（机械设计及理论专业论文）振动压实对环境的影响.pdf

摘要 在公路施工中，道路振动压实能显著提高基础材料的强度和稳定性，是一种 最基本的公路施工方法。重型振动压路机由于能满足高等级公路要求而得到了广 泛的应用，但重型振动压路机强烈的激振力和噪声造成了区域环境污染。对道路 沿线人及建筑物的影响不可忽视。本文对公路施工中振动压路机造成的地面振动 和噪声进行了监测，通过频谱分析和数据处理，得到了地面振动加速度和噪声随 距离衰减的一般规律，并对隔振降噪措施进行了初步的试验研究，提出了一些防 治措施，对公路施工有一定的指导意义。 关键词：振动加速度振动衰减噪声衰减隔振沟隔声屏 a b s t r a c t n 忙c o m p a c t i o nt e c h n o l o g yc o m b i n e dv i b r a t i o nw i t hi m p a c f i o n w h i c hc a l li m p r o v et h ei n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yo fm a t e r i a l ，h a sb e e nv a s t l y u s e df i t sab a s i cc o n s t r u e t i o nm e t h o dj nr o a dc o n s t r u c t i o n v i b r a t i o nr o a d r o l l e rh a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fm e e t i n gt h en e e do fh i g h w a y h o w e v e r g r o u n dv i b r a t i o na n dn o i s ep r o d u c e db yv i b r a t i o nr o a dr o l l e r a f f e c t st h eb u i l d i n ga n de n v i r o n m e n ta r o u n dt h er o a d ，w h i c hc a nn o tb e n e g l e c t e d a c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n c y s p e c t r u ma n a l y s i sa n ds t a t i s t i c a l r e g r e s s i o no f t h em e a s u r e de x p e r i m e n t a ld a t a ，i ti sa n a l y z e dt h es p r e a d i n g r u l eo fg r o u n dv i b r a t i o na n dn o i s e s o m ee x p e r i m e n t sa r em a d et or e d u c e g r o u n dv i b r a t i o na n dn o i s e s o m ep r e v e n t i v em e a s u r e sa r ea l s o s u g g e s t e d a b o v ea l l ，t h i si su s e da sr e f e r e n c ef o rr o a dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：v i b r a t i o na c c e l e r a t i o n v i b r a t i o na t t e n u a t i o n s o u n da u e n u m i o nv i b r a t i o ni n s u l a t i o nt r e n c hs o u n db a r r i e r 第一章绪论 1 1 立爱的背景与意义 随着现代工业的迅猛发展，城区规模的日益扩大，振动与噪声对人们生活环 境和工作环境的影响已经引起普遍关注，振动与噪声的危害及防治已成为环境保 护中一个重要的研究课题【1 心。 