ISO/TS 14837-32:2015
(Main)Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration arising from rail systems — Part 32: Measurement of dynamic properties of the ground
Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration arising from rail systems — Part 32: Measurement of dynamic properties of the ground
ISO/TS 14837-32:2015 provides guidance and defines methods for the measurement of dynamic properties of the ground through which ground-borne noise and vibration is transmitted, from the operation of rail systems and into foundations of neighbouring buildings. The purpose is to determine the parameters of the ground system which are necessary to reliably predict the noise and vibration transmission, to design railroads and foundations to meet noise and vibration requirements, to design countermeasures and to validate design methods.
Vibrations mécaniques — Vibrations et bruits initiés au sol dus à des lignes ferroviaires — Partie 32: Mesurage des propriétés dynamiques du sol
L'ISO 14837-32:2015 fournit des lignes directrices et définit des méthodes de mesure des propriétés dynamiques du sol par lequel les vibrations et les bruits initiés au sol sont transmis des lignes ferroviaires en exploitation aux fondations des bâtiments avoisinants. Le but est de déterminer les paramètres du sol qui permettront de prédire de manière fiable la transmission des vibrations et des bruits, de concevoir des lignes ferroviaires et des fondations conformes aux exigences acoustiques et vibratoires, de mettre en ?uvre des mesures de prévention et de valider les méthodes de conception.
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TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 14837-32
First edition
2015-12-15
Mechanical vibration — Ground-
borne noise and vibration arising
from rail systems —
Part 32:
Measurement of dynamic properties
of the ground
Vibrations mécaniques — Vibrations et bruits initiés au sol dus à des
lignes ferroviaires —
Partie 32: Mesurage des propriétés dynamiques du sol
Reference number
ISO/TS 14837-32:2015(E)
©
ISO 2015
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Symbols . 1
4 Transmission of ground-borne noise and vibration . 3
4.1 General . 3
4.2 Ground-borne noise versus vibration — Effect of frequency . 4
5 Parameters for wave propagation in the ground . 4
5.1 General . 4
5.2 Fundamental wave propagation parameters . 4
5.3 Material loss and non-linearity . 9
5.4 Geometry effects, stratification and lateral variability of the ground .13
5.5 Nearfield effects .15
5.6 Anisotropy .15
5.7 Ground water effects — Ground materials as a two-phase medium .16
6 Methods for parameter estimation and measurement .16
6.1 Stratification and classification of the ground: Boring logs and seismic investigations .16
6.2 Soils versus rock .17
6.3 Empirical estimation methods based on index parameters .17
6.3.1 General.17
6.3.2 Effective (bulk) mass density .18
6.3.3 Wave speeds and elastic shear modulus .18
6.3.4 Non-linearity and material loss factor .21
6.4 Indirect determination from geotechnical in-situ penetration tests .25
6.4.1 General.25
6.4.2 Cone penetration test .26
6.4.3 Standard penetration test .26
6.5 Direct in-situ measurement of dynamic ground parameters .27
6.5.1 General.27
6.5.2 Surface wave measurements .30
6.5.3 Down-hole (and up-hole) measurements — Seismic CPT (S-CPT) .33
6.5.4 Cross-hole measurements .36
6.5.5 Other measurements — Refraction and multi-channel p- and s-wave
reflection, resistivity .39
6.5.6 Other in-situ methods .40
6.6 Laboratory measurement of dynamic ground parameters .40
6.6.1 General.40
6.6.2 Piezo measurements .41
6.6.3 Resonant column testing .43
6.6.4 Cyclic triaxial, DSS and torsional shear testing .44
7 Strategy for ground parameter determination.44
7.1 General .44
7.2 Expected severity of ground-borne vibration and noise .44
7.3 Parameter estimation from available information .44
7.4 Summary of in-situ measurements versus laboratory measurements .45
7.5 Direct measurement of vibration and noise propagation as an alternative to
measuring dynamic properties and use of calculation models .45
Annex A (informative) Abbreviations used in this part of ISO 14837 .47
Bibliography .48
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
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For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical
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The committee responsible for this document is ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition
monitoring, Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied
to machines, vehicles and structures.
ISO 14837 consists of the following parts, under the general title Mechanical vibration — Ground-borne
noise and vibration arising from rail systems:
— Part 1: General guidance
— Part 32: Measurement of dynamic properties of the ground
The following parts are under preparation:
— Part 31: Measurement for the evaluation of complaints at residential buildings
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
Introduction
In order to resolve received vibration and noise from rail systems where there is soil or rock in part
of the transmission path between the source at the track and the receiver location in the building,
it is necessary to know the noise and vibration transmission function of the ground. To know this
necessitates knowledge of the properties of the materials in the ground and their stratification which
influence the transmission. In general there is a need to measure or in other ways to estimate these
properties. To this aim, this part of ISO 14837 defines methods for measurement and estimation of the
relevant dynamic ground parameters.
After a brief survey about ground-borne noise and vibration in Clause 4, the key content of this part
of ISO 14837 is outlined in two clauses. Clause 5 defines the relevant dynamic ground parameters,
describes how they are interrelated and how they are related to basic physics of wave propagation.
