Jump to content

Критическая скорость насыпи

Скорость движения увеличивается сверху вниз. При движении транспортных средств с критической скоростью возникает серьезный резонанс вокруг грузов.
В железнодорожном машиностроении увеличение скорости движущегося транспорта приводит к серьезному резонансу из-за воздействия критической скорости насыпи. (На этом рисунке показаны контуры смещения)

Критическая скорость насыпи или критическая скорость в транспортной технике - это значение скорости движущегося вверх транспортного средства, которое вызывает сильную вибрацию насыпи и близлежащей земли. Эта концепция и метод прогнозирования были предложены учеными, работающими в сфере гражданского строительства , до 1980 года. [ 1 ] [ 2 ] и подчеркнуто и исчерпывающе изучено Крыловым в 1994 г. [ 3 ] основано на методе функции Грина и более точно предсказано с использованием других методов в дальнейшем. Когда транспортные средства, такие как высокоскоростные поезда или самолеты, движутся со скоростью, приближающейся к этой критической скорости или превышающей ее (сначала рассматриваемую как скорость волны Рэлея, а затем полученную путем сложных расчетов или испытаний), величина вибрации транспортных средств и близлежащей земли быстро увеличивается и, возможно, приводит к ущерб нанесен пассажирам и соседним жителям. Это неожиданное явление получило название « бум вибрации грунта» и началось в 1997 году, когда оно впервые наблюдалось в Швеции. [ 4 ]

Эта критическая скорость аналогична скорости звука, которая приводит к звуковому удару . Однако существуют некоторые различия с точки зрения среды передачи. Критическая скорость звука меняется лишь в небольшом диапазоне, хотя на критическую скорость влияют качество воздуха и взаимодействие полета струи с атмосферой. Но насыпь, включая слои насыпи и грунтовую почву под поверхностью, представляет собой типично случайную среду. [ 5 ] Такая сложная вибрационная система связи грунт-конструкция может иметь несколько критических значений скорости. Поэтому критическая скорость насыпи относится к общему понятию, значение которого не является постоянным и должно быть получено расчетным или экспериментальным путем в соответствии с некоторыми современными технологиями. [ 6 ]

Механизм

[ редактировать ]

Волновая суперпозиция

[ редактировать ]

При идеальных предположениях, когда движущиеся нагрузки воздействуют на поверхность насыпи, они вызывают субволны, которые распространяются внутри и вдоль поверхности насыпи. Если скорость движущихся грузов меньше скорости распространения волн, которыми могут быть объемные или поверхностные волны, то транспортные средства движутся медленнее, чем распространяющиеся волны, и гребни волн на поверхности насыпи вообще не пересекаются. [ 7 ] Поэтому суперпозиции волн не происходит. Вибрация насыпи и транспортных средств на этом этапе изменяется в небольшом диапазоне.

Поскольку механизм критической скорости звука и критической скорости насыпи аналогичен, эта цифра взята из статьи о звуковом ударе.
Процесс достижения критической скорости. Существует явное отставание между движущейся точкой и волновым фронтом , когда скорость движения равна критической скорости.

И наоборот, когда рабочая скорость транспортных средств превышает критическую скорость, транспортные средства постепенно движутся быстрее и неизбежно двигаются с критической скоростью. В этот момент все гребни распространяющихся волн совпадают в положении приложения нагрузок или контакта колес с конструкцией, что приводит к серьезной вибрации вокруг транспортных средств из-за наложения волн. [ 8 ] (Явление показано на схематическом рисунке справа)

С этой точки зрения критическая скорость насыпи равна доминирующему значению скорости распространения волн.

Структурный резонанс

[ редактировать ]

В реальности и практическом применении скорость распространения субволн по-прежнему связана с их частотными составляющими. Суммарная вибрация состоит из бесконечных волновых составляющих с разными частотами, величина каждой субволны меняется в зависимости от скорости волны и скорости движения разных транспортных средств, заставляя разную часть субволн колебаться максимально.

