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Rapports scientifiques volume 14, Numéro d'article : 19093 (2024 ) Citer cet article Moulé en caoutchouc
Détails des métriques
Pour étudier l'effet d'isolation vibratoire des murs antivibratoires composites sur les vibrations de surface dans les tunnels profonds des chemins de fer de banlieue sous divers facteurs d'influence, un modèle numérique intégré du train a été initialement développé. Ce modèle a résolu la force d'interaction roue-rail et a été appliqué à un modèle de couplage volumique tridimensionnel du sol de la voie. Par la suite, la fiabilité du modèle a été validée par comparaison avec les données mesurées. Ensuite, les effets d'isolation contre les vibrations de divers types de murs d'isolation contre les vibrations en matériau EPS ont été examinés, en mettant l'accent sur l'exploration de l'impact de l'épaisseur, de la proportion de matériau et du positionnement relatif des matériaux dans le mur d'isolation contre les vibrations composé de matériau EPS et de béton. La recherche indique qu'avec une augmentation de la profondeur d'enfouissement d'un mur d'isolation antivibratoire mono-matériau, sa plage de fréquences d'isolation vibratoire efficace s'élargit progressivement. Lorsque la profondeur d'enfouissement du mur d'isolation vibratoire dépasse la profondeur d'enfouissement du tunnel, l'effet d'isolation vibratoire est optimal. Les murs antivibratoires composites, avec des épaisseurs inférieures à celles des murs antivibratoires mono-matériau, présentent des effets d'isolation vibratoire supérieurs par rapport à leurs homologues mono-matériau. La bande de fréquence efficace d’isolation contre les vibrations des murs d’isolation contre les vibrations composites diffère de celle des murs d’isolation contre les vibrations mono-matériau. L'utilisation du mur d'isolation contre les vibrations de taille optimale constitué d'un seul matériau comme mur d'isolation contre les vibrations composite améliore l'effet d'isolation contre les vibrations de l'accélération maximale dans le domaine fréquentiel de 16,58 % et de la vitesse maximale de 16,95 %. De plus, le déplacement des pics dans le domaine fréquentiel connaît une amélioration de 30,73 % de l’effet d’isolation vibratoire.
Les vibrations générées lors des opérations de transport ferroviaire urbain peuvent nuire aux bâtiments spécialisés et à la fonctionnalité des instruments de précision1,2. Pour résoudre ces problèmes, des mesures d'isolation des vibrations sont généralement mises en œuvre au niveau de la source de vibrations3,5, le long du chemin de propagation6,7,8,9,10 et au niveau de la structure de réception des vibrations11,12. Les mesures d'atténuation mises en œuvre contre les sources de vibrations comprennent des voies à dalles flottantes13 et divers types de ballasts14. Les barrières d'isolation contre les vibrations sont fréquemment utilisées comme mesures d'atténuation des chemins de propagation. Les mesures d’atténuation pour les structures de réception comprennent l’isolation des bases15 et la conception pièce dans pièce16. Les mesures d'atténuation sur le chemin de transmission visent à empêcher les vibrations du sol de se propager de la source à la structure réceptrice en modifiant les caractéristiques dynamiques du chemin de transmission. Cette approche ne nécessite pas de modifier les caractéristiques dynamiques de la source de vibration et des structures réceptrices, évitant ainsi les problèmes de sécurité potentiels à ces endroits qui pourraient découler de telles modifications17.
Sous l’excitation vibratoire provoquée par le métro, les ondes se propagent à travers la couche de sol18,20. Lorsque les ondes élastiques rencontrent une barrière d'isolation vibratoire, des ondes de réflexion et des ondes transmises sont générées à l'interface entre la barrière et le sol en raison de la discontinuité entre les deux milieux différents. Une fois que la vague traverse la barrière, elle réduit l’énergie des vibrations du sol, obtenant ainsi un bon effet d’isolation vibratoire21. Les principaux types de barrières d'isolation contre les vibrations comprennent les tranchées vides/remplies7,22, les barrières murales23,24,25, les barrières sur pieux26,27 et les blocs bloquant les vagues28,29. Les recherches existantes30,31 suggèrent que la méthode d’isolation contre les vibrations la plus efficace est une tranchée vide. Cependant, son applicabilité est limitée en raison de la faible stabilité de la paroi de la tranchée, ce qui la rend réalisable uniquement pour des tranchées peu profondes. Il a été noté que les palplanches ne sont pas aussi efficaces pour atténuer les vibrations que les tranchées32,33. Toygar et al.34 ont observé que les barrières de palplanches réduisaient efficacement les amplitudes de vibration de 44 à 79 % dans la plage de fréquences de 30 à 80 Hz. Néanmoins, les tranchées offrent toujours les meilleures performances d’isolation vibratoire parmi les barrières de palplanches. Les barrières d'isolation contre les vibrations à blocs de vagues présentent des défis tels que des spécifications de construction exigeantes et une inadéquation à certains scénarios de construction. Par conséquent, les barrières murales apparaissent comme l’option optimale pour l’isolation vibratoire dans les tunnels profonds.
Il existe actuellement diverses méthodes d'analyse utilisées pour étudier l'efficacité de l'isolation vibratoire des barrières, notamment des méthodes d'analyse numérique35,36, des méthodes par éléments finis30,37,38,39,40,41,42,43, des tests sur modèles et des expériences sur le terrain44,45, 46,47,48,49. Les analyses théoriques, les modèles et les études expérimentales sur le terrain se limitent généralement à des cas plus simples. En ingénierie pratique, le problème de l’isolation des vibrations est plus complexe. Par conséquent, l’analyse par éléments finis est devenue l’outil de recherche prédominant. Abdul Ahad Faizan et al50 ont utilisé un modèle informatique simplifié pour évaluer l'impact des trains à grande vitesse sur les vibrations environnementales, en étudiant les différences de génération de vibrations et de propagation des ondes dans différents types de sols. Ekanayake et al.51 ont construit un modèle d'éléments finis tridimensionnel pour étudier l'efficacité d'atténuation de divers matériaux de remplissage sur les vibrations du sol. Leurs résultats ont révélé que la géomousse de polystyrène (EPS) présentait la plus grande efficacité parmi les matériaux de remplissage, démontrant une efficacité d'atténuation comparable à celle des tranchées. Sitharam et al.52 ont évalué l'impact des paramètres des fossés vides sur la réduction de l'amplitude des ondes de Rayleigh se propageant dans les fossés vides à l'aide de simulations numériques. Jazebi et al.53 ont effectué une analyse par différences finies sur l'efficacité des barrières en géomousse remplies.
