  грунте  и  близ  расположенных  сооружений.  Несмотря  на  признание
целесообразности  разработки  и  выполнения    комплексной  программы  исследований  в
этом  направлении,  положение  еще  более  ухудшилось,  судя  по  публикациям  в  научно-
технической  литературе.  Результаты  проводимых  немногочисленных  эксперименталь-
ных исследований, по сути дела, приобретают закрытый характер, особенно в тех случа-
ях, когда выполняются негосударственными структурами.

6. Следует отметить практическое отсутствие нормативов на допустимые уровни

вибрации грунта и сооружений от транспортного движения. Ориентироваться в данном
случае на санитарные нормы следует очень осторожно, поскольку для человека и строи-
тельных конструкций вибрации в различных диапазонах частот имеют разные степени
опасности. В равной мере очень проблематично распространение на транспортную виб-
рацию нормативов сейсмостойкого строительства, которые сами в ряде случаев имеют
достаточно проблематичный характер.

Прежде чем о чем-то рассуждать, не-

обходимо договориться об определениях.

Жозеф Луи Лагранж

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выполненный в гл. 1 аналитический обзор работ, посвященных исследованию

транспортной вибрации, выявил их основной недостаток – это решение конкретных част-
ных задач, связанных, как правило, в железнодорожном хозяйстве – с вопросами обеспе-
чения надежной эксплуатации подвижного состава и сохранности непосредственно транс-
портных  магистралей,  в  очень  редких  случаях – с  обеспечением  безопасности
производственных  зданий  и  сооружений,  непосредственно  примыкающих  к  железнодо-
рожному полотну при движении составов на скоростях 100–250 км/ч; в городском комму-
нальном хозяйстве – в основном с сохранностью автомобильных мостов и предотвраще-
нием недопустимо высокой вибрации от метрополитенов неглубокого заложения. Работы
по исследованию вибрации объектов городской застройки от автомобильного транспорта
и трамваев единичны. Практически отсутствуют исследования, в которых рассматривает-
ся  динамика  систем  «транспортное  средство – грунт – охраняемое  сооружение».  К  сожа-
лению, это является общим недостатком работ такого рода и в определенной мере объяс-
няется  тем,  что  комплексные  исследования  требуют  привлечения  к  их  решению
специалистов различного профиля, которые, как правило, неохотно идут на контакт друг с
другом.  Как  показывает  практика,  это  практически  невыполнимо,  особенно  в  настоящее
время, когда существование комплексных широкопрофильных научно-исследовательских
институтов признано нерациональным и большинство из них ликвидировано. Представля-
ется,  что  и  в  ближайшем  будущем  этого  не  будет,  поскольку  результаты  исследований,
выполненных  негосударственными  научными  подразделениями,  являются  их  частной
собственностью и практически сразу же приобретают закрытый характер.

В связи с этим представляется целесообразным с помощью единой методики обра-

ботки и анализа обобщить экспериментальный материал, накопленный к настоящему
моменту при проведении разрозненных наблюдений, оценить ситуацию и наметить пер-
спективные направления дальнейшей работы, поскольку рано или поздно она начнется.

Следует отметить, что наблюдения, проводимые в пределах исторически сложив-

шейся интенсивной городской застройки, связаны с некоторыми объективными трудно-
стями, которые приводят к необходимости иного методического подхода, чем тот, кото-
рый используется при оценке безопасности зданий, расположенных в сейсмических
зонах промышленных взрывов, и при динамической калибровке сооружений короткоза-
медленными взрывами. К таким объективным трудностям относятся следующие:

1. Измерения проводятся в обычных условиях, что не позволяет планово регулиро-

вать интенсивность трафика. Скорость движения железнодорожных составов в пределах
города невысока, а их весовые характеристики неизвестны. Режим движения городского
транспорта во многом определяется наличием светофоров, остановок и плотностью тра-
фика. В среднем скорость движения трамваев составляет 10–15 км/ч. В частности, во
Владивостоке существенную роль играют хронические транспортные пробки, резко
снижающие скорость.

2. Территория плотно застроена, почти сплошь заасфальтирована и насыщена под-

земными инженерными коммуникациями. Это не дает возможности проследить в чис-
том виде распространение в грунте генерированных трафиком волновых потоков. Кроме
того, это сильно деформирует волновые потоки на пути их распространения. Установить
какие-либо закономерности такой деформации затруднительно, поскольку каждый объ-
ект имеет только ему присущие особенности.

Экспериментальная динамика сооружений - часть 2