Получение критической скорости насыпи аналогично поиску резонансных частот системы с несколькими степенями свободы . [ 9 ] Существует много порядков частот, и первые несколько из них могут вызвать серьезные вибрации конструкции. Когда транспортное средство движется с критической скоростью насыпи относительно конструкции насыпи, частота возбуждения располагается очень близко к резонансным частотам большинства распространяющихся волн в конструкции связи транспортного средства с насыпью. [ 10 ] При этом скорость движения транспортных средств совпадает с большинством субволн. Подробное определение осуществляется путем дисперсионного анализа всей структуры и проиллюстрировано в следующих разделах.

Преобладающие частоты вибрации, вызванной критической скоростью насыпи, определяются в соответствии с конкретной конфигурацией инженерного сооружения. Например, нагрузки движущихся железнодорожных перегонов передаются с колес через сварные рельсы-шпалы на насыпь. Прерывистые шпалы под движущимися колесами способствуют распространению циклических нагрузок на насыпь на низких частотах. [ 11 ]

Ненормальная вибрация

[ редактировать ]

По сравнению со сценариями с относительно низкой скоростью, величина и диапазон вибрации высокоскоростной линии увеличиваются. Очевидно, что конструкция пути или дорожного покрытия и насыпи будут разрушаться быстрее, так как циклические нагрузки действуют неоднократно в период эксплуатации. Что еще более важно, обычно пренебрегают тем, что вибрация самого транспортного средства усиливается при достижении критической скорости, особенно в зоне взаимодействия колес с рельсом. [ 3 ] Столь высокий уровень локальной вибрации, очевидно, также может привести к увеличению риска схода всего транспортного средства с рельсов. Это настоящая причина, почему критическая скорость насыпи имеет большое значение.

Низкочастотный шум

[ редактировать ]

Помимо вибрации, излучение низкочастотных шумов, создаваемых транспортными средствами, движущимися с критической скоростью, передается на очень большие расстояния в жилой район. Мирные жители, живущие вблизи линии, могут переносить низкочастотные шумы в течение более миллионов циклов, что, вероятно, вызывает у людей раздражение, нервозность и бессонницу, а также приводит к резонансу человеческих органов. Это воздействие на человека до сих пор игнорируется в процессе инженерного проектирования и требует исследования повреждений от низкочастотного шума. [ 12 ]

Расчет точной критической скорости насыпи новой линии по-прежнему затруднен и должен быть подтвержден многочисленными экспериментами на практике. Однако выполнение аналитического или численного моделирования, даже самого простого, дает много информации о качественных изменениях типичных линий, например, выявляет потенциальные проблемы при проектировании насыпей и путевых сооружений или способы снижения воздействия критической скорости. [ 13 ] По мере быстрого развития HPC постепенно становится возможным прогнозировать возможную критическую скорость насыпи с помощью численных методов до строительства линий.

Модель упругой фундаментной балки

[ редактировать ]
Балка на упругом основании, равновесие элемента.

В низкочастотном диапазоне (ниже 100 Гц, ниже доминирующих частот насыпных наводнений). [ 14 ] ), критическую скорость насыпи разумно получить с помощью теории балки на упругом основании. [ 15 ] На основе теории упругости , Динамическое уравнение балки Эйлера на упругом основании под действием движущейся точечной нагрузки со скоростью демонстрирует вертикальное отклонение пути и шпал

Здесь, , , и представляют свойства материала, связанные с путевой структурой и основанием соответственно. функция Дирака, определяющая расположение точечной нагрузки . Решение приведенного выше уравнения получается как [ 16 ]

Где представляет собой соотношение, представляющее механическую разницу между гусеницей и фундаментом. и – безразмерный параметр, связанный с минимальной скоростью изгибных волн пучка Эйлера соответственно, которые записываются как [ 17 ]

Когда скорость движущихся транспортных средств приближается к минимальной скорости

Поэтому минимальная фазовая скорость изгибных волн рассматривается как критическая скорость насыпи в модели упругой балки фундамента. Тем не менее, эта модель оправдана для сценариев, когда жесткость транспортных средств и путевой конструкции превышает жесткость насыпи. Взаимодействие грунта и конструкции и размерный эффект пространства являются ключевыми факторами для общих случаев.