Ces chercheurs emploient tous un seul matériau pour combler la tranchée. Cependant, lorsque le tunnel est profondément enfoui, l’efficacité de l’isolation vibratoire de la tranchée est sous-optimale et les barrières murales sont mieux adaptées à l’isolation vibratoire. Par conséquent, ce plan de recherche utilise une combinaison de méthodes d’analyse numérique et de méthode des éléments finis pour étudier l’efficacité de l’isolation vibratoire des murs composites d’isolation vibratoire sur les vibrations de la surface du sol dans les tunnels profonds des chemins de fer de banlieue. Premièrement, l’étude se concentre sur l’évaluation de l’impact de différents types et tailles de murs d’isolation vibratoire en EPS sur l’efficacité de l’isolation vibratoire afin d’identifier la profondeur d’enfouissement optimale pour ces murs. Par la suite, il étudie comment des facteurs tels que l'épaisseur du mur d'isolation vibratoire, la proportion de matériaux utilisés et la position relative de ces matériaux affectent l'efficacité de l'isolation vibratoire lorsque le matériau EPS et le béton C20 sont utilisés comme murs composites d'isolation vibratoire aux endroits identifiés. .
L'établissement du modèle dans cette étude est divisé en trois étapes. La première étape consiste à créer un modèle numérique du train pour calculer la force d'interaction entre les roues et les rails du train. Dans un deuxième temps, un modèle éléments finis du couplage rail-tunnel-sol est établi. Enfin, la force d'interaction roue-rail calculée est appliquée au modèle d'éléments finis établi lors de la deuxième étape.
Dans le domaine de l’ingénierie parasismique géotechnique, les chercheurs sont depuis longtemps confrontés au défi de gérer les charges des trains. En établissant le modèle numérique du train, nous adoptons la méthode analytique proposée par Wang54 pour calculer la force d'interaction roue-rail du train.
Lors des opérations de routine, les roues et le rail restent en contact. En considérant la continuité des déplacements verticaux entre la roue et le rail, les forces d'interaction roue/rail peuvent être résolues. Le déplacement vertical d'un essieu de roue est composé de la compression du ressort Hertz, des irrégularités roue/rail et de la déformation verticale du rail. Le vecteur collectant tous les déplacements des alxes
dans lequel le vecteur \(\widetilde{{\varvec{Z}}}(\Omega )={\left\{{e}^{i\Omega {a}_{1}/c},{e}^ {i\Omega {a}_{2}/c},...,{e}^{i\Omega {a}_{M}/c}\right\}}^{T}\) représente le rugosité harmonique verticale amplitudes à tous les M points de contact roue/rail du train, et la matrice diagonale \({{\varvec{K}}}_{h}={\text{diag}}({k}_{h1},{ k}_{h2},...,{k}_{hM})\) représente la rigidité de contact Hertz à tous les points de contact roue/rail. Zw représente le déplacement vertical de l'axe de la roue, Zr le déplacement de la voie et Ω représente la fréquence de vibration verticale du train.
Pour obtenir la force d'interaction roue-rail, nous devons d'abord déterminer les valeurs de Zw, Zr, puis les substituer dans la formule (1).
Pour obtenir Zw et Zr, on peut suivre les étapes ci-dessous :
Le vecteur Zv collecte les déplacements de tous les degrés de liberté du véhicule. La matrice B = [0, IT est la matrice de transformation du degré de liberté, avec I la matrice identité. Zw représente le déplacement vertical de l'essieu de la roue. Dans des conditions d'harmoniques verticaux roue/rail inégaux, le véhicule présente une vibration harmonique simple verticale, et l'amplitude du déplacement vertical Zw de l'essieu de roue est déterminée comme suit
dans laquelle la matrice de fonction de transfert du véhicule
et la notion de tilde aérien représente l'amplitude d'une quantité harmonique temporelle.
Selon la théorie des séries de Fourier, toute rugosité aléatoire au niveau du contact roue/rail peut être décomposée en une série de composants de rugosité harmonique. Pour la ième composante avec une amplitude de zi, un nombre d'onde de 2πβ ou une longueur d'onde de 1/(2πβ) = λi, lorsque le train se déplace à une vitesse de c, la fréquence de vibration verticale du train est Ωi = 2πc/λi. La vibration verticale du train génère une série de forces d’interaction roue/rail qui varient harmonieusement avec le temps à tous les points de contact roue/rail. Ces forces peuvent être représentées par
De manière correspondante, excités par les forces de déplacement P(t), les déplacements verticaux de tous les contacts mobiles au niveau du rail sont donnés par
dans laquelle \({{\varvec{H}}}_{R}(\Omega )\) est la matrice de fonction de transfert du système voie-sol aux points de contact roue/rail.
Dans les environnements réels, les vibrations des machines et les perturbations induites par les trains sont inévitables, et la complexité du sol ajoute aux défis de modélisation. Compte tenu de ces facteurs, nous avons formulé plusieurs hypothèses lors de l’établissement du modèle. Nous avons supposé qu'il n'y avait aucune autre source de perturbation pendant l'exploitation du train et nous avons simplifié le sol pour obtenir un état homogène. Bien que ces hypothèses simplifient le modèle, elles contribuent à réduire la complexité de la collecte de données et le grand nombre d'éléments finis requis.