在公路建设中，使用振动压实设备对路基进行压实，能显著地改善填方的承 载能力，提高不渗透性，在多数情况下，可以大大降低由于土壤固结而引起的沉 降。因此，用振动压路机进行振动压实是提高基础材料的强度和稳定性的一种经 济而有效的方法。利用振动压实设备的机械压实技术，已达到高度发展水平，可 以说，任何一种地基的处理都离不开压实，压实施工已被广泛应用于公路、机场、 水利和建筑施工之中。 我国公路建设力度大，新建和旧路改建频繁，公路建设等级高。由于重型振 动压路机具有线压力大、压实效果好、施工效率高等特点，能满足高等级公路的 要求而得到越来越广泛的应用。然而在邻近居民区和建筑群的道路施工或旧路改 造工程中重型振动压路机强烈的激振力和噪声对区域环境污染严重，造成了沿 路建筑物不同程度的损伤。由此引起了许多民事纠纷，导致公路施工受阻或停工， 影响了工程正常的进展，延缓了公路建设的进度，给施工单位造成巨大的经济损 失。 国外对振动与噪声控制的研究比较早，2 0 世纪六七十年代已经制定了比较 详细完善的关于振动与噪声方面的环境保护法规，并在隔声降噪方面有比较成熟 的经验。我国也先后制定颁布了噪声与振动方面的标准一百六十余个，这些法规 和标准大大促进了噪声与振动控制技术和该行业的发展。但是，对道路施工时振 动机械所引起的不利影响及其防治却没有人进行过深入的研究，国内外都无减少 施工时振动与噪声影响的相关标准，没有简单而实用的治理措施，对施工中遇到 的民事纠纷的处治缺乏可信的依据。 与国外相比，我国地域辽阔，土壤类型多，土质变化大，人们的居住观也与 国外不同，公路沿线人口密度较大且邻近道路居住。从技术上来看，振动施工机 械边行走边进行振动工作，不同于固定振源，而且不同类型和吨位的振动压路机 采用不同的振动参数( 频率、振幅) 及以不同的工作速度作业，在不同压实遍数 时，振动波的传播过程又不完全相同，对这种复杂的振动波沿地表的传播规律国 内外尚无人进行过深入的研究。尽管国内外对振动波沿空间传播时形成的噪音的 传播规律有深入的研究但研究主要集中在铁路、汽车运输时沿其四周径向盼扩 散，对沿四周高度方面和沿地表的传播也处于探索之中。与汽车相比，振动压路 机这类振动工作机械的振动强度要大得多，振动波不仅沿振源四周径向，而且治 空间高度方向及地表的影响都很大，传播距离远，会造成附近建筑物损伤及人和 生物的极不适应，随着“以人为本”和可持续发展的理念深入人心，已经到了非 防治不可的地步了。 因此，非常有必要对公路旌工时振动压路机引起的地面振动和噪声进行监 测，以便有效地预测和控制这些振源和噪声源对周围建筑物和居民的影响，及时 地做出相应的防治对策，保证公路建设的安全和顺利旌工，维护道路沿线居住群 的身心安全和建筑群的寿命，营造一个文明施工环境，避免公路施工引起的民事 纠纷。因此，本课题的研究具有重要的社会效益和一定的经济效益。 1 2 国内外振动与噪声污染的研究概述 随着人们生活水平的提高和环保意识的不断增强，振动与噪声污染已经引起 人们的日益关注。国际上对振动与噪声污染进行了大量的研究，许多国家都把交 通车辆引起的振动的传播规律及其对周围环境的影响以及控制列为重要的科学 研究课题。近年来，振动与噪声控制已引起我国一些学者的重视，进行了一系列 的研究，并得到了一些初步的研究成果。 1 2 1 振动对环境影响的研究现状 在国外，有关波的传播及其衰减规律的研究最早从h 1 a m b e 的经典论文 3 1 开 始后此后有关这方面的文献资料陆续发表例如爆破振动分析 4 1 、振动 计算与隔振设计f 5 j 等专著中均有论述。g b o m i t z 提出了考虑几何阻尼和材料阻 尼效应并结合土的实测参数( 土的能量吸收系数或衰减系数) 的实用计算方法来 计算地面振动衰减【酣。w a t t sgr 、m b a t a 探讨了交通振动对地面的影响【7 1 。 