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GB∕T 33521.32-2021 机械振动 轨道系统产生的地面诱导结构噪声和地传振动 第32部分:大地的动态性能测量.pdf
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1、ICS 17.160 J 04 中华人民共和国国家标准GB/T 33521.32-2021 /ISO/TS 14837-32: 20 15 机械振动轨道系统产生的地面诱导结构噪声和地传振动第32部分:大地的动态性能测量Mechanical vibration-Ground-borne noise and vibration arising from rail systems-Part 32: Measurement of dynamic properties of the ground 2021-08-20发布(ISO/TS 14837-32: 2015, IDT) 国家市场监督管理总局华+国
2、家标准化管理委员会保叩2022-03-01实施G/T 33521.32-2021/ISO/TS 14837-32: 20 15 目次前言皿引言.凹1 范围.2 规范性引用文件3 符号.4 地面诱导结构噪声和地传振动的传播4.1 概述4.2地面诱导结构噪声与地传振动频率影响5 大地中波传播参数5.1 概述5.2 基波传播参数.4 5.3 材料损耗和非线性5.4 大地的几何效应、分层和横向变异性105.5 近场效应115.6 各向异性115.7 地下水的影响一一两相介质的岩土材料116 参数估算和测量方法126.1 大地分层和分类:钻孔柱状图和地震勘测126.2 士与岩石136.3 基于指标参数的
3、经验估算方法u6.3.1 概述136.3.2 有效(体积)质量密度136.3.3 波速和弹性剪切模量136.3.4 非线性和材料损耗因子156.4 基于岩土原位贯人试验的间接测定196.4.1 概述196.4.2 圆锥贯人试验196.4.3 标准贯人试验196.5 大地动态参数的直接原位测量m6.5.1 概述206.5.2 表面波测量n6.5.3 下孔(和上孔)测量一一地震CPTCS-CPT)266.5.4 跨孔法测量296.5.5 其他测量一一折射、多通道P波和S波反射,电阻率316.5.6 其他原位方法316.6 大地动态参数的实验室测量nG/T 33521.32-2021/ISO/TS
4、14837-32: 20 15 6.6.1 概述326.6.2 压电测量326.6.3 共振柱测试346.6.4 循环兰轴,DSS和扭转剪切试验357 大地参数确定策略357.1 概述357.2 地传振动和地面诱导结构噪声的严酷度357.3 可用信息的参数估算357.4 原位测量与实验室测量总结357.5 直接测量振动和噪声传播作为测量大地动态性能和使用计算模型的替代方法36附录A(资料性附录)本部分中使用的缩写参考文献.38 H G/T 33521.32-2021/ISO/TS 14837-32: 20 15 目。吕GB/ T 33521机械振动轨道系统产生的地面诱导结构噪声和地传振动已经或
5、计划发布以下部分:一一第1部分:总则;第31部分:建筑物内人体暴露评价的现场测量指南;第32部分:大地的动态性能测量。本部分为GB/T33521的第32部分。本部分按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本部分使用翻译法等同采用ISO/TS14837-32: 2015Vs且当。接近0.5时,Vp/Vs会急剧增大。泊松比。能通过两种基本体波的波速Vp和Vs由公式(5)计算得到:川一叭UJU一二2p-v -JfF-/, -一门/臼一一Nu ( 5 ) 如引人杨氏模量Emax作为第二个弹性参数,其与剪切模量Gmax和泊松比。的关系见公式(6):Emax = 20 +。)Gmax(6 ) 或者,