Le domaine de calcul du modèle par éléments finis mesure 200 m de large, 100 m de long et 30 m de profondeur (Fig. 1). Au total, 122 206 éléments tétraédriques tennodés ont été utilisés pour simuler le sol. Le plus petit volume d'éléments à proximité de la piste était de 5,75 e−5 m3, tandis que le plus grand volume d'éléments à la limite du modèle était de 88 m3. Dans ce processus, nous avons considéré un espacement fixe des essieux de 2 m et une longueur de train de 13 m. L'intervalle de temps pour la simulation dynamique a été fixé à 0,005 s, avec une durée totale de simulation de 15 s. Des conditions aux limites viscoélastiques ont été appliquées aux limites du modèle pour minimiser la réflexion des ondes à proximité des limites. Toutes les surfaces, à l'exception de la surface du sol, étaient entièrement contraintes et utilisaient des limites artificielles viscoélastiques pour assurer l'absorption des ondes de contrainte. Les équations sont les suivantes :
où \({\sigma }_{\text{n}}^{0}\) et \({\tau }^{0}\) sont les contraintes statiques normales et tangentielles à la limite de la région principale, respectivement . u et v sont respectivement les déplacements normaux et tangentiels50.
Schéma du modèle éléments finis.
L’équation d’équilibre pour l’ensemble du modèle est la suivante55,56 :
où \([M]\) représente la matrice de masse, \([C]\) représente la matrice d'amortissement, \([K]\) représente la matrice de rigidité et \(\{F(t)\}\) correspond à la charge en fonction du temps. \(\{\ddot{u}\}\) , \(\{\dot{u}\}\) ˙ et \(\{u\}\) sont le vecteur d'accélération, le vecteur de vitesse et le vecteur de déplacement , respectivement. La précision de la matrice d'amortissement \([C]\) est cruciale car elle affecte directement la réponse vibratoire du modèle. Dans l’analyse transitoire des structures géotechniques souterraines, l’amortissement se manifeste principalement par un frottement interne et une dissipation au sein du matériau. Par conséquent, l’amortissement de Rayleigh est couramment utilisé pour calculer la matrice d’amortissement. La théorie de l’amortissement de Rayleigh simplifie la matrice d’amortissement en tant que combinaison linéaire de la matrice de masse et de la matrice de rigidité57.
où \(\alpha \) est le composant d'amortissement visqueux et \(\beta \) est le composant d'amortissement hystérétique ou solide ou rigide. En combinant les équations ci-dessus, les données d'enquête sur le terrain et l'étude d'Ekanayake S.D51, on peut conclure que \(\alpha =2.128\) et \(\beta =4.1e-5\) .
Le tunnel est situé à une profondeur d'enfouissement de 23 m, avec un diamètre extérieur de 8,5 m et un diamètre intérieur de 7,7 m. Reportez-vous à la figure 2 pour des illustrations détaillées. Les paramètres du sol sont dérivés de données d'exploration géologique ; veuillez consulter le tableau 1 pour plus de détails. Le revêtement du tunnel est construit avec du béton C50, tandis que le béton C20 est utilisé pour le mur composite d'isolation contre les vibrations. Les propriétés des matériaux sont décrites dans le tableau 2.
Diagramme schématique de la structure de la section transversale du tunnel.
Instrument d'acquisition de données 58.
Selon les paramètres du véhicule et les paramètres de la structure de la voie décrits dans les tableaux 3 et 4, la force d'interaction roue-rail est calculée puis appliquée à la voie dans le modèle d'éléments finis. Par la suite, le spectre de puissance et le niveau de vibration verticale maximal des données calculées par le modèle ont été comparés aux données mesurées pour évaluer la fiabilité du modèle. Se référer aux Fig. 5 et 6 pour plus de détails.
Comparaison des spectres de puissance mesurés et simulés à chaque point de mesure. La ligne noire représente les données mesurées, tandis que la ligne rouge représente les données simulées. (a) Point de mesure P0. (b) Point de mesure P1. (c) Point de mesure P2. (d) Point de mesure P3. (e) Point de mesure P4. (f) Point de mesure P5. (g) Point de mesure P6.
Niveau de vibration à vitesse verticale maximale.
Sur la figure 7, les courbes d'accélération dans le domaine fréquentiel sous l'influence de différents matériaux de mur d'isolation se chevauchent largement. Sur la figure 7d, à l'exception de la courbe de l'EPS12, les courbes des matériaux restants sont presque identiques à celles du matériau EPS46. Les résultats représentés sur la figure 7 révèlent que lorsque la profondeur d'enfouissement est de 10 m, l'accélération maximale dans le Le domaine fréquentiel ne subit pas une réduction mais plutôt une amélioration lors de l'installation du mur d'isolation contre les vibrations. Cet effet d'amplification augmente avec l'épaisseur du mur d'isolation vibratoire, pour atteindre son maximum lorsque l'épaisseur du mur atteint 2 m. Dans l’ensemble, les variations des matériaux EPS exercent une influence minime sur la bande de fréquence effective et l’accélération maximale du mur d’isolation vibratoire. Néanmoins, le mur continue de démontrer un effet d’atténuation notable sur l’accélération dans la plage de fréquences de 32 à 52 Hz.
Accélération dans le domaine fréquentiel à une profondeur de 10 m sous l'influence de murs d'isolation en EPS de différentes épaisseurs, avec des accélérations maximales indiquées avant et après l'application des mesures d'isolation. (a) Épaisseur du mur d'isolation de 1 m. (b) Épaisseur du mur d'isolation de 1,5 m. (c) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m. (d) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m.