Clause 6 deals with methods to determine these parameters: 6.3 presents simple estimation methods
based on empirical correlations with conventional geotechnical and engineering geological index
parameters; 6.4 presents methods for indirect determination from geotechnical in-situ penetration
test data, while 6.5 and 6.6 present more precise methods for direct measurement of the parameters
in-situ and in the laboratory.
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 14837-32:2015(E)
Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration
arising from rail systems —
Part 32:
Measurement of dynamic properties of the ground
1 Scope
This part of ISO 14837 provides guidance and defines methods for the measurement of dynamic
properties of the ground through which ground-borne noise and vibration is transmitted, from the
operation of rail systems and into foundations of neighbouring buildings. The purpose is to determine
the parameters of the ground system which are necessary to reliably predict the noise and vibration
transmission, to design railroads and foundations to meet noise and vibration requirements, to design
countermeasures and to validate design methods.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 14837-1:2005, Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration arising from rail systems —
Part 1: General guidance
3 Symbols
The following symbols are used in this part of ISO 14837.
NOTE Abbreviations are summarized in Annex A.
B dimensionless constant in equation for G
max
D loss-related distance attenuation factor
d distance travelled by wave
E Young’s modulus, low-strain dynamic value
max
e void ratio, e = φ/(1 – φ)
f frequency
G* complex shear modulus
G shear modulus, low-strain dynamic value
max
G secant shear modulus, dynamic value
sec
I plasticity index
p
K bulk modulus, low-strain dynamic value
max
k* complex wave number
© ISO 2015 – All rights reserved 1
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
M* complex constrained modulus
M constrained modulus, low-strain dynamic value
max
N corrected blow count from standard penetration test (SPT)
60
n stress exponent in equation for G
max
P vibration power flux
p reference stress (pressure), p = 100 kPa
a a
Q material quality factor
Q rock quality factor
c
q tip resistance from cone penetration test (CPT)
t
R radial distance, slanted or along surface
R reference radial distance, slanted or along surface
0
S power spectrum of wave power flux
PP
S degree of saturation
r
S power spectrum of vibration particle velocity
vv
s undrained shear strength
u
t time
V wave speed independent of wave type
average wave speed
V
V compression wave speed
p
V shear wave speed
s
V sound (wave) speed in water
water
v particle velocity of vibration
v particle velocity of vibration at reference distance
0
v root-mean-square value of vibration particle velocity
RMS
W potential energy in a hysteresis loop
Z specific impedance for plane compression waves
p
Z specific impedance for plane shear waves
s
z depth coordinate, depth below ground surface
α distance attenuation exponent
γ cyclic (dynamic) shear strain
cy
Δt time interval, time difference
ΔW energy loss in one hysteresis loop
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
ε cyclic (dynamic) normal strain
cy
ζ degree of critical damping (damping ratio) of SDOF
η material loss factor
η material loss factor for compression waves
p
η material loss factor for shear waves
s
η material loss factor at very small strains, in linear range
max
λ wavelength
st
λ 1 Lamé constant, low-strain dynamic value
max
nd
µ 2 Lamé constant, low-strain dynamic value
max
ν Poisson’s ratio, low-strain value
0
ξ damping ratio, ξ = η/2
ρ bulk mass density
ρ mass density of mineral grains
mineral
ρ mass density of water
water
σ cyclic (dynamic) normal stress
cy
σ’ mean effective stress
mean
σ’ effective vertical normal stress
v
τ cyclic (dynamic) shear stress
cy
φ porosity
4 Transmission of ground-borne noise and vibration
4.1 General
Ground-borne noise and vibration from rail systems are transmitted through the subsurface as
mechanical waves. The wave propagation is influenced both by geometrical parameters like shape,
extent and stratification of the various bodies of the ground, as well as by the dynamic properties of the
individual ground materials.
To determine the influence of the geometrical parameters, it is necessary to understand wave types,
wave speeds and impedances which are again dependent on properties of the soils and rocks involved.
The distance attenuation of ground-borne noise and vibration is largely controlled by the geometrical
effects in addition to the effect of loss mechanisms in the various ground materials.
For ground-borne noise and vibration from rail systems, the typically appearing dynamic strains in the
ground are predominantly low and mostly within the range where the materials behave linearly. Elastic
wave propagation can therefore be assumed. However, even at these small strains, ground materials do
expose some internal energy loss, materializing as a contribution to the distance attenuation. Slightly
viscoelastic or hysteretic rather than purely elastic behaviour do therefore better describe ground
materials for this purpose.