Модель упругой балки полупространства

[ редактировать ]

Если на вершину полупространства нет луча, критическая скорость его равна скорости волны Рэлея в соответствии с теорией упругости , которая меньше, чем скорость других двух типов объемных волн. Кроме того, принимая во внимание вышеуказанный пучок и его SSI, увеличивается количество факторов, связанных с критической скоростью. Динамические основные уравнения упругого полупространства и балки соответственно имеют вид [ 18 ]

Бесконечная балка в упругом полупространстве.

где , константы Ламе , представляет собой контактирующие силы между полупространством и балкой. Граничные условия предполагают, что контактирующая поверхность идеально гладкая.

На основе разложения упругих потенциалов и интегрального преобразования можно получить реакцию вертикального смещения поверхности полупространства.

При этом – волновое число в соответствующем направлении. представляет собой ширину луча. – частично преобразованная величина вертикального смещения поверхности полупространства

Поэтому подставьте выражение вертикального смещения в приведенное выше, интегральное выражение, связанное с ним в области частотно-волновых чисел, равно

Приведенное выше уравнение демонстрирует вибрацию балки и полупространства соответственно. Перепишите его, чтобы упростить

Первый срок в приведенном выше уравнении является дисперсионное уравнение луча, в этой модели оно имеет простой вид . Второй срок представляет отношение полупространства.

Чтобы проанализировать критическую скорость этой соединительной конструкции, необходима ее эквивалентная жесткость, связанная с традиционным основанием Винклера в области Фурье. В фонде Винклера последнее приведенное выше уравнение имеет следующую форму: [ 18 ]

Таким образом, эквивалентная жесткость полупространства этой модели SSI по отношению к фундаменту Винкера равна , это пишется как [ 19 ]

Приведенное выше уравнение имеет очень сложную форму, обычно для его замены при практическом применении используется приближенная форма. Критическая скорость определяется путем решения совместных уравнений с моделью балки.

Критическая скорость приблизительное уравнение при коэффициенте Пуассона в пределах от 0,2 до 0,38 составляет [ 19 ]

Согласно этому уравнению, в модели такого типа существуют два критических значения скорости. Одна из них меньше скорости волны Рэлея, а другая равна ей. Перспективные исследования показывают, что если принять во внимание периодические опоры, то существует ряд критических значений скорости упругого полупространства. [ 2 ]

Модель многослойной упругой балки полупространства

[ редактировать ]

Верхняя часть насыпи состоит из множества слоистых конструкций, таких как пути, балласты или плиты и фундаменты с различными свойствами материалов. более сложный анализ критической скорости многослойной или неоднородной Поэтому для практического применения необходим структуры. Критическая скорость может быть определена в соответствии с соотношением дисперсии каждой части. Радиальные и вертикальные поверхностные напряжения и смещения слоистого полупространства в частотно-волновой области, полученные методом Томпсона – Хаскелла, равны [ 20 ]

Здесь, представляет матрицу жесткости всей модели. Согласно правилу Крамера , если смещения в частотной области существуют, определитель должно быть равно нулю [ 10 ]

Дисперсионные диаграммы путевой структуры и фундамента. Точка пересечения показывает местоположение резонансной частоты , наклон которой (в данном случае 98,5 м/с) показывает критическую постоянную скорость насыпи .

Решив ее, кривая дисперсии поверхности упругого слоистого фундамента имеет вид ниже

Первое уравнение объясняет изменение горизонтального поперечного смещения, вызванное волнами SH . Второй связан с волнами P SV . Исследование показывает, что кривые дисперсионных волн SH, P-SV распределяются среди кривых поверхностной волны Рэлея и поперечной волны полупространства, которые являются недисперсионными волнами. [ 10 ]

Учитывая дисперсионное соотношение структуры пути, можно получить более точные результаты. Например, дисперсионное уравнение типичной плиты записывается как функция волнового числа. и радиальная частота

Точки пересечения кривых дисперсии компонентов конструкции связаны с критической скоростью насыпи. Значения скорости можно получить согласно определению волнового числа. [ 21 ]

При этом представляет частоту возбуждения движущихся нагрузок. означает разные направления движения.