Sur la figure 8, les courbes d'accélération dans le domaine fréquentiel sous l'influence de différents matériaux de mur d'isolation se chevauchent largement. Sur la figure 8c, à l'exception de la courbe de l'EPS22, les courbes des matériaux restants sont presque identiques à celles du matériau EPS46. Sur la figure 8, lorsque le mur d'isolation contre les vibrations est enterré à une profondeur de 15 m, l'accélération maximale dans le domaine fréquentiel n'est améliorée que lorsque l'épaisseur du mur est de 2 m, tandis que des effets de réduction des vibrations sont observés à d'autres épaisseurs. Cependant, l'effet d'isolation contre les vibrations ne s'améliore pas de manière constante avec l'augmentation de l'épaisseur de la paroi d'isolation contre les vibrations ; l'effet optimal est observé lorsque l'épaisseur est de 1 m. De plus, les variations des matériaux EPS ont un impact minimal sur la bande de fréquence effective et sur l’accélération globale des vibrations. De plus, le mur d'isolation contre les vibrations démontre une atténuation efficace de l'accélération dans la bande de fréquences de 32 à 52 Hz.
Accélération dans le domaine fréquentiel à une profondeur de 15 m sous l'influence de murs d'isolation en EPS de différentes épaisseurs, avec des accélérations maximales indiquées avant et après l'application des mesures d'isolation. (a) Épaisseur du mur d'isolation de 1 m. (b) Épaisseur du mur d'isolation de 1,5 m. (c) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m. (d) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m.
Sur la figure 9, les courbes d'accélération dans le domaine fréquentiel sous l'influence de différents matériaux de mur d'isolation présentent un chevauchement significatif. Sur les figures 9b et d, à l'exception de la courbe de l'EPS22, les courbes des matériaux restants sont presque identiques à celles du matériau EPS46. De même, sur la figure 9c, à l'exception de la courbe de l'EPS39, les courbes des autres matériaux sont presque identiques à la courbe de l'EPS46. Sur la figure 9, avec une profondeur d'enfouissement de 20 m, toutes les épaisseurs du mur d'isolation contre les vibrations présentent des effets notables de réduction des vibrations. Cependant, l’efficacité de la réduction des vibrations ne s’améliore pas nécessairement avec l’augmentation de l’épaisseur. En fait, l'effet optimal est obtenu avec une épaisseur de 1,5 m. Dans l’ensemble, les variations des matériaux EPS présentent un impact minimal sur l’effet d’isolation des vibrations. De plus, le mur d’isolation contre les vibrations continue de démontrer une atténuation significative de l’accélération dans la bande de fréquences de 30 à 52 Hz.
Accélération dans le domaine fréquentiel à une profondeur de 20 m sous l'influence de murs d'isolation en EPS de différentes épaisseurs, avec des accélérations maximales avant et après l'application des mesures d'isolation indiquées. (a) Épaisseur du mur d'isolation de 1 m. (b) Épaisseur du mur d'isolation de 1,5 m. (c) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m. (d) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m.
Sur la figure 10, les courbes d'accélération dans le domaine fréquentiel sous l'influence de différents matériaux de mur d'isolation présentent un chevauchement significatif. Sur la figure 10, avec le mur d'isolation contre les vibrations enterré à une profondeur de 25 m, toutes les épaisseurs démontrent une réduction efficace des vibrations. Cependant, augmenter l’épaisseur de la paroi antivibratoire n’améliore pas nécessairement son efficacité. Des performances optimales sont obtenues avec une épaisseur de 2 m. Dans l’ensemble, même si les modifications apportées aux matériaux EPS peuvent légèrement améliorer l’effet d’isolation contre les vibrations, l’amélioration globale est marginale. Néanmoins, le mur d’isolation vibratoire continue de présenter une atténuation significative de l’accélération dans la bande de fréquences 24-60 Hz.
Accélération dans le domaine fréquentiel à une profondeur de 25 m sous l'influence de murs d'isolation en EPS de différentes épaisseurs, avec des accélérations maximales avant et après l'application des mesures d'isolation indiquées. (a) Épaisseur du mur d'isolation de 1 m. (b) Épaisseur du mur d'isolation de 1,5 m. (c) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m. (d) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m.
Sur la base de l'analyse précédente, il a été observé que lorsque la profondeur d'enfouissement du mur d'isolation contre les vibrations est faible, il peut ne pas atténuer efficacement l'accélération sur toutes les fréquences et pourrait potentiellement conduire à une amplification des vibrations (par exemple, lorsque la profondeur d'enfouissement est de 10 m). À mesure que la profondeur d’enfouissement du mur d’isolation contre les vibrations augmente, l’effet d’amélioration des vibrations diminue progressivement. De plus, nous avons observé qu’à mesure que la profondeur d’enfouissement du mur d’isolation vibratoire augmente, sa plage de fréquences efficace d’isolation vibratoire s’élargit progressivement. Lorsque la profondeur d'enfouissement augmente de 10 à 25 m, la bande de fréquence efficace d'isolation des vibrations s'étend de 32 à 52 Hz à 24 à 60 Hz.
D'après les résultats de l'enquête, il est évident que les matériaux PSE entraînent des coûts relativement élevés. La construction de murs antivibratoires utilisant des quantités importantes de matériaux PSE entraînerait donc des dépenses importantes. Pour réduire le coût du mur d'isolation vibratoire, nous avons choisi de combiner du béton C20 et des matériaux EPS dans des rapports d'épaisseur spécifiques pour analyser ses performances d'isolation vibratoire. De plus, nous avons étudié l'influence de différents rapports d'épaisseur et de la position du matériau du mur d'isolation contre les vibrations (Fig. 11) sur l'effet d'isolation contre les vibrations. À des fins de comparaison, nous avons choisi les données correspondant au mur d'isolation vibratoire enterré à une profondeur de 25 m, l'EPS12 étant sélectionné comme matériau d'isolation vibratoire.