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
In an unbounded, homogeneous elastic medium only two fundamental wave types can exist; dilatational
waves (p-waves) and shear waves (s-waves). Dilatational waves have their particle motion back and
forth along the direction of wave propagation while in shear waves particles move perpendicular to the
direction of propagation. Shear waves can therefore be polarized in various planes while p-waves are
un-polarized. A real ground is far from unbounded and homogeneous. It has free surfaces and interfaces
between various layers and bodies of ground materials with different properties. The dilatational and
shear waves in these layers and bodies of the ground are transmitted, reflected and refracted and in
other ways interact to form different kinds of inferred waves like surface waves and guided waves
along the surfaces and interfaces in the ground. These waves can often carry most of the vibration
energy and thus control the distance attenuation. These types of waves are usually dispersive, meaning
that vibration propagation properties can vary largely with frequency and wave length.
Since this whole complex of wave types that make up the vibration transmission path through a
real ground all originate from the two fundamental waves, the information needed to resolve the
transmission wave field is limited to the ground material properties that govern these fundamental
waves, in addition to how these properties are distributed throughout the ground. From these
properties and the geometry of their distribution in layers and bodies of the ground throughout the
transmission path, the whole wave field can be solved, at least theoretically. In practice, however, major
simplifications are usually necessary to be able to come up with reasonable solutions for real cases.
Complementary information on these issues are found in Reference [105].
4.2 Ground-borne noise versus vibration — Effect of frequency
What is termed ground-borne vibration and ground-borne noise are both transmitted through
the ground and into buildings as mechanical vibration waves. The same physical wave mechanisms
and fundamental waves do therefore apply to both noise and vibration. The only distinction is the
frequency and thus the wave length. According to ISO 14837-1, the relevant frequency range of ground-
borne vibration from rail systems is defined to be the range of whole-body vibration perception, which
goes from 1 Hz to 80 Hz (see ISO 8041). The relevant frequency range of ground-borne noise from rail
systems is in the audible range and is in ISO 14837-1 considered from about 16 Hz to 250 Hz. Ground-
borne noise is reradiated as sound from vibrating building surfaces, while ground-borne vibration is
transmitted to the whole body primarily from vibrating floors. In addition to affecting people, ground-
borne vibration may also have an effect on sensitive installations and even on building structures.
Even though the basic wave propagation physics is the same, geometrical effects, secondary waves and
loss mechanisms usually dominate the ground transmission of mechanical vibration, and introduce
frequency-dependent transmission properties. The transmission of ground-borne noise at a given site
can therefore be drastically different from the transmission of low-frequency vibration.
5 Parameters for wave propagation in the ground
5.1 General
Clause 5 gives an overview of the most important material parameters for transmission of ground-
borne noise and vibration and how they are theoretically composed and interrelated. Clause 6 presents
methods to quantify these parameters through empirical estimation and measurement.
5.2 Fundamental wave propagation parameters
In an elastic, isotropic, homogeneous solid, two fundamental plane body wave types can exist: the
dilatational wave (p-wave, compression wave) and the shear wave (s-wave). The propagation speed V
of these waves is related to the stiffness moduli and bulk (effective) mass density of the soil and rock
through which they propagate, according to the following:
4 © ISO 2015 – All rights reserved
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
a) propagation speed, V , of dilatational wave
p
M
max
V = (1)
p
ρ
b) propagation speed, V , of shear wave:
s
G
max
V = (2)
s
ρ
where
M is the elastic constrained modulus;
max
G is the elastic shear modulus of the medium;
max
ρ is the bulk (effective) mass density.
3
By using Pa as unit for the moduli and kg/m for the mass density, the wave speeds from these formulae
appear with m/s as the unit.
The subscript max comes from the terminology of soil and rock dynamics. It denotes the maximum,
stable plateau value reached for the respective moduli when the dynamic strains are sufficiently low
to make the ground materials behave linearly elastic. At higher dynamic strains, non-linearity leads
to a reduced secant modulus compared to this maximum value. It is vital to distinguish these dynamic
moduli from moduli provided for use in conventional static or quasi-static soil and rock mechanics.
Those moduli are determined for much higher stresses (strains) and for more long-term (permanent)
loads where non-linearity and creep play an important role. This usually leads to drastically lower
moduli than their linear dynamic counterparts. Applying static moduli in rock and soil dynamic
calculations can lead to severely incorrect results.
The deformation properties of an isotropic, elastic medium are in general uniquely defined by two
independent elastic parameters. These may be M and G . By instead introducing Poisson’s ratio,
max max
ν , as the second parameter, the constrained modulus, M , can be expressed from the shear modulus,
0 max
G , through Formula (3):
max
21−ν
()
0
MG= (3)
maxmax
12− ν
0
The Poisson’s ratio used here with subscript 0 is the one that applies to low dynamic strains in the
linear elastic regime and can be largely different from the quasistatic counterpart used in soil and
rock mechanics.
The dilatational wave speed, V , can further be expressed from the shear wave speed, V , and Poisson’s
p s
ratio, ν , as Formula (4):
0
21−ν
()
0
VV= (4)
ps
12− ν
0
It appears from Formula (4) that V is always larger than V , i.e. V > V , and that V /V increases
p s p s p s
drastically if ν approaches 0,5.