d e g r a n d eg 提出了土中波传播的数值计算方法i s ! 。t f u j i k a k e 就交通车辆引起的 结构振动机理、振动波在地下和地面的传播规律及其对周围居民的影响进行了研 究，提出了周围环境振动水平的预测方法例。g v o l h 魄等通过对几种不同场地土 测试结果的统计，分析了列车引起的地面振动传播和衰减规律【姗。 在国内，张有龄对“由振源引起的地基振动及主中波舶传播和衰减问题” 进行了详尽的论述【i i 】。茅玉泉通过大量试验研究，研究了火车、汽车在运行过程 中引起的地面振动特征和衰减，探讨了振动的传播衰减规律，提出了地面垂直振 动和水平振动衰减的经验公式f 1 2 】【1 3 1 。杨先健等人研究了打桩振动的振源机理、 波的传播和衰减规律、环境影响评价及防振对策【1 4 1 。孙进忠等提出了强夯振动 的频域分析方法，对实测振动资料进行谱分析，求出衰减速率与频率的关系 声= ( 厂) ，并可进一步求取介质对振动传播的作用函数和振源的激励函数，是对 上述振动分析的进一步发展【1 5 】。 应用屏障是防止和减轻地面振动的有效措施，对该问题的研究始于本世纪 4 0 年代，并很快引起学者的重视，进行了一系列的研究。如b a r k a n ( 1 9 6 2 ) u 6 1 、 w o o d s ( 1 9 6 8 ) 【l7 】等对屏障隔振问题进行了试验研究。其结果认为。应用明沟作 为屏障隔振，构成有效隔振的明沟深度应是瑞利波长的0 3 3 1 1 3 倍：s e g o l ( 1 9 7 8 ) 【ls 】等采用有限元法研究了明沟隔振情况下各种参数的影响：m a y 和b o l t 曾提出 有关利用明渠时( 1 9 8 2 ) 用平面应变有限元法分析隔振情况【悖】；钱菊生通过边 界元法计算和试验研究，得出了一些关于明沟和填充沟的隔振规钭2 0 l 。 以上国内外对振动波的传播的研究主要集中在轨道交通和桩基施工方面，对 于振动的波动理论和屏障隔振有了一定的研究，对于波在介质中的传播和衰减的 认识比较全面，得出了许多重要的结论，而对道路施工机械所引起的振动还没有 人进行过深入的研究。 1 2 2 噪声对环境影响的研究现状2 1 h 2 7 】 进入2 1 世纪，随着人们环保意识的加强和生活环境的改善，声质量已成为 共同关注的问题。噪声污染是四大环境公害之一，已经成为2 l 世纪环境污染控 制的主要对象。国外对噪声的研究较早，有成熟的道路交通噪声预测模型和噪声 控制经验。而且制定了比较完善的噪声法规及标准，如美国、e t 本。我国对噪声 污染的研究起步较晚，但是在近几年内，我国很多学者对城市环境噪声预测、噪 声危害及其防治做了大量的研究，但对工程机械旌工的噪声预测还没有进行过研 究。 声屏障作为减少道路交通噪声、铁路噪声和机械噪声的重要手段，已被许多 国家广泛采用，有关声屏障原理的研究已相当成熟。从六七十年代起，一些发达 国家已开展了声屏障的理论研究，并实施了许多具体工程。美国在七十年代初就 建立了2 5 0 英里的道路声屏障，日本到九十年代初修建的声屏障总长超过1 6 0 0 公里。联邦德国到1 9 8 7 年已修建声屏障5 0 0 公里为了使声屏障建造规范化， 这些国家纷纷制定了声屏障设计规范。目前，我国在北京、上海、济南、广州、 深圳等大城市也修建了声屏障。由于其降噪效果明显，投资小，声屏障己成为我 国减缓公路交通噪声的一项有效的工程措施。 从以上国内外对噪声的研究可以知道，我国至今还没有自己的交通噪声预测 模型，还没有对施工机械的噪声进行过系统的研究，对施工机械的噪声防治也没 有简单有效的防治方法。 1 3 本文的主要研究内容和方法 本文将探讨道路振动压实对环境的影响。一方面，通过理论分析和对振动压 路机产生的地面振动进行数据采集，统计得出振动压路机施工时的地面振动衰减 规律，结合建筑物地面容许限值，制定出安全施工标准，探讨振动压路机的安全 工作距离及隔振措施，为正确评价振动压路机对环境的影响提供科学依据，找出 既能满足道路压实度要求，又不损害周围建筑物及固定设施的对策：另一方面， 对振动压路机施工时的强烈噪声进行监测，得到噪声的传播规律及主要传播路 径，并结合我国制定的有关噪声标准，提出降低噪声污染程度的对策，最终形成 道路振动压实的文明施工规范，指导工程建设顺利进展。 