Relation de position du mur composite d'isolation contre les vibrations.
Nous avons calculé l'accélération, la vitesse et le déplacement maximaux dans le domaine fréquentiel pour des murs d'isolation vibratoire en EPS12 à différentes épaisseurs lorsqu'ils sont enterrés à une profondeur de 25 m. Pour faciliter une comparaison des effets d'isolation vibratoire de matériaux uniques et de murs composites d'épaisseurs différentes, nous présentons les données dans le tableau 6. En préparation pour une analyse ultérieure, nous catégorisons les rapports d'épaisseur des matériaux EPS et des matériaux en béton C20 dans les murs composites d'isolation vibratoire. comme suit : EPS : C = 1:1, EPS : C = 2:1, EPS : C = 3:1, C : EPS = 1:1, C : EPS = 1:2 et C : EPS = 1:3 . La disposition de position des matériaux composites des murs d'isolation contre les vibrations est la suivante : « EPS : C » indique le côté du béton C20 adjacent à la voie, tandis que « C : EPS » fait référence au côté du matériau EPS adjacent à la voie.
Pour faciliter la comparaison de l’effet d’isolation vibratoire amélioré obtenu en augmentant l’épaisseur d’un mur d’isolation vibratoire en un seul matériau, nous calculerons l’effet d’isolation selon la formule suivante.
Dans la formule, a0 représente la valeur maximale maximale dans le domaine fréquentiel sous un seul matériau d'une épaisseur de 1 m, et ai représente la valeur maximale maximale dans le domaine fréquentiel des murs d'isolation vibratoire avec différentes épaisseurs de matériau.
Il ressort clairement de la figure 12 que lorsque le rapport d'épaisseur du mur composite d'isolation contre les vibrations est de 1:1, l'épaisseur du mur d'isolation contre les vibrations ne doit pas dépasser 1,5 m ; sinon, l'accélération maximale dans le domaine fréquentiel sera améliorée, ce qui n'obtiendra pas le même effet d'isolation contre les vibrations que l'utilisation du matériau EPS seul. De plus, lors de l’utilisation de murs composites, le matériau EPS doit être placé du côté opposé au rail. De plus, la combinaison de parois d’isolation contre les vibrations de différentes épaisseurs améliore l’effet d’isolation contre les vibrations dans certaines bandes de fréquences. Plus précisément, lorsque l'épaisseur du mur d'isolation contre les vibrations est de 1 m, l'effet d'isolation contre les vibrations d'accélération dans la bande de fréquences de 35 à 46 Hz est amélioré. Lorsque l'épaisseur du mur d'isolation contre les vibrations est de 1,5 m, l'effet d'isolation contre les vibrations d'accélération dans la bande de fréquences de 32 à 38 Hz est amélioré. De même, avec une épaisseur de paroi de 2 m, l’effet d’isolation des vibrations d’accélération dans la bande de fréquences de 35 à 40 Hz est amélioré. De plus, lorsque l’épaisseur de la paroi d’isolation contre les vibrations est de 2,5 m, l’effet d’isolation contre les vibrations d’accélération dans la bande de fréquences de 43 à 50 Hz est amélioré.
Comparaison de l'accélération dans le domaine fréquentiel avec différentes épaisseurs d'un mur d'isolation 1:1. (a) Épaisseur du mur d'isolation de 1 m. (b) Épaisseur du mur d'isolation de 1,5 m. (c) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m. (d) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m.
La figure 13 montre que lorsque le rapport d'épaisseur du mur composite d'isolation contre les vibrations est de 1:2 ou 2:1, l'épaisseur du mur ne doit pas dépasser 2 m, car cela pourrait entraîner une augmentation de l'accélération maximale de la fréquence. domaine. Il convient de noter que lors de la construction d'un mur composite anti-vibrations, la section en matériau EPS doit être placée du côté proche de la voie. De plus, des murs composites d’isolation contre les vibrations d’épaisseurs variables peuvent améliorer l’effet d’isolation contre les vibrations dans des bandes de fréquences spécifiques. Avec une épaisseur de 1 m, l'isolation contre les vibrations d'accélération s'améliore dans la bande de fréquences de 35 à 46 Hz. Lorsque l'épaisseur atteint 1,5 m, l'isolation contre les vibrations d'accélération est améliorée dans les bandes de fréquences 32-38 Hz et 61-71 Hz. De même, une épaisseur de 2 m améliore l’effet d’isolation des vibrations d’accélération dans la bande de fréquences de 35 à 40 Hz.
Accélération dans le domaine fréquentiel avec différentes épaisseurs de murs d'isolation 1:2 et 2:1. (a) Épaisseur du mur d'isolation de 1 m. (b) Épaisseur du mur d'isolation de 1,5 m. (c) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m. (d) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m.
Il ressort de la figure 14 que lorsque le rapport d'épaisseur du mur composite d'isolation contre les vibrations est de 1:3 ou 3:1, le mur d'isolation contre les vibrations comprenant un matériau EPS doit être positionné sur le côté le plus proche de la voie pendant la construction. De plus, des murs composites d'isolation contre les vibrations de différentes épaisseurs peuvent améliorer l'effet d'isolation contre les vibrations dans des bandes de fréquences spécifiques. Avec une épaisseur de 1 m, l'effet d'isolation des vibrations d'accélération est amélioré dans la bande de fréquences de 50 à 55 Hz ; à 1,5 m d'épaisseur, l'effet s'améliore dans la bande de fréquences 35-38 Hz ; à 2 m d'épaisseur, une amélioration est observée dans la bande de fréquences 28-42 Hz ; et à 2,5 m d'épaisseur, une amélioration est observée dans la bande de fréquences 44-50 Hz.