6、引人体积弹性模量K川,能用两个弹性常数中的任一表达。与剪切模量Gmax和侧限模量Mmax的关系见公式(7): K= h fGIYIax(7) 图1给出了大地中应力和变形以及坐标系。受压为正,即0。剪应力的第一个下标表示方向,第二个表示所在平面。4 G/T 33521.32-2021/ISO/TS 14837-32: 20 15 说明:a-x平面,xy=r yx ; b一-y平面,今yz=zy ; c一-z平面,今口=凡。SZ Y ,SX Z 图1大地中应力和坐标系图2给出了模量与应力和变形的转换关系。另一组可选的弹性参数是两个拉梅常数。注:两个拉梅常数是一组可选的弹性特征参数。它们与前面定义的
7、弹性特征参数唯一相关。当用于岩土材料时,尽管不常用,也可以通过下标max这种简便方式来表示拉梅常数的低应变稳态值。拉梅常数与其他参数的关系如下:max = Mmax -2Gmax Gm X Z a) 剪切模量G=A/Ab) 侧限模量M=A,/Ae,说明:a) .TZ=ru =YZ =Yz =Y; b) 约束边界E:x=E:y =0,无横向应变;c) E:x =E:y =E:T自由边界A民=y=0,泊松比=,/E:z; d) x=y=z=户,E:x+y+E:z =vol。注:图示是以Z方向作为主方向。这些定义同样适用于X方向或Y方向作为主方向。图2各向同性大地的弹性常数和相关变形模式5 GB/T
8、 33521.32-2021/ISO/TS 14837-32: 20 15 它乡3If, c) 杨氏模量E=A,/At:,d) 体积模量K=Ap/At:vol图2C续)岩土材料的阻抗和材料之间的比阻抗是评估两种材料界面之间能量传递效率以及在岩土材料体边界形成界面波的重要参数。然而对于与振动波长相比较薄的地层,要注意不同材料的比阻抗不再是决定振动能量反射和传播性能的重要参数,而是地层厚度。这在典型的隔振屏障性能评估时尤为重要。在弹性各向同性岩土材料体中平面波的比阻抗Z定义如下:a) 平面膨胀波比阻抗Zp:Zp=Vp=品市b) 平面剪切波比阻抗ZsZs=Vs = J pGmax 比阻抗的倒数被称为
9、导纳,可替代使用。. C 8 ) . C 9 ) 比阻抗单位为帕秒每米CPa.s)/mJ,将波在传播中的动应力(循环应力)与相应的质点速度相关联。质点速度为U的平面剪切波在剪切波比阻抗为Zs的大地中沿某一方向传播时,在波偏振平面中施加动态剪应力cy等于公式(0)的结果:相应的剪应变ycy按公式(1): cy = Zsv U Ycv = cy Vs C 10 ) . C 11 ) 相应的,质点速度U的膨胀波在传播方向上的法向应力cy和法向应变cy分别按公式(2)和公式(3): cy = Zpv U 二二一cy Vp C 12 ) C 13 ) 公式OO)公式(3)仅适用于一个方向传播的单个基波分
10、量。在驻波、表面波和界面波等多个波分量相互作用的情况下,需要考虑叠加效应,不能简单的应用上述关系式。在基本平面波分量的方向上以单个频率传播的平均机械功率通量密度p,单位为瓦每平方米CW/m勺,按公式(4): 6 P=;zv 式中:Z 波的大地比阻抗,单位为帕秒每米CPa.s) / mJ ; 一一波的单个频率分量的质点速度幅值,单位为米每秒Cm/s)。相应地,对于宽带振动传播,功率通量谱密度Spp按公式(5): C 14 ) G/T 33521.32-2021/ISO/TS 14837-32: 20 15 S川=tA(f). ( 15 ) 式中:S vv (/)一一波在大地振动传播过程中质点速度