0
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
Poisson’s ratio ν can be determined from the speeds of the two fundamental body waves, V and V ,
0 p s
by Formula (5):
22
VV−2
ps
ν = (5)
0
22
2 VV−
()
ps
If the Young’s modulus E is instead introduced as the second elastic parameter it is related to the
max
shear modulus G and Poisson’s ratio ν through Formula (6):
max 0
EG=+21 ν (6)
()
maxm0 ax
Alternatively, the bulk modulus K can be introduced as one of the two elastic parameters. Its
max
interrelation to the others reads:
4
KM=− G (7)
maxmax max
3
Figure 1 specifies the stress and deformation quantities as well as the coordinate axes in the ground.
Compression is positive, i.e. σ > 0. The first subscript of the shear quantity τ is the direction and the
second is the plane.
Key
a x-plane Δτ = Δτ
xy yx
b y-plane Δτ = Δτ
yz zy
c z-plane Δτ = Δτ
zx xz
Figure 1 — Stress quantities and coordinate axes in the ground
Figure 2 illustrates the stress and deformation modes of change for which each of these moduli does
apply. An alternative set of elastic parameters are the two Lamé constants.
NOTE 1 The two Lamé constants are an alternative set of elastic parameters. They are uniquely related to
those already defined. When used for soil and rock materials, it is also convenient to denote the low-strain plateau
values of these parameters by the subscript max, even if that is not so commonly used. The Lamé parameters
relate to the other parameters through the formulae:
λ = M – 2G
max max max
μ = G
max max
6 © ISO 2015 – All rights reserved
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x
Δε
ISO/TS 14837-32:2015(E)
Δτ
xz
Δτ
zx
Δγ
1/2
xz
x
1/2Δγ
zx
Δσ
z
z
a) Shear modulus G = Δτ/Δγ b) Constrained modulus M = Δσ /Δε
z z
Δσ
z
Δσ
Δσ x
y
c) Young’s modulus E = Δσ /Δε d) Bulk modulus K = Δp/Δε
z z vol
a) Δτ = Δτ = Δτ, Δγ = Δγ = Δγ.
xz zx xz zx
b) Sides restricted Δε = Δε = 0, no transverse strain.
x y
c) Δε = Δε = Δε , sides free Δσ = Δσ = 0, Poisson’s ratio ν = Δε /Δε .
x y T x y T z
d) Δσ = Δσ = Δσ = Δp, Δε + Δε + Δε = Δε .
x y z x y z vol
NOTE The illustrations are made for the z-direction being the active direction. The definitions equally apply
as well for the x-direction or the y-direction being the active direction.
Figure 2 — Elastic constants and associated deformation modes for isotropic ground
Specific impedance of ground materials and impedance contrasts between materials are important
parameters for evaluating the amount of wave energy transferred over interfaces from one ground
material body into another and for the formation of interface waves along the boundaries between
ground material bodies. It is, however, essential to be aware that for thin layers compared to the
vibration wavelength, it is rather the thickness of the layers, and not the impedance contrasts that
control the reflection and transmission of vibrations. This is particularly important when assessing the
effect of typical vibration isolation screens.
© ISO 2015 – All rights reserved 7
Δε
y
Δε
Δε z
z
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ISO/TS 14837-32:2015(E)
The specific impedances, Z, for plane waves in an elastic isotropic ground material body are defined as
follows:
a) specific impedance, Z , for plane dilatational waves
p
ZV==ρρ M (8)
pp max
b) specific impedance, Z , for plane shear waves
s
ZV==ρρ��G (9)
ss max
The inverse of the specific impedance is termed specific admittance and may be used alternatively.
The specific impedance has the unit Pa/(m/s) and relates dynamic stress (cyclic stress) in a propagating
wave to the corresponding particle velocity. A plane shear wave with particle velocity v which
propagates in one direction through a ground material with specific shear wave impedance, Z , imposes
s
dynamic shear stress, τ , in the plane of wave polarization equal to Formula (10):
cy
τ = Zv (10)
cy s
The corresponding shear strain, γ , is:
cy
v
γ = (11)
cy
V
s
Corresponding relations apply for normal stress, σ , and normal strain, ε , in the direction of
cy cy
propagation of a dilatational wave with particle velocity v:
σ = Zv (12)
cy p
v
ε = (13)
cy
V
p
Formulae (10) to (13) do only apply to one single fundamental wave component travelling in one
direction. Where more wave components interact like in standing waves, surface and interface waves,
superposition need to be considered and the above relations cannot be applied immediately.