Accélération dans le domaine fréquentiel avec différentes épaisseurs de murs d'isolation 1:3 et 3:1. (a) Épaisseur du mur d'isolation de 1 m. (b) Épaisseur du mur d'isolation de 1,5 m. (c) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m. (d) Épaisseur du mur d'isolation de 2 m.
Pour rationaliser l'analyse de l'influence de la position relative du matériau d'isolation vibratoire sur l'effet d'isolation vibratoire, nous calculons l'effet à l'aide de la formule suivante :
Dans la formule, a0 représente l'accélération maximale dans le domaine fréquentiel sous un seul matériau, tandis que ai représente l'accélération maximale dans le domaine fréquentiel de la paroi composite sous différents rapports d'épaisseur de matériau et positions relatives.
Sur la figure 15, il est évident que le mur d'isolation vibratoire mono-matériau atteint son effet d'isolation vibratoire optimal lorsque l'épaisseur est de 2 m. Sans modifier l'épaisseur et en utilisant uniquement la paroi composite d'isolation contre les vibrations, l'effet d'isolation contre les vibrations peut être amélioré de 16,58 %. Lors de l'utilisation d'un mur d'isolation contre les vibrations composite 1:2 avec le matériau EPS positionné à proximité de la voie, l'effet d'isolation contre les vibrations optimal se produit à une épaisseur de 1,5 m, surpassant l'effet d'un mur mono-matériau d'une épaisseur de 2 m. De plus, il permet une amélioration de 28,8 % de l’isolation vibratoire tout en consommant 1/3 de matériau en moins. A l’inverse, lorsque le matériau EPS est situé à l’écart de la voie, l’effet d’isolation vibratoire diminue de -49,3 %. De plus, lorsque le rapport du mur d'isolation contre les vibrations est de 1:2 ou 1:3 et que l'épaisseur du mur d'isolation contre les vibrations est de 1,5 m, la relation de position des matériaux a un impact énorme sur l'effet d'isolation contre les vibrations. Un mauvais placement des matériaux et une mauvaise épaisseur de paroi d’isolation composite peuvent même augmenter les vibrations à la surface du sol.
Comparaison des effets de réduction des vibrations d'accélération maximale dans le domaine fréquentiel de murs composites d'isolation vibratoire avec différentes proportions et différentes épaisseurs.
Selon les normes60,61,62, la plupart des analyses dans le domaine fréquentiel considèrent le déplacement des pics comme seuil de vibration admissible. Par conséquent, notre analyse s’est concentrée uniquement sur le déplacement des pics dans le domaine fréquentiel. Sur la figure 16, il est évident que l'efficacité de l'isolation vibratoire du déplacement augmente avec l'épaisseur d'un mur d'isolation vibratoire en un seul matériau. Les performances optimales sont obtenues avec une épaisseur de 2,5 m. En maintenant cette épaisseur et en passant à un mur composite d’isolation contre les vibrations, l’efficacité de l’isolation contre les vibrations pourrait encore s’améliorer. Concrètement, l'amélioration potentielle pourrait atteindre jusqu'à 30,73 %.
Comparaison des effets de réduction des vibrations par déplacement de crête dans le domaine fréquentiel de murs composites d'isolation vibratoire avec différentes proportions et différentes épaisseurs.
Lors de l’utilisation de murs d’isolation composites, l’effet d’isolation est influencé à la fois par les proportions et l’épaisseur du mur composite. Après la mise en œuvre de murs d'isolation antivibratoire composites, l'effet de réduction sur le déplacement des pics dans le domaine fréquentiel dépasse généralement celui des murs d'isolation antivibratoire mono-matériau. Pour des rapports de murs d'isolation contre les vibrations de 1:1 ou 1:2, le positionnement du matériau EPS à proximité de la voie produit des effets d'isolation contre les vibrations supérieurs. Les résultats représentés sur la figure 16 indiquent que, par rapport à un mur composite d'isolation contre les vibrations d'une épaisseur de 1 m, l'augmentation de son épaisseur entraîne une diminution des améliorations des effets d'isolation contre les vibrations et peut même conduire à une efficacité réduite.
Sur la figure 17, lorsque le rapport du mur composite est de 1:3 et que l'EPS12 est positionné à l'écart du bord de la voie, l'effet d'isolation des vibrations dans les autres bandes de fréquences dépasse celui d'un mur d'isolation des vibrations mono-matériau, à l'exception de la bande de fréquence proche de 12 Hz. . Dans le même temps, lorsque l'EPS12 est positionné à l'écart de la piste, l'effet d'isolation des vibrations à la vitesse du domaine fréquentiel est supérieur à celui des murs d'isolation des vibrations mono-matériau et composites d'autres proportions dans les fréquences de 2 à 5 Hz et de 36 à 45 Hz. .
Comparaison des vitesses dans le domaine fréquentiel de murs d'isolation composites de 1 m d'épaisseur avec différents rapports.
Sur la figure 18, lorsque le rapport du mur d'isolation contre les vibrations composite est de 1:3, son effet d'isolation contre les vibrations sur la vitesse du domaine fréquentiel est meilleur que celui du mur d'isolation contre les vibrations à matériau unique dans les bandes de fréquences de 32 à 38 Hz et 60 à 60 Hz. 72 Hz et autres proportions de murs d'isolation composites. Lorsque l'EPS12 est installé plus près de la voie, son effet d'isolation des vibrations dans les bandes de fréquences de 0 à 25 Hz et 42 à 70 Hz est meilleur que lorsque l'EPS12 est installé plus loin de la voie.
Comparaison des vitesses dans le domaine fréquentiel de murs d'isolation composites de 1,5 m d'épaisseur avec différents rapports.