смягчение последствий

[ редактировать ]
В корпусе используется процесс глубокого перемешивания грунта, при котором глина, бентонит и цемент смешиваются с существующим грунтом для повышения жесткости.

Для инженерного проектирования повышение критической скорости насыпи до более высокого значения по сравнению с рабочей скоростью является консервативным способом защиты безопасности пассажиров. Поскольку проблемы, связанные с критической скоростью насыпи, возникают после многолетней эксплуатации линий, меры по смягчению последствий играют важную роль для отремонтированных и новых линий с высокоскоростными движущимися транспортными средствами. [ 22 ] Учитывая удобство строительства, смягчающие меры сосредоточены на участках вблизи набережной для новых линий и на прилегающей территории для отремонтированных линий. Однако первые, активные, более эффективны по сравнению со вторыми, а именно пассивными мерами.

Меры по отношению к набережной

[ редактировать ]

Скорость распространения волны внутри объектов в основном зависит от показателя жесткости, а именно . Таким образом, критическую скорость насыпи можно, очевидно, повысить с помощью таких методов укрепления грунта, как свайный фундамент , цементация , сухое глубокое перемешивание и т. д. Знаменитая шведская железнодорожная линия, по которой проходят поезда X2, изначально проектировалась с использованием обычных методов строительства. Однако из-за мягкости верхнего слоя глины уровень вибрации, создаваемой поездами X2, был в несколько раз выше, чем у обычных поездов. Мерой по смягчению последствий, принятой в производственном секторе Банверкет, был метод сухого глубокого перемешивания. После установки всего было изготовлено 12 пробных колонн на специальном связующем длиной около 8 метров в течение 2 недель. После проведения мероприятий уровень вибрации был снижен до приемлемого значения. [ 23 ]

Помимо мероприятий внутри насыпи, инженеры обычно устанавливают демпферные опоры под рельсовыми подушками, чтобы изолировать вибрацию, передаваемую от колес вниз. Другой распространенный метод ослабления передачи вибрации — строительство изолирующей траншеи с заполнением или без заполнения пористыми материалами, такими как пенополистирол . [ 24 ]

Меры в отношении близлежащей территории

[ редактировать ]
Разница между результатами двух видов изоляции стен.
Типичная демпферная опора, используемая для изоляции вибрации конструкции.