2
The average mechanical power density flux, P, in W/m , transmitted in the di
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 14837-32
Première édition
2015-12-15
Vibrations mécaniques — Vibrations
et bruits initiés au sol dus à des lignes
ferroviaires —
Partie 32:
Mesurage des propriétés
dynamiques du sol
Mechanical vibration — Ground-borne noise and vibration arising
from rail systems —
Part 32: Measurement of dynamic properties of the ground
Numéro de référence
ISO/TS 14837-32:2015(F)
©
ISO 2015
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TS 14837-32:2015(F)
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ii © ISO 2015 – Tous droits réservés
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ISO/TS 14837-32:2015(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Symboles . 1
4 Transmission des vibrations et des bruits initiés au sol . 3
4.1 Généralités . 3
4.2 Vibrations et bruits initiés au sol — Effet de la fréquence . 4
5 Paramètres relatifs à la propagation des ondes dans le sol . 4
5.1 Généralités . 4
5.2 Paramètres fondamentaux de propagation d’onde . 5
5.3 Pertes du matériau et non-linéarité .10
5.4 Effets géométriques, stratification et variabilité latérale du sol .14
5.5 Effets de champ proche .16
5.6 Anisotropie .16
5.7 Effets des eaux souterraines — Matériaux du sol en tant que milieux biphasés.17
6 Méthodes d’estimation et de mesurage des paramètres .18
6.1 Stratification et classification du sol: Rapports de forage et études sismiques .18
6.2 Sols et roches .18
6.3 Méthodes d’estimation empirique basées sur des paramètres de référence .19
6.3.1 Généralités .19
6.3.2 Masse volumique apparente (effective) .19
6.3.3 Célérité des ondes et module élastique de cisaillement .19
6.3.4 Non-linéarité et facteur de perte du matériau .23
6.4 Détermination indirecte à partir d’essais géotechniques de pénétration in-situ .28
6.4.1 Généralités .28
6.4.2 Essai de pénétration au cône .28
6.4.3 Essai de pénétration standard .28
6.5 Mesurages directs in-situ des paramètres dynamiques du sol .29
6.5.1 Généralités .29
6.5.2 Mesurages des ondes de surface .34
6.5.3 Mesurages «down-hole» (et «up-hole») — Essai CPT sismique (S-CPT) .40
6.5.4 Mesurages «cross-hole».43
6.5.5 Autres mesurages — Réfraction et mesurage multicanaux de la réflexion
des ondes p et s, résistivité .46
6.5.6 Autres méthodes in-situ .47
6.6 Mesurage direct en laboratoire des paramètres dynamiques du sol .47
6.6.1 Généralités .47
6.6.2 Mesurages piézoélectriques .48
6.6.3 Essai à la colonne de résonance .51
6.6.4 Essai triaxial cyclique, essai DSS et essai de cisaillement en torsion .52
7 Stratégie pour la détermination des paramètres du sol .52
7.1 Généralités .52
7.2 Sévérité attendue des vibrations et des bruits initiés au sol .52
7.3 Estimation des paramètres à partir des informations disponibles .53
7.4 Récapitulatif de comparaison entre mesurages in situ et mesurages en laboratoire .53
7.5 Mesurage direct de la propagation des vibrations et des bruits en alternative au
mesurage des propriétés dynamiques et à l’utilisation de modèles de calcul .54
Annexe A (informative) Abréviations utilisées dans la présente partie de l’ISO 14837 .55
Bibliographie .56
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ISO/TS 14837-32:2015(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1 Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation
de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’Organisation
mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien
suivant: www.iso.org/iso/fr/avant-propos.html.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
et leur surveillance, sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant
les machines, les véhicules et les structures.
L’ISO 14837 est constituée des parties suivantes regroupées sous le titre général Vibrations
mécaniques — Vibrations et bruits initiés au sol dus à des lignes ferroviaires:
— Partie 1: Directives générales
— Partie 32: Mesurage des propriétés dynamiques du sol
La partie suivante est en cours d’élaboration:
— Partie 31: Guide de mesurage pour l’évaluation de l’exposition humaine dans les bâtiments
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ISO/TS 14837-32:2015(F)
Introduction
Afin de résoudre les problèmes liés aux vibrations et aux bruits générés par les lignes ferroviaires
lorsqu’une partie du chemin de transmission est constituée de sol ou de roche entre la source au niveau
de la voie et l’emplacement du récepteur dans le bâtiment, il est nécessaire de connaître les fonctions
de transmission des vibrations et des bruits dans le sol. Pour cela, il est nécessaire de connaître les
propriétés des matériaux dans le sol et leur stratification qui influencent la transmission. En règle
générale, il est nécessaire que ces propriétés soient mesurées ou alternativement estimées. À cette
fin, la présente partie de l’ISO 14837 définit des méthodes de mesure et d’estimation des paramètres
dynamiques du sol.
Après un aperçu succinct des vibrations et des bruits initiés au sol dans l’Article 4, le contenu essentiel
de la présente partie de l’ISO 14837 se trouve dans deux articles: l’Article 5 définit les paramètres
dynamiques pertinents du sol et décrit la manière dont ils sont reliés entre eux et la manière dont ils
sont reliés à la physique de la propagation des ondes; l’Article 6 traite des méthodes pour déterminer ces
paramètres: le paragraphe 6.3 présente des méthodes d’estimation simples basées sur des corrélations
empiriques avec les paramètres conventionnels géotechniques et d’ingénierie géologique; le paragraphe
6.4 présente les méthodes de détermination indirectes à partir d’essais géotechniques de pénétration
in-situ, tandis que les paragraphes 6.5 et 6.6 présentent des méthodes plus précises de mesurage direct
des paramètres in-situ et en laboratoire.