Sur la figure 19, le mur composite d'isolation contre les vibrations présente un effet d'isolation contre les vibrations favorable dans la bande de fréquences de 35 à 40 Hz. De plus, lorsque l'EPS12 est positionné plus près de la piste, il démontre également un effet d'isolation vibratoire amélioré dans la bande de fréquences de 62 à 72 Hz. Lorsque l'EPS12 est positionné plus près de la piste et que le rapport du mur d'isolation contre les vibrations est de 1:1, il présente un effet d'isolation contre les vibrations favorable dans la bande de fréquences de 17 à 40 Hz. Lorsque l'EPS12 est positionné plus près de la piste et que le rapport du mur d'isolation contre les vibrations est de 1:3, il démontre un bon effet d'isolation contre les vibrations dans les bandes de fréquences de 17 à 30 Hz et de 32 à 55 Hz.
Comparaison des vitesses dans le domaine fréquentiel de murs d'isolation composites de 2 m d'épaisseur avec différents rapports.
Selon les données représentées sur la figure 20, l'effet optimal d'isolation des vibrations est obtenu lorsque le rapport des parois composites est de 1:1, avec l'EPS12 positionné sur le côté opposé à la piste. De plus, lorsque l’EPS12 est situé plus près de la piste, il démontre également un effet d’isolation vibratoire supérieur dans la bande de fréquences de 42 à 60 Hz.
Comparaison des vitesses dans le domaine fréquentiel de murs d'isolation composites de 1 m d'épaisseur avec différents rapports.
Selon la figure 21, lorsque l'épaisseur d'un mur d'isolation antivibratoire mono-matériau est de 2 m, la vitesse maximale dans le domaine fréquentiel est la plus petite. Cependant, sans modifier l'épaisseur de la paroi d'isolation contre les vibrations et en utilisant uniquement une paroi d'isolation contre les vibrations composite, l'effet d'isolation contre les vibrations peut être amélioré de 16,95 %. Lorsque le rapport du mur composite d'isolation contre les vibrations est de 1:1 et que l'EPS12 est positionné du côté opposé à la piste, l'effet d'isolation contre les vibrations présente une tendance constante à la hausse à mesure que l'épaisseur de la paroi d'isolation contre les vibrations augmente. L'effet d'isolation vibratoire augmente considérablement, atteignant son apogée lorsque le mur d'isolation vibratoire a une épaisseur de 2,5 m, obtenant ainsi un effet d'isolation vibratoire optimal. Le mur composite d'isolation des vibrations avec un rapport de 1:1, en particulier lorsque l'EPS12 est positionné du côté opposé à la voie, démontre un effet d'isolation des vibrations supérieur. Par conséquent, il est conseillé d'installer l'EPS12 du côté éloigné du rail.
Comparaison des effets de réduction des vibrations à vitesse maximale dans le domaine fréquentiel de murs composites d'isolation vibratoire avec différentes proportions et différentes épaisseurs.
Grâce à des recherches, il a été déterminé que l’efficacité du mur d’isolation contre les vibrations augmente progressivement avec la profondeur d’enfouissement. Des profondeurs d'enfouissement inappropriées peuvent même exacerber les vibrations de la surface du sol. Lorsque le mur d'isolation contre les vibrations est enterré plus profondément que le tunnel, la variation du type de matériau EPS a un impact minime sur l'efficacité de l'isolation contre les vibrations du mur. Une analyse comparative entre les murs d'isolation vibratoire mono-matériau et composite révèle que les structures composites présentent généralement des propriétés d'isolation vibratoire supérieures. De plus, lors de l'utilisation de murs composites d'isolation contre les vibrations, l'efficacité de l'isolation contre les vibrations varie en fonction du positionnement relatif des matériaux composites.
Cette étude a initialement développé un modèle numérique englobant le train et la plaque de voie pour étudier la force d'interaction roue-rail entre le train et le rail. Par la suite, un modèle d'éléments finis intégrant le couplage dynamique rail-tunnel-sol a été construit, avec la force d'interaction roue-rail appliquée dans ce modèle d'éléments finis. La fiabilité du modèle a été vérifiée en comparant les résultats de simulation avec les données mesurées. Ensuite, l'impact du mur d'isolation vibratoire mono-matériau EPS12 et du mur d'isolation vibratoire composite (béton EPS12 et C20) sur la bande de fréquence d'isolation vibratoire et l'effet d'isolation vibratoire sous différents facteurs d'influence a été étudié, et les conclusions suivantes ont été tirées :
Lorsque la profondeur d’enfouissement du mur d’isolation contre les vibrations est faible, il ne parvient pas à atténuer efficacement l’accélération à toutes les fréquences et peut même amplifier les vibrations. Cependant, à mesure que la profondeur d'enfouissement du mur d'isolation contre les vibrations augmente, l'effet d'isolation contre les vibrations s'améliore progressivement. De plus, avec la profondeur d'enfouissement croissante du mur d'isolation contre les vibrations, sa plage de fréquences d'isolation contre les vibrations efficace s'étend progressivement. L’effet d’isolation vibratoire optimal est obtenu lorsque la profondeur d’enfouissement du mur d’isolation vibratoire dépasse celle du tunnel.
Lorsque l’épaisseur du mur d’isolation vibratoire mono-matériau atteint 2 m, il présente un effet d’isolation vibratoire robuste sur l’accélération et la vitesse maximales dans le domaine fréquentiel. De plus, à mesure que l’épaisseur de la paroi d’isolation vibratoire mono-matériau augmente, le déplacement maximal diminue progressivement.