Вибрация, передаваемая в дальнюю область, относится к низкочастотным. [ 21 ] здания устанавливаются демпфирующие опоры, Для чувствительных архитектур, таких как музеи, лаборатории и т. д., под фундамент чтобы уменьшить дополнительную вибрацию. Поскольку величину этого вида вибрации нелегко уменьшить, меры по смягчению принимаются в основном для снижения уровня шума. Самый распространенный способ – установка шумоизоляционной стены вблизи границ линий, где из-за эффекта отражения может измениться направление звуковой волны. [ 25 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Генин, Дж.; Чунг, Ю.И. (ноябрь 1979 г.). «Реакция непрерывной направляющей на равноотстоящих друг от друга опорах, по которым движется движущееся транспортное средство» . Журнал звука и вибрации . 67 (2): 245–251. Бибкод : 1979JSV....67..245G . дои : 10.1016/0022-460x(79)90487-5 . ISSN   0022-460X .
  2. ^ Jump up to: а б Жезекель, Л. (декабрь 1980 г.). «Анализ критических скоростей движущегося груза на бесконечной периодически опертой балке» . Журнал звука и вибрации . 73 (4): 606–609. Бибкод : 1980JSV....73..606J . дои : 10.1016/0022-460x(80)90674-4 . ISSN   0022-460X .
  3. ^ Jump up to: а б Крылов В.В. (май 1994 г.). «К теории железнодорожных колебаний грунта» . Le Journal de Physique IV . 04 (C5): C5–769-C5-772. дои : 10.1051/jp4:19945167 . ISSN   1155-4339 . S2CID   27030238 .
  4. ^ Мадшус, К. (1998). Динамика грунта и техногенные процессы: прогнозирование, проектирование и управление . дои : 10.1680/gdamp.26766 . ISBN  978-0-7277-2676-6 .
  5. ^ Стивен Марк, Крисмер (сентябрь 2015 г.). Железнодорожная геотехника . CRC Press/Taylor & Francisco Group. ISBN  9781482288803 .
  6. ^ Курусси, Г.; Коннолли, ДП; Верлинден, О. (3 апреля 2014 г.). «Вибрации грунта, вызванные железной дорогой – обзор воздействия транспортных средств» . Международный журнал железнодорожного транспорта . 2 (2): 69–110. дои : 10.1080/23248378.2014.897791 . ISSN   2324-8378 . S2CID   485600 .
  7. ^ Крылов, В (2019). Вибрации грунта от высокоскоростных железных дорог . Издательство ICE. стр. 97–152. ISBN  978-0-7277-6380-8 . OCLC   1130022282 .
  8. ^ Межер, Сара Б.; Коннолли, Дэвид П.; Вудворд, Питер К.; Лагруш, Омар; Помбо, Жоао; Коста, Педро Алвес (март 2016 г.). «Критическая скорость на железных дорогах – Аналитическое прогнозирование и анализ» . Транспортная геотехника . 6 : 84–96. Бибкод : 2016TranG...6...84M . дои : 10.1016/j.trgeo.2015.09.002 . ISSN   2214-3912 .
  9. ^ Лей, Сяоянь (2022). «Динамика высокоскоростного железнодорожного пути» . Достижения в области высокоскоростных железнодорожных технологий . дои : 10.1007/978-981-16-4593-8 . ISBN  978-981-16-4592-1 . ISSN   2363-5010 .
  10. ^ Jump up to: а б с Ся, Хэ; Чжан, Нань; Го, Вэйвэй (2018). «Динамическое взаимодействие поездно-мостовых систем на высокоскоростных железных дорогах» . Достижения в области высокоскоростных железнодорожных технологий . дои : 10.1007/978-3-662-54871-4 . ISBN  978-3-662-54869-1 . ISSN   2363-5010 .
  11. ^ Коннолли, ДП; Курусси, Г.; Лагруш, О.; Хо, CL; Форд, MC (сентябрь 2015 г.). «Анализ железнодорожных вибраций – влияние путей, транспортных средств, грунта и зданий» . Строительство и строительные материалы . 92 : 64–81. doi : 10.1016/j.conbuildmat.2014.07.042 . hdl : 20.500.11820/2818c13d-0080-4ff0-b810-c5f14bb8db0d . ISSN   0950-0618 .
  12. ^ Уэй, КП (2011), «Влияние низкочастотного шума и вибраций: экологические и профессиональные перспективы» , Энциклопедия гигиены окружающей среды , Elsevier, стр. 240–253, doi : 10.1016/b978-0-444-52272-6.00245-2 , ISBN  978-0-444-52272-6 , получено 28 июня 2022 г.