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 14837-32:2015(F)
Vibrations mécaniques — Vibrations et bruits initiés au sol
dus à des lignes ferroviaires —
Partie 32:
Mesurage des propriétés dynamiques du sol
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 14837 fournit des lignes directrices et définit des méthodes de mesure des
propriétés dynamiques du sol par lequel les vibrations et les bruits initiés au sol sont transmis des
lignes ferroviaires en exploitation aux fondations des bâtiments avoisinants. Le but est de déterminer
les paramètres du sol qui permettront de prédire de manière fiable la transmission des vibrations et
des bruits, de concevoir des lignes ferroviaires et des fondations conformes aux exigences acoustiques
et vibratoires, de mettre en œuvre des mesures de prévention et de valider les méthodes de conception.
2 Références normatives
Les documents ci-après, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables à
l’application du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 14837-1:2005, Vibrations mécaniques — Vibrations et bruits initiés au sol dus à des lignes ferroviaires —
Partie 1: Directives générales
3 Symboles
Les symboles suivants sont utilisés dans la présente partie de l’ISO 14837.
NOTE Les abréviations sont récapitulées dans l’Annexe A.
B constante sans dimension dans l’équation relative à G
max
D facteur d’atténuation lié aux pertes en fonction de la distance
d distance parcourue par une onde
E module d’Young, valeur dynamique en faible déformation
max
e indice d’interstice, e = φ/(1 – φ)
f fréquence
G* module de cisaillement complexe
G module de cisaillement, valeur dynamique en faible déformation
max
G module de cisaillement sécant, valeur dynamique
sec
I indice de plasticité
p
K module de compressibilité, valeur dynamique en faible déformation
max
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ISO/TS 14837-32:2015(F)
k* nombre d’onde complexe
M* module confiné complexe
M module confiné, valeur dynamique en faible déformation
max
N nombre de coups corrigé obtenu lors de l’essai de pénétration normalisé (SPT)
60
n exposant de contrainte dans l’équation relative à G
max
P flux de puissance vibratoire
p contrainte de référence (pression), p = 100 kPa
a a
Q facteur de qualité du matériau
Q facteur de qualité de roche
c
q résistance de pointe lors de l’essai de pénétration au cône (CPT)
t
R distance radiale, oblique ou le long de la surface
R distance radiale de référence, oblique ou le long de la surface
0
S spectre du flux de puissance de l’onde
PP
S degré de saturation
r
S densité spectrale de puissance de la vitesse vibratoire particulaire
vv
s résistance au cisaillement non drainé
u
t temps
V célérité d’une onde indépendamment du type d’onde
célérité moyenne d’une onde
V
V célérité des ondes de compression
p
V célérité des ondes de cisaillement
s
V célérité des ondes (acoustiques) dans l’eau
eau
v vitesse vibratoire particulaire
v vitesse vibratoire particulaire à la distance de référence
0
v valeur quadratique moyenne de la vitesse vibratoire particulaire
RMS
W énergie potentielle dans un cycle d’hystérésis
Z impédance spécifique des ondes de compression planes
p
Z impédance spécifique des ondes de cisaillement planes
s
z coordonnée de profondeur, profondeur au-dessous de la surface du sol
α exposant d’atténuation en fonction de la distance
γ déformation en cisaillement cyclique (dynamique)
cy
Δt intervalle de temps, différence de temps
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ΔW perte d’énergie dans un cycle d’hystérésis
ε déformation normale cyclique (dynamique)
cy
ζ degré d’amortissement critique (taux d’amortissement) d’un système à un seul degré de liberté (SDOF)
η facteur de perte du matériau
η facteur de perte du matériau pour les ondes de compression
p
η facteur de perte du matériau pour les ondes de cisaillement
s
η facteur de perte du matériau à très faibles déformations, dans une gamme linéaire
max
λ longueur d’onde
re
λ 1 constante de Lamé, valeur dynamique en faible déformation
max
ème
µ 2 constante de Lamé, valeur dynamique en faible déformation
max
ν coefficient de Poisson, valeur en faible déformation
0
ξ taux d’amortissement, ξ = η/2
ρ masse volumique apparente
ρ masse volumique des grains minéraux
minéral
ρ masse volumique de l’eau
eau
σ contrainte normale cyclique (dynamique)
cy
σ’ contrainte effective moyenne
moyenne
σ’ contrainte normale verticale effective
v
τ contrainte de cisaillement cyclique (dynamique)
cy
φ porosité
4 Transmission des vibrations et des bruits initiés au sol
4.1 Généralités
Les vibrations et les bruits initiés au sol dus à des lignes ferroviaires sont transmis par le sol sous forme
d’ondes mécaniques. La propagation des ondes est influencée à la fois par les paramètres géométriques
tels que la forme, l’étendue et la stratification des divers milieux géologiques et par les propriétés
dynamiques des matériaux du sol pris individuellement.