11、的功率谱密度函数,单位为平方米每二次方秒赫 m2/(s2 0 Hz)J ; Spp (/) 单位为瓦每平方米赫(Wom2)/HzJ。对于质点速度均方根值为VRMS的宽带振动,总功率通量Ptot为:Ptot=士灿的( 16 ) 式中,P川单位为瓦每平方米(W / m 2 ) , V RMS单位为米每秒(m/s)。轨道系统振动属于瞬态和时变振动。当涉及质点速度、应变、应力和功率的典型值时,GB/ T 33521.1-2017的7.4给出的运行均方根时域振幅或运行频谱值的形式可能最相关。此外根据经验,1s运行时间窗分析得到的典型值可以用来评估岩土材料的动态性能。针对1Hz左右的低频,需要较长积分时间
12、,通常为3s5 s。然而此时宜小心,确保信号低频部分在这段时间内足够稳定。严格来说,上述公式仅适用于平面波。然而,它们能用来近似模拟轨道系统引起的地面诱导结构噪声和地传振动的真实波。只有在靠近振源(即近场)等特殊情况下,可能需要考虑球面波理论。近场效应将在5.5中进一步讨论。注2:关于球面波理论,见参考文献90J。5.3 材料损耗和非线性对于轨道系统引起的地面诱导结构噪声和地传振动,岩土材料动应变大多在线性范围内。然而,即使在小应变下,岩土材料仍会出现一定程度的能量损耗,体现为少量的衰减。只有靠近轨道结构动荷载源、轨道附近、陡边缘以及不连续的位置,才能出现较大的动应变。当列车速度等于大地瑞利波
13、波速(自界列车速度)和大于大地瑞利波波速时,即跨瑞利波波速,可能出现过大的轨道和大地振动,此时应变值很大,在仿真、分析和缓解措施的研究过程中需要考虑非线性t叫。研究地面诱导结构噪声和地传振动时,采用粘弹性模型(Kelvin-Voigt模型)和材料损耗因子?既方便又具有足够精度。可定义按公式(17): 式中:1 6W 币2WW 一一迟滞环(加载周期)中的势能,单位为焦(J); 6W 一个加载周期中的能量损失,单位为焦(J)。如图3所示,材料损耗因子量化了振动波通过的每个加载周期能量损耗。. ( 17 ) 7 GB/T 33521.32-2021/ISO/TS 14837-32: 20 15 2
14、AW a) 迟滞阻尼比定义与=/2= -;- 4W 说明:1一一周期内峰值势量,W;2 一个周期内的能量耗散,6W;Yl 线性范围内应变幅值,即非常小的应变;Y b) Gmax和Gsec定义Y2一一非线性弹性范围内或更大的应变幅值(应变范围的定义见图8和图10)。注:椭圆形迟滞环适用于具有清晰边界的迟滞阻尼或摩擦特性的粘性阻尼。图3岩土材料的迟滞阻尼定义Y 对剪切波和膨胀波,材料损耗因子可以采取不同值,分别为平s和平p。地震学、地质学等其他学科通过材料品质因子Q描述岩土材料的损耗特性。材料品质因子Q和材料损耗因子?关系如下:Q =l.HH-. ( 18 ) 守在土动力学和岩土地震工程文献中叫,
15、岩土材料兑迟滞损耗通常被定义为阻尼比或阻尼系数。注1:土动力学和岩土地震工程文献中使用的阻尼比或阻尼系数通常表示为,与材料损耗因子?相似,同样用迟6W 滞环的能量损耗来定义。然而,阻尼比定义为=一一一,即=/2。文中提到的阻尼比5是材料的迟滞4W 属性,不应该与SDOF力学系统中的iI面界阻尼(阻尼比)S tl昆淆。临界阻尼的定义为s= C/ C = C/ (2),其中C、Ccc,k和m分别是SDOF系统的阻尼常数、临界阻尼常数、弹簧系数和质量常数。在SDOF系统中,当激励频率提高时,相合的弹簧和阻尼器将运用增大6W/W的迟滞环,相应增大。然而,当且仅当激励频率等于系统固有频率时,从该迟滞环的