  13. ^ Коннолли, Дэвид П.; Марецкий, Гжегож П.; Курусси, Жорж; Талассинакис, Иоаннис; Вудворд, Питер К. (октябрь 2016 г.). «Рост проблем вибрации грунта на железных дорогах — обзор» . Наука об общей окружающей среде . 568 : 1276–1282. Бибкод : 2016ScTEn.568.1276C . doi : 10.1016/j.scitotenv.2015.09.101 . ISSN   0048-9697 . ПМИД   26493344 .
  14. ^ Курусси, Г; Верлинден, О; Конти, К. (06 октября 2011 г.). «Двухэтапное временное моделирование колебаний грунта, вызванных железнодорожным движением» . Труды Института инженеров-механиков, Часть C: Журнал машиностроительной науки . 226 (2): 454–472. дои : 10.1177/0954406211414483 . ISSN   0954-4062 . S2CID   108955611 .
  15. ^ Грасси, СЛ; Грегори, RW; Харрисон, Д.; Джонсон, КЛ (1982). «Динамическая реакция железнодорожного пути на высокочастотное вертикальное возбуждение» . Журнал машиностроительной науки . 24 (2): 77–90. doi : 10.1243/jmes_jour_1982_024_016_02 . ISSN   0022-2542 .
  16. ^ Крылов, Виктор; Фергюсон, Колин (1994). «Расчет низкочастотных колебаний грунта от железнодорожных поездов» . Прикладная акустика . 42 (3): 199–213. дои : 10.1016/0003-682x(94)90109-0 . ISSN   0003-682X .
  17. ^ Дойл, Джеймс Ф. (20 июня 1997 г.). Спектральный анализ распространения волн в конструкциях с использованием быстрых дискретных преобразований Фурье . Спрингер. ISBN  0-387-94940-2 . OCLC   636610063 .
  18. ^ Jump up to: а б Хуанг, Ян Х. (2003). Анализ и проектирование дорожного покрытия (2-е изд.). Пирсон. ISBN  9780131424739 .
  19. ^ Jump up to: а б Дитерман, штат Калифорния; Метрикин, А. (1 января 1996 г.). «Эквивалентная жесткость полупространства, взаимодействующего с балкой. Критические скорости груза, движущегося вдоль балки» . Европейский журнал механики, A/Solids . 15 (1): 67–90. ISSN   0997-7538 .
  20. ^ Шэн, X.; Джонс, CJC; Петит, М. (август 1999 г.). «Вибрация грунта, создаваемая гармонической нагрузкой, действующей на железнодорожный путь» . Журнал звука и вибрации . 225 (1): 3–28. Бибкод : 1999JSV...225....3S . дои : 10.1006/jsvi.1999.2232 .
  21. ^ Jump up to: а б Он, Ся; Кальсада, Руи (2013). Вибрации окружающей среды, вызванные дорожным движением, и средства контроля: теория и применение . новая звезда. ISBN  978-1-62618-240-0 . OCLC   832284798 .
  22. ^ Уакка, Слиман; Верлинден, Оливье; Курусси, Жорж (08 января 2022 г.). «Вибрация на железнодорожном транспорте и меры по снижению ее воздействия: сравнение лучших практик» . Железнодорожная инженерия . 30 (1): 1–22. дои : 10.1007/s40534-021-00264-9 . ISSN   2662-4745 . S2CID   245813835 .
  23. ^ Такемия, Х. (январь 2001 г.). «12. Вибрации грунта вдоль путей, вызываемые высокоскоростными поездами: прогнозирование и смягчение». Шум и вибрация от высокоскоростных поездов . Издательство Томаса Телфорда. стр. 347–393. дои : 10.1680/navfht.29637.0012 . ISBN  0-7277-3831-3 .
  24. ^ Ломберт, Г.; Дегранде, Г.; Франсуа, С.; Томпсон, DJ (2015), Наземная вибрация, вызванная железнодорожным движением: обзор механизмов возбуждения, методов прогнозирования и мер по смягчению последствий , Заметки по численной механике жидкости и междисциплинарному проектированию, том. 126, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 253–287, doi : 10.1007/978-3-662-44832-8_33 , ISBN  978-3-662-44831-1 , получено 30 июня 2022 г.
  25. ^ Юн, Джин Ён; Пё, Сухун (31 марта 2019 г.). «Обзор мер по снижению шума при перекатии железной дороги с точки зрения инфраструктуры» . Международный журнал железных дорог . 12 (1): 1–9. дои : 10.7782/ijr.2019.12.1.001 . ISSN   1976-9067 . S2CID   197953017 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ce9e0703f976b6f6559782b706e223b3__1705762260
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ce/b3/ce9e0703f976b6f6559782b706e223b3.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Critical embankment velocity - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)