Pour déterminer l’influence des paramètres géométriques, il est nécessaire de comprendre les types
d’ondes, les célérités et les impédances des ondes qui dépendent également des propriétés des roches
et des sols concernés. L’atténuation en fonction de la distance des vibrations et des bruits initiés au sol
dépend en grande partie des effets géométriques en plus de l’effet des mécanismes de perte dans les
divers matériaux du sol.
Pour les vibrations et les bruits initiés au sol dus à des lignes ferroviaires, les déformations dynamiques
qui apparaissent habituellement dans le sol sont essentiellement faibles et se situent dans la gamme où
les matériaux se comportent de façon linéaire. L’hypothèse d’une propagation d’ondes élastiques est
donc possible. Cependant, même pour ces petites déformations, les matériaux du sol présentent une
certaine perte d’énergie interne qui se traduit par une contribution à l’atténuation en fonction de la
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distance. Par conséquent, un comportement légèrement viscoélastique ou hystérétique décrit mieux les
matériaux du sol que ne le ferait dans ce cas un comportement purement élastique.
Dans un milieu élastique, homogène et infini, il n’existe que deux types fondamentaux d’ondes: les ondes
de dilatation (ondes p) et es ondes de cisaillement (ondes s). Pour les ondes de dilatation, les particules
élémentaires ont un mouvement de va-et-vient dans la direction de propagation des ondes, tandis
que pour les ondes de cisaillement, les particules élémentaires se déplacent perpendiculairement à la
direction de propagation. Les ondes de cisaillement peuvent donc être polarisées dans divers plans,
tandis que les ondes de dilatation (ondes p) ne sont pas polarisées. Un sol réel est loin d’être infini et
homogène. Il a des surfaces libres et des interfaces entre diverses couches et milieux géologiques qui
présentent des propriétés différentes. Dans ces couches et milieux géologiques, les ondes de dilatation et
de cisaillement sont transmises, réfléchies et réfractées et interagissent également pour former divers
types d’ondes résultantes telles que les ondes de surface et les ondes guidées le long des surfaces et des
interfaces dans le sol. Ces ondes peuvent souvent véhiculer la majeure partie de l’énergie vibratoire et
donc influer sur l’atténuation en fonction de la distance. Les ondes de ce type sont en général dispersives,
c’est-à-dire que les propriétés de propagation des vibrations peuvent varier considérablement avec la
fréquence et la longueur d’onde.
Dans la mesure où ces types d’ondes complexes qui constituent le chemin de transmission des vibrations
à travers un sol réel proviennent tous des deux ondes fondamentales, les données entrées nécessaires
pour déterminer le champ d’ondes de transmission se limitent aux propriétés des matériaux du sol qui
régissent ces ondes fondamentales, et de plus, à la manière dont ces propriétés sont distribuées à travers
le sol. À partir de ces propriétés et de la géométrie de leur distribution dans les couches et les milieux
géologiques le long du chemin de transmission, il est possible de déterminer, au moins théoriquement,
l’ensemble du champ d’ondes. En pratique, des simplifications importantes sont en général nécessaires
pour apporter des solutions raisonnables aux cas réels.
Pour des informations complémentaires sur ces points, se reporter à la Référence [105].
4.2 Vibrations et bruits initiés au sol — Effet de la fréquence
Les vibrations et bruits initiés au sol sont tous deux transmis à travers le sol et dans les bâtiments
sous forme d’ondes vibratoires mécaniques. Les mêmes mécanismes physiques et les mêmes ondes
fondamentales s’appliquent donc à la fois aux bruits et aux vibrations. La seule distinction porte sur
la fréquence et donc sur la longueur d’onde. Conformément à l’ISO 14837-1, la gamme de fréquences
appropriée des vibrations initiées par le sol dues à des lignes ferroviaires est définie comme étant la
gamme de perception des vibrations transmises à l’ensemble du corps, qui est comprise entre 1 Hz et
80 Hz (voir l’ISO 8041). La gamme de fréquences appropriée des bruits initiés au sol dus à des lignes
ferroviaires se situe dans le domaine des fréquences audibles; l’ISO 14837-1 considère que cette gamme
est comprise entre 16 Hz et 250 Hz environ. Les bruits initiés au sol sont réémis sous forme d’ondes
acoustiques par les surfaces des bâtiments entrant en vibration, tandis que les vibrations initiées au sol
sont transmises à l’ensemble du corps essentiellement par les planchers soumis aux vibrations. En plus
des effets affectant les personnes, les vibrations initiées au sol peuvent avoir également un effet sur les
installations sensibles et même sur les structures des bâtiments.
Bien que la physique de la propagation des ondes soit identique, les effets géométriques, les ondes
secondaires et les mécanismes de perte dominent la transmission par le sol des vibrations mécaniques
et conduisent à des propriétés de transmission dépendantes de la fréquence. Ainsi, la transmission
des bruits initiés au sol sur un site donné peut être considérablement différente de la transmission des
vibrations basses fréquences.
5 Paramètres relatifs à la propagation des ondes dans le sol
5.1 Généralités
L’Article 5 donne un aperçu général sur les paramètres les plus importants des matériaux pour la
transmission des vibrations et des bruits initiés au sol et sur la manière dont ils sont théoriquement
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composés et reliés entre eux. L’Article 6 présente des méthodes pour quantifier ces paramètres par le
biais d’estimations empiriques ou de mesurages.