16、6W/W确定的迟滞阻尼比5才在数值上与C,k和m确定的系统的临界阻尼C相同。岩土材料的损耗特性具有摩擦和迟滞阻尼性质(轻微非线性),而非粘性,因此对频率几乎不敏感。为了模拟迟滞损耗特性并同时保持线性粘弹性公式的方便性,引人与频率成反比的粘度参数。这消除了粘弹性材料固有的频率相关性,而迟滞材料特性不具有频率相关性。这种损耗形式通常被称为线性滞回叫。采用Kelvin-Voigt公式,得到复刚度模量为:a) 膨胀波的复侧限模量M兴:M拎=MC1十ir; p ) ,( 19 ) b) 剪切波的复剪切模量G讲:G赘=GC1十i可s),( 20 ) 8 G/T 33521.32-2021/ISO/TS 1
17、4837-32: 20 15 式中:i=。复模量也导致复波速和复波数。当用复数模量替代传统的实数模量时,上述的所有波传播公式都是适用的。注2:复波速和相应的复波数可分别表示为V祷=V1+iV2和=走1+iL。这里走2是表示波随传播距离的损耗衰减(阻尼),与材料损耗因子的关系如一旦.IJ!可-其中V是肢的传播速度。参考文献yV叮20+币2) 20J和91J中详细介绍了复波速和复波数。振动波从距离R。传播到R时,岩土材料损耗因子对振动波衰减的作用能按公式(21)表示:e一(R-Ro)(21 ) 通常被认为是与现场和位置相匹配的经验因子。然而,基于复模量和复波数,因子与距离衰减因子D的关系能按公式(
18、22)表示:e CR-Ro) =e-ZJDCR-RO)/V =e-2CR-Ro)/;( 22 ) 式中:V一一波传播速度,单位为米每秒(m/s); f 频率,单位为赫(Hz); A 相应的波长,单位为米(m); D一一与损耗有关的距离衰减因子。对于低损耗因子.D能近似为D=r;/2.只要?低于约0.3.该近似即可成立,图4给出了两者间的精确关系。差值R-R。是所讨论的波的实际传播距离。从公式(22)能看出,振动波在传递过程中每个波长距离的损耗衰减率为常数。注3:D和平之间的精确关系如下:卜川71。该公式对于任何损耗因子都是有效的,图4绘出了两者I 20 +2 ) 的关系。从该公式可以看出, D
19、不可能超过0.35。y 0.6 0.4 / 0.2 0.2 0.4 说明:X 迟滞阻尼比,;Y一一距离衰减,D。注:数字需要乘以100以给出阻尼值的百分数。/ / / / / / / 0.6 0.8 X 图4与损耗相关的距离衰减D和迟滞阻尼比g9 GB/T 33521.32-2021/ISO/TS 14837-32: 20 15 5.4 大地的几何效应、分层和横向变异性在地面诱导结构噪声和地传振动随距离增加的衰减中,几何效应的影响通常超过士体自身损耗的影响,特别是低频时。基本的几何效应通常称为辐射衰减、距离衰减或几何衰减,是由于波在远离信号源传播扩散开时,波能量分布在越来越大的表面上。这导致传
20、播距离越远,振动波功率密度越小,振动幅值也随之减小。大体上,当能量以波的形式从点振源向各向同性均匀介质远处传播时,几何衰减导致基本体波幅值的降低与传播距离呈正比。材料损耗机理更进一步加剧了波能的衰减。洼1:尽管几何衰减更常用,有时也用阻尼或辐射阻尼。对于均匀弹性半空间体,除了两个基本体波外,还存在一种表面波。表面波也叫瑞利波,在相同材料中,瑞利波波速VR略低于剪切波波速Vs0 VR/VS的比值取决于泊松比,介于0.870.96之间。图5绘制了VR/VS和Vp/Vs与泊松比的关系。瑞利波沿自由表面传播,质点运动轨迹为逆向椭圆形,随着深度的增加而逐渐消失。大多数瑞利波仅在大约一个波长深的地层中传播