为了了解和掌握道路施工时振动波和噪声的传播规律以及振动波对邻近建 筑物的影响范围和破坏机理，从而有效地预测和控制区域环境污染，以防止或减 少对周围建筑物的破坏及噪声污染程度，拟从以下四个方面进行研究： 1 、振动压路机产生的振动波在土壤中传播的衰减规律 选定具有代表性的路段作为试验现场，进行标准振动压实试验，通过测定距 振源不同距离处的振动信号，得到地面振动波传播的衰减规律；对不同参数时振 动波的传播规律及影响范围、对建筑物的破坏机理做出分析；参考相关规范并加 以比较，为建筑物的安全提供科学的评价指标； 2 、噪声传播的衰减规律 通过在不同位置布置测点，用声级计对声强进行测量，统计得到其在空气中 传播的衰减公式，结合相关噪声规范，制定公路施工时噪声最高限值 3 、隔振沟的隰振效用 通过在不同位置上对振动信号的采集，分析并比较振源与隔振沟闻不同距 4 离、隔振沟不同宽度和深度时对振动波传播规律的影响，制定出比较合理的隔振 沟参数，指导施工的顺利进行。 4 、声屏障的降噪效用 按照噪声测点布置图，对声屏障后的噪声进行测试记录，分析并比较声屏障 长度、高度和厚度对噪声传播的影响，为制定简单实用的降噪措施提供依据。 本文以府店一级公路的振动和噪声监测为工程实例，应用现代科学提供的 试验技术、计算机技术等科学研究手段，例如数理统计分析、回归分析、相似理 论、信号分析与处理等技术。分析振动压实时振动和噪声传播衰减的一般规律表 达式，并对隔振降噪措施进行效用试验，对道路工程施工提出某些指导性建议。 第二章振动与噪声的传播 2 1 振动传播 2 1 1 基本振动 振动是物体运动的一种特殊运动形式，是物 体位移按一定规律或一定统计特性运动的一种物 理现象。振幅、频率和持时常被称为振动三要素。 振动压实机械，通过安装在一根或几根轴上偏心 质量( 非平衡质量) 的旋转，产生均匀而稳定的 旋转振动，见图2 - 1 。在压实过程中，压路机激 振器系统的振动基本是一连续周期变化的，见图 2 - t 圆周循环振动器 2 2 。 图2 - 3 表示一正弦波振动过程，振动位移x 作为时间t 的函数，x = f ( f ) 可用以下数学式来表示 x = a s i n ( r a t + 庐) ( 2 1 ) 其中：，频率，h z ： 角频率， = 2 万= 2 r t t ，r a d s a 振幅，m m 。 图2 - 2 振动轮实测波形图2 - 3 正弦波振动过程 振动速度矿和振动加速度口的瞬时值，可由振动位移x 导出，见表2 - 1 表2 - 1 振动速度、加速度与振幅关系 振动速度振动加速度 y = 警= _ ( 2 矿) c 协小r ) 口= 窘= 彳( 2 群s m ( 2 州，) 6 质点振动的振幅是指振动加速度、速度、位移三者之一的峰值、最大值或某 种意义上的有效值。振幅的大小是振动能量大小的反映，振幅的变化反映了振动 强弱的变化。对振动压路机施工时产生的地面振动，我们可以用振幅的最大值来 描述其振动的强弱。 2 1 2 振动波的传播机理与衰减o o 叫”1 波的传导问题，最早源于地震现象，近年来随着工业的发展，人为引起的振 动不断引起重视。这些振源包括公路交通、铁路交通、建筑施工、公路施工以及 机械引起的振动，这些振动通过土壤传递到邻近的建筑物，造成干扰性的振动和 破坏。为了防治这些现象，必须首先了解振动波的传播特性。物体内的各部分是 相互联系的，当弹性介质的某一局部受到扰动时，靠近振动源的部分最先受到影 响。介质受到扰动而引起的变形，将以应力波的形式逐渐传播到介质的各个部分， 从而形成弹性波。弹性波在传播过程中，并不引起振动质点的位移，振动质点只 是在自己的平衡位置附近振动。 振源产生的弹性波，在土中传播时，其振幅会随着传播距离的增大而减少， 这种现象称为波的衰减。波的衰减是由两种不同的效应引起的： l 、几何阻尼。