L’effet d’isolation vibratoire d’un mur antivibratoire mono-matériau est optimal lorsque l’épaisseur est de 2 m, particulièrement évident dans l’accélération maximale dans le domaine fréquentiel. Sans modifier l'épaisseur, l'utilisation exclusive de murs composites d'isolation contre les vibrations peut améliorer l'effet d'isolation contre les vibrations de 16,58 %. Lorsque l’épaisseur du mur d’isolation vibratoire mono-matériau atteint 2 m, la vitesse maximale dans le domaine fréquentiel est minimisée. Cependant, le maintien de cette épaisseur et la transition uniquement vers des murs composites d’isolation contre les vibrations peuvent améliorer l’effet d’isolation contre les vibrations de 16,95 %. À mesure que l’épaisseur d’un mur d’isolation vibratoire mono-matériau augmente, l’effet d’isolation vibratoire sur le déplacement augmente également, l’effet optimal étant observé à une épaisseur de 2,5 m. Si l'épaisseur reste constante et qu'un seul mur composite d'isolation contre les vibrations de 2,5 m d'épaisseur est utilisé, l'effet d'isolation contre les vibrations peut être amélioré jusqu'à 30,73 %. Cela montre que les murs composites antivibratoires offrent non seulement des économies de matériaux et une réduction des coûts, mais également un effet d’isolation vibratoire amélioré. Les murs antivibratoires composites présentent une rentabilité supérieure par rapport aux murs antivibratoires mono-matériau.
Il existe des murs d'isolation vibratoire composites dont l'épaisseur est inférieure à celle des murs d'isolation vibratoire mono-matériau, et leur effet d'isolation vibratoire est meilleur que celui des murs d'isolation vibratoire mono-matériau. Cela montre que, dans des proportions appropriées, les murs composites antivibratoires ont de meilleures performances d’isolation vibratoire que les murs mono-matériau.
La bande de fréquence efficace d’isolation contre les vibrations des murs d’isolation contre les vibrations composites diffère de celle des murs d’isolation contre les vibrations mono-matériau. Comparé aux murs d'isolation vibratoire mono-matériau, lorsque l'épaisseur du mur composite d'isolation vibratoire est de 1 m, il présente un effet d'isolation vibratoire notable sur l'accélération et la vitesse dans la bande de fréquences de 35 à 46 Hz. Comparé aux murs d'isolation antivibratoire mono-matériau, lorsque l'épaisseur du mur d'isolation antivibratoire composite est de 1,5 m, il démontre un effet d'isolation vibratoire significatif sur l'accélération et la vitesse dans la bande de fréquences de 32 à 38 Hz. Comparé aux murs d'isolation vibratoire mono-matériau, lorsque l'épaisseur du mur composite d'isolation vibratoire est de 2 m, il présente un effet d'isolation vibratoire notable sur l'accélération et la vitesse dans la bande de fréquences de 35 à 40 Hz.
Lorsque des exigences strictes de contrôle de l'accélération sont imposées dans la zone nécessitant l'installation d'un mur d'isolation contre les vibrations, il est conseillé d'utiliser un mur d'isolation contre les vibrations composite C : EPS12 = 1:2 d'une épaisseur de 1,5 m, en positionnant le matériau EPS à proximité du au bord de la piste. S'il existe des exigences strictes en matière de contrôle de l'accélération dans la zone, nécessitant l'installation d'un mur d'isolation contre les vibrations, un mur d'isolation contre les vibrations composite C : EPS12 = 1:1 d'une épaisseur de 2,5 m, en positionnant le matériau EPS du côté opposé à la voie. , devrait être employé. Si des exigences strictes en matière de contrôle des déplacements existent dans la zone et qu'un mur d'isolation contre les vibrations est nécessaire, un mur d'isolation contre les vibrations composite 1:3 d'une épaisseur de 2,5 m, positionnant le matériau EPS près du côté de la voie, doit être utilisé.
Les données qui étayent les conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant, [FT Wang], sur demande raisonnable.
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Ce travail a été soutenu par le Fonds d'État du Laboratoire clé de dynamique structurelle d'ingénierie des ponts (n° 202104), le Laboratoire clé de technologie de résistance aux tremblements de terre des ponts, ministère des Communications, RPC, le Fonds de recherche scientifique de l'Institut de mécanique de l'ingénierie, Tremblement de terre en Chine. Administration (n° 2021D32), projet de recherche sur la protection de l'environnement écologique de la province du Heilongjiang (n° HST2023JC010).
Fonds d'État Laboratoire clé de dynamique structurelle d'ingénierie des ponts, n° 202104, Laboratoire clé de technologie de résistance aux tremblements de terre des ponts, ministère des Communications, RPC, Fonds de recherche scientifique de l'Institut de mécanique d'ingénierie, Administration sismique de Chine, n° 2021D32.
École de génie civil et d'architecture, Université du Heilongjiang, Harbin, 150080, Chine
Dong Li, Jili Yin, Zhoujian You, Hongkai Wang et Futong Wang
CRRC Intelligent Transportation Engineering Technology Co., Ltd, Pékin, 100071, Chine
Taizhou Taizhong Rail Transit Co., Ltd., Taizhou, 318014, Zhejiang, Chine
Shusen Cao, Chao Chen, Lunzheng Zhang et Xiangdong Shi
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D. Li : analyse formelle, conservation des données, enquête, méthodologie, logiciels, visualisation, rédaction – version originale ; DD Qian : conservation des données, enquête, acquisition de financements, ressources ; S. S Cao : Enquête, Acquisition de financement, Ressources ; C. Chen : Financement d'acquisition, ressources ; J. L Yin : conservation des données, enquête ; Z. J You : Conservation des données, Enquête ; H. K Wang : conservation des données, enquête ; L. Z Zhang : Acquisition de financement, ressources ; X. D Shi : Acquisition de financement, ressources ; FT Wang : Acquisition de financement, Ressources, Administration de projet, Acquisition de financement.
Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.
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Li, D., Qian, D., Cao, S. et al. Étude de l'effet d'isolation vibratoire des murs composites d'isolation vibratoire sur les vibrations de la surface du sol dans les tunnels profonds des chemins de fer de banlieue. Sci Rep 14, 19093 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-70098-y
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DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-024-70098-y
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Rapports scientifiques (Sci Rep) ISSN 2045-2322 (en ligne)
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