21、。这意味着在半空间中,低频比高频的波渗透更深。来自点振源的瑞利波波能沿圆柱形表面而非球形表面传播。因此,这种几何能量传播导致瑞利波的振幅衰减与距离的平方根成正比。Y 3 2 一 一一一一一一一一一一-Y一。O 0.1 0.2 0.3 0.4 0. 5 X 说明:1 剪切波(S波); 2-P波;3 瑞利波;X 泊松比;Y 波传播速度相对于剪切波波速归一化。图5瑞利波和P波波速与剪切波波速归一化比值与泊松比关系在许多情况下,表面波对轨道系统的地面诱导结构噪声和地传振动是至关重要的。首先,来自面振源的大部分能量转换为表面波;其次,表面波的距离衰减比体波小,因此传播距离越远表面波越占主导。对于均匀半空
22、间,包含几何衰减和材料损耗衰减的总距离衰减能用公式(23)表示: =(生)e . ( 23 ) 注2:衰减因子与材料损耗因子、频率、波类型以及波速的关系见5.3所述。在公式(23)中,川和U分别是距离振源Ro和R处的振动质点速度。对于均匀半空间,介质中体波(p波和S波)的指数为L表面瑞利波的指数为0.5,对于体波表面响应的指数n为2。公式(23)中10 G/T 33521.32-2021/ISO/TS 14837-32: 20 15 第一项表示几何衰减,对于所有频率都是相同的。第二项如前所述表示损耗衰减,高频损耗衰减大于低频。从本质上讲,公式(23)仅适用于振动传播由单一波型控制的区域。如果来
23、自隧道的传播由体波主导,则R-R。项是斜线距离。另一方面,如果传播由表面波主导,则R-R。是沿表面的距离。然而公式(23)在用于实际情况时已经进行了大量简化。除了近场效应之外,实际大地的分层和不均匀性均可能与该公式的预测结果有严重的矛盾。实际大地比均匀半空间要复杂得多。大地是几何分层的,层与层之间,士体与士体之间,材料组成和属性各不相同,在横向和垂直方向不均匀,并且通常各向异性。在这种条件下,表面波表现为弥散波并呈现出多种波类型。弥散波传播速度具有频率和波长依赖性。弥散现象导致多种波形和不同模态出现在层问界面并沿该界面在层内传播。上述不同种类波型存在的程度、携带多少波的能量以及他们是如何衰减的
24、,取决于频率和波长。当振动波传递至倾斜地层、相邻地层界面或岩石接缝处时,能量可能发生散射。因此,不同频率的振动,特别是地面诱导结构噪声和地传振动,在实际大地中传播和衰减特性可能是大不相同的。如果大地层理以及岩土材料的基本动态性能是已知的,那么这种复杂介质中的波传播在某种程度上能通过计算工具进行建模。然而,为保证理论模型可解,建模过程通常需要以可控的方式做大量简化。在这方面需要注意,实际中地层边界是模糊的,并且可能起伏和倾斜,这些特征能对通过大地传播的波的共振特性和波导能力产生影响,表现为过大的附加阻尼,而这些因素在理想化的计算模型中能被忽略。因此如果这些影响未得到充分考虑,可能会使模型对振动传
25、递效率产生高估。在大多数情况下,基于轮轨关系的列车和电车的长度比线路至所关注建筑物的距离长。而列车各个振源之间基本上不相干。因此,列车既不能视作为相干的线振源,也不能视作为点振源,而应视为一系列不相干的离散振源。对于沿着线路方向的离散点振源,导致产生相干振动的距离,低频比高频更长。5.5 近场效应靠近振源或靠近主波的反射面时,存在一个近场,此处波的模式比较远地方更复杂。在近场,剪切波和膨胀波无法分离,表现为一个合成波。离开振源的距离超过约三个波长后,近场逐渐转变成远场。因此当频率低时,近场范围可能很大。在近场中振幅随距离衰减不是单调的,即使是在均匀大地条件下,近场中传递的波仍然比在远场中更加不
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