各种形式的波向外传播时，都会使参振物质的体积逐渐增大， 因而每一种波的能量密度都将随着离开振源距离的增大而减小，这种能量密度的 减小( 表现为振幅的减小) ，被称为几何阻尼。 媾 2 、粘性阻尼。因为地基土不是完全弹性的，波通过土层时，传播的振动能 量还会因土的材料阻尼( 摩擦和粘聚力) 而消耗，被称为粘性阻尼。 在压路机与地层动态耦合的压实中，所传 激振嚣表面波 输的振动能量以空间波( 压力波及剪切波) 和 表面波两种形式分布，有时以两种波的组合形 式出现，见图2 - 4 。 振动压路机作为施工机械不仅产生有用 的压实振动，同时也会引起有害的环境振动。 振动压路机在工作时，冲击波( 体积波) 连续 图2 _ 4 振动波的传捶 不断的传入土中并向四周发散。其波幅取决于激振器类型和所传递能量的大小。 由于振动压实的振源接近地表面，故振动主要以表面波形式分布表面波是地面 振动的主要传播形式，表面波的波型主要是与表面或接近表面的土壤结构有关， 表面波的振幅随着离振源距离的增加而迅速减小，我们把这种现象称为地面振动 振幅随距离衰减，简称振动衰减。振动能量的2 3 以表面波沿地面表层在大约一 个波长区域深度内向四周传播引起环境振动，其余l ，3 以体积波向纵深传播起压 实作用。 与源自爆炸的振动相比较，位于表面的振动设备所产生的振动波的传播，明 显小于前者。但是，在压实过程中，有一件事实必须加以考虑，就是表面波和空 间波对建筑物( 管线、墙壁、烟囱结构等) 要产生反复影响。 2 1 , 3 振动波衰减规律的量纲分析p 6 1 1 3 7 】 振动分析中用到的基本量纲有三个：长度 l 】；时间【q ；质量【m 】。由基本量 纲推导出来的量纲，称为导出量纲。它一般可用三个基本量纲的指数乘积形式来 表示。如x 为任一物理量，其量纲可用式( 2 2 ) 表示，即 x = l a t b m 】 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 称为量纲公式。物理量x 的性质可由量纲指数a 、b 、c 来反映；若a 、 b 、c 有一个不为零，则x 为有量纲量；若a 、b 、c 均为零，则x 称为无量纲量或 无量纲数。 振动过程受震源、场地条件和测点距震源的距离这三个因素来控制，因此， 可以认为振动过程涉及蓟酌重要物理量有九个，见表2 2 。 表2 - 2 振动问题涉及的重要物理量 变量量纲 u = 地表振动位移 l v = 地表振动速度 u 困变量 p 地表振动加速度 u 。2 f - 振动频率 r i g = 振动轮质量 u 2 f 与振源的距离 l 重要的自变量p = 地基土密度 l 。 c = 波速r t = 时间 t 根据r i 定律，可选取地表振动位移u 、波速c 、振动轮质量g 为三个基本 物理量，即x i - - - u ；x 2 = e ；x 3 = g 。由表2 3 ，所分析问题的物理量总数目n = 9 ；基 本量纲数目m = 3 ，兀数目= 9 - - 3 = 6 。 可得到六个无量纲n 数 兀= u a t c g “v r i 3 = 。4 c p , g “f 兀5 = t a a s c 岛g “p 根据量纲一致性原则得 于是，令x 4 = v ：x s ：a ：x 6 = f ；x 7 _ r ：x 产p ：x 。= t 届一2 尾2 2 屈2 1 风2 0 展一2 成一1 1 7 2 = “口1 c 岛g n a f i - = “c 风g “， 兀6 = ”q c 几g h t = 1 ，2 = 0 乃2 0 ，4 2 0 扎2 1 心= 0 r i l = o c g = w 2 g n 2 = a u 一1 c 2 = u a c 2 f 1 3 = f u c = u f c兀4 = r u r i 5 = p u - 2 c g = p u “ci g1 1 6 = t u c 一= c t u 不同无量纲数兀的乘积和乘方仍为无量纲数，因此有 了u a = 中等等丢丁p u 2 c 2 ，剖 cz 吲 取1 7 。、n ，进行如下组合，得到新的无量纲数n ， n ，= ( n 4 2 n ”- f 刳2 ， 。