5.2 Paramètres fondamentaux de propagation d’onde
Dans un solide élastique, isotrope et homogène, il peut exister deux sortes d’ondes de volume planes:
l’onde de dilatation (onde p, onde de compression) et l’onde de cisaillement (onde s). La célérité V de ces
ondes est liée au module de rigidité et à la masse volumique apparente (effective) du sol et de la roche à
travers lesquels elles se propagent, selon les paramètres suivants:
a) célérité, V , de l’onde de dilatation:
p
M
max
V = (1)
p
ρ
b) célérité, V , de l’onde de cisaillement:
s
G
max
V = (2)
s
ρ
où
M est le module confiné élastique;
max
G est le module de cisaillement élastique du milieu;
max
ρ est la masse volumique apparente (effective).
3
En utilisant Pa comme unité pour les modules et kg/m pour la masse volumique, les vitesses de
propagation des ondes issues de ces formules sont exprimées en m/s.
L’indice «max» est issu de la terminologie de la dynamique des sols et des roches. Il désigne la valeur du
plateau stable maximal atteint pour les modules respectifs lorsque les déformations dynamiques sont
suffisamment faibles pour que les matériaux du sol se comportent comme des matériaux linéairement
élastiques. Pour des déformations plus importantes, la non-linéarité conduit à un module sécant réduit
par rapport à cette valeur maximale. Il est indispensable de faire la distinction entre ces modules
dynamiques et les modules destinés à être utilisés en mécanique statique ou semi-statique classique
des sols et des roches. Ces modules sont déterminés pour des contraintes (déformations) beaucoup plus
élevées et pour des charges à plus long terme (permanentes) où la non-linéarité et le fluage jouent un
rôle important. Cela conduit à des modules sensiblement plus faibles que leurs homologues dynamiques
linéaires. L’application de modules statiques dans les calculs dynamiques des sols et des roches peut
conduire à des résultats très incorrects.
Les propriétés de déformation d’un milieu élastique isotrope sont en général uniquement définies par
deux paramètres élastiques indépendants. Il peut s’agir des paramètres M et G . Si, à la place,
max max
on prend le coefficient de Poisson, ν , comme second paramètre, le module confiné, M , peut être
0 max
exprimé à partir du module de cisaillement, G , à l’aide de la Formule (3):
max
21−ν
()
0
MG= (3)
maxmax
12− ν
0
Le coefficient de Poisson utilisé ici avec l’indice «0» est celui qui s’applique aux faibles déformations
dynamiques en régime élastique linéaire et qui peut être sensiblement différent de son homologue
quasi-statique utilisé en mécanique des sols et des roches.
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La célérité de l’onde de dilatation, V , peut ensuite être exprimée à partir de la célérité de l’onde de
p
cisaillement, V , et du coefficient de Poisson, ν , à l’aide de la Formule (4):
s 0
21−ν
()
0
VV= (4)
ps
12− ν
0
La Formule (4) fait apparaître que V est toujours supérieur à V , c’est-à-dire V > V , et que V /V
p s p s p s
augmente considérablement lorsque ν s’approche de 0,5.
0
Le coefficient de Poisson ν peut être déterminé à partir des célérités des deux ondes de volume
0
fondamentales, V et V , à l’aide de la Formule (5):
p s
22
VV−2
ps
ν = (5)
0
22
2 VV−
()
ps
Si le module de Young E est utilisé en tant que second paramètre élastique, il est lié au module de
max
cisaillement G et au coefficient de Poisson ν selon la Formule (6):
max 0
EG=+21 ν (6)
()
maxm0 ax
En variante, le module de compressibilité K peut être utilisé comme l’un des deux paramètres
max
élastiques. Sa relation avec les autres paramètres est présentée ci-dessous:
4
KM=− G (7)
maxmax max
3
La Figure 1 spécifie les grandeurs de contrainte et de déformation ainsi que les axes de coordonnées
dans le sol. La compression est positive, c’est-à-dire σ > 0. Le premier indice de la grandeur de
cisaillement τ représente la direction et le second indice représente le plan.
Légende
a plan x Δτ = Δτ
xy yx
b plan y Δτ = Δτ
yz zy
c plan z Δτ = Δτ
zx xz
Figure 1 — Grandeurs de contrainte et axes de coordonnées dans le sol
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ISO/TS 14837-32:2015(F)
La Figure 2 illustre les modes de modification des contraintes et des déformations pour lesquels chacun
de ces modules doit être appliqué. Les deux constantes de Lamé constituent un ensemble alternatif de
paramètres élastiques.
NOTE Les deux constantes de Lamé constituent un ensemble alternatif de paramètres élastiques. Ces
constantes sont uniquement liées aux paramètres déjà définis. Lorsqu’elles sont utilisées pour des matériaux
de sol et de roche, il est oppor
...
Questions, Comments and Discussion
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