：卅 对于某一场地来说，p 和c 可近似为常数；对于选用的振动压路机，其振动 轮质量g 也是常数。从而，由式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 4 ) 可以认为振动加速度a 和距 离r 间具有函数关系，考虑地面振动随距离的衰减，可将此函数关系写成 i na = i n 口一卢i nr(2-5) 上式中，一p i n t 项表示振动加速度随着距离r 的衰减，卢为衰减指数，主要反映 场地介质条件的影响。而口则综合反映了场地介质条件与振动压路机质量对质点 振动的贡献。对式( 2 5 ) 整理后得到振动衰减的规律 a=otr一声(2-6) 9 l 1 2 卸 一 一 司 一 司 讲 咖 以 m 矾 m 故 2 。2 噪声传播【3 8 】一1 4 0 l 2 2 1 噪声基础知识 工程机械动力系统的噪声是工程机械的主要噪声辐射源，对整个工程机械的 噪声级有着决定性的影响，控制机械噪声是工程机械行业里的一个重要课题。工 程机械在施工时声级高，难控制，不仅影响驾驶员的身体健康和工作效率，同时 也对周围环境构成了严重的噪声污染。国外从7 0 年代就开始对工程枫械的噪声 级进行限制，并制定了相应的法规，我国虽然也有相应噪声限制标准，但与国鞴 上相比有着较大的差距。 l 、声音的物理量度一分贝 声音的物理量声压、声强和声功率级的划分采用数学中常用对数来表达，单 位叫分贝，记作d b 。声压级的定义是某声压与基准声压之比的常用对数乘以 2 0 ，用数学式表达为： l 。= 2 0 1 9 -( 2 - 7 ) d b 式中 声压级，分贝； p 被测声压的有效值，p a ： 只基准声压( 频率1 0 0 0 h z 时可听阀声压为2 1 0 一p a ) 。 2 、分贝平均值的计算 噪声是声源无规律的振动，如图2 - 6 。噪声控制工程中有时要确定某噪声源 的指向特性，以及要求在某一点多次测量声压级取其平均值，这时需要计算平均 声压级e 。 平均声压级的计算方法是由分贝求和而来，即将分贝求和的数值除以级的数 目n 得平均分贝数，如式。 - - = 1 0 1 9 l p 悖o o i 沼s ， 露10 0 ”叫 沼8 ) 式中三。第i 个声压级，d b 。 在用声强法测量机器噪声声功率试验中，当测量值变化范围不超过一定数值 时，在机器声功率级测量方法标准中，建议用分贝数的算术平均值代替能量平均 值。一般地，当测量机器的声强级数据波动范围不超过5 d b ，用分贝的算术平均 值代替平均声强级，最大误差为o 7 0 7 d b i 当为6 分贝时，最大误差是1 0 0 9 r i b i5 5 1 。 在这次噪声测试试验中，我们用算术平均值代替平均声强级。 1 0 2 2 2 噪声的传播与衰减 噪声在空气中传播时，空气质点只在它的平衡位置附近作纵向振动，即传播 出去的是物质运动的能量，而不是物质本身。声波自声源向四周辐射，其波前面 积随着传播距离的增加而不断扩大，声音的能量被分散开来，通过单位面积的相 应声能减小，如图2 - - 5 。因为声源每秒钟发出的声能量是一定的，所以声音的 强度一般随着距离的增加而衰减。理论上，对于点声源来说，声音大小与传播距 离的平方呈反比规律衰减，当距声源距离增加为2 、3 、4 倍时，声音的能量将相 应地减少到1 4 、1 1 9 、1 1 6 等，如图2 6 。 、 ，o 、 ，7，1 、f ，、 寸辨( 1 逝j 一 、 ， i 一。7 图2 - 5 点声源的球面辐射图2 - - 6 点声源的衰减 在噪声传播过程中，由于自然衰减( 随着传播距离的衰减) 、传声媒质吸收 声能、传播过程中遇到各种障碍物( 如建筑物、屏障、草坪地势的变化) 等因素 的影响，噪声会不断地衰减，所以噪声的传播距离是有限的，其污染的影响范围 主要集中在噪声源附近。 声源大致可划分为点声源、线声源、面声源三类。各类声源在空气中传播的 衰减特性是噪声预测要考虑的重要因素之一。当声源尺寸远小于观测点和声源之 间的距离时，可认为该声源是点声源。对于单个振动压路机，我们也可作这样的 抽象近似。点声源在自由声场中以球面波传播。在半径为r 的球面上，其声强为 ，：告 ( 2 - 9 ) 扛石 “叫 式中声源声功率级。 由式( 2 - 9 ) 不难看出，声强随着距离的平方成反比衰减。如果用声压级和 声功率级来表示，其关系为 冬 三p = 工一2 0 1 9 r 一1 1 ( 2 1 0 ) 式中o 声源声功率级，d b ； 工。距离r 处的声压级，d b 。 有关学者利用声的波动理论，从理论到实践对此问题进行了许多研究工作。 但施工噪声在传播过程中，经常会遇到各种屏障和障碍物，由于这些屏障和障碍 物对声波的折射和绕射作用，改变了声波的传播特性，因此噪声的衰减规律应以 现场测试结果为准。 2 3 结语 由于表面波集中了2 3 的振动能量且会对建筑物造成损害，振动压路机施工 时主要考虑表面波的影响，地面振动加速度按负幂函数规律急剧衰减；施工噪声 的传播由于受环境影响比较大，其衰减规律应以现场测试结果为准。 1 2 第三章振动与噪声控制 3 i 振动控制 随着工业交通运输事业的发展和建筑施工任务的加大，大功率动力机械设备 得到越来越广泛的应用，与此同时，带来的振动危害也越来越严重，我们必须采 用一定的措施来防治振动对周围环境的污染。 3 1 1 振动危害m 3 随着现代工业、交通运输和建筑施工事业的发展，振动工具和产生强烈振 动的大功率机械动力设备不断增多，带来的振动危害也日益突出，控制振动是当 前环境保护和工程界需要迫切解决的重要问题之一。机械振动不仅产生噪声，而 且强烈的振动本身又要引起机械部件疲劳和损坏，使建筑物结构强度降低甚至变 形，使精密仪器仪表失灵。特别是长期在强烈振动环境中工作的工人，会受到职 业性危害，产生振动病，给生产带来直接或间接的经济损失。 l 、振动对人体身心健康造成危害 在大型锻锤、压力机、重型压路机等设备附近操作的工人，振动会通过人体 的支撑面传递到整个人体上。长期工作在振动环境中，造成操作人员身心健康受 损。影响视觉，造成阅读或观察的正确性和效率下降；干扰手的操作不准确，操 作速度下降，甚至出现误操作，引起事故；妨碍精力集中，特别在振动和噪声共 存的环境下，人的大脑思维受到干扰，难以集中精力进行判断、思考、运算和操 作，从而造成工作效率下降。 2 、振动对建筑物的损害 振动对建筑物的危害是由以下两个方面原因造成的。其一，振动施于建筑物， 建筑结构变形将不断增大，就会造成结构受到损害。常见的破坏现象为基础和墙 皮龟裂、墙皮脱落、地基下沉等。尤其是当振动频率和建筑物等结构的频率相近 或一致时，损坏将更严重，可能会使建筑物倒塌。其二，若设备或结构基础的地 质情况不好。则振动会引起基础不均匀下沉会使建筑物墙体裂缝，甚至断裂。 3 、振动产生噪声 振动的物体可以直接向空气辐射噪声，这就是空气声。振动又会在土壤中传 播，在传播过程中，又会激起建筑物基础、墙体、门窗、管道等的振动。这些物 体的振动又会再次辐射噪声，这种噪声叫固体传声。显然，固体传声加大了噪声 的危害和影响。 3 1 2 隔振技术 1 、振动控制的基本方法 常见的工程施工振源如打桩机、打夯机以及振动压路机，由于振动强度大， 不仅干扰周围居民生活，而且会对建筑物造成损害。 对于重型振动压路机来说，我们可以从以下三个方面来控制振动对环境的影 响： ( 1 ) 控制振源。控制振源振动是使危害严重的振源强度控制到最小程度， 如在公路施工中使用中型或小型振动压路机。 ( 2 ) 控制共振。使振动波的频率尽可能地避开建筑物的自振频率。 ( 3 ) 隔振技术。振动对环境的影响，主要是通过振动波传递来达到的，隔 断振动波传递路径就可使振动得到有效控制，如隔振沟等。 2 、隔振技术隔振沟的应用1 4 4 1 振动影响主要是通过振动传递来达到的，减少或隔离振动就可使振动得到控 制。在屏障隔振中，通常根据距离分为两类，第一类为近场积极隔振，主要是在 靠近或围绕人工振源采用屏障以减少振源辐射出来的波能，即减少振动的输出。 第二类为远场消极隔振，主要是远离人工振源而在振幅必须减少的场地附近采用 屏障，以减少振动的输入。在不满足最小施工安全距离的条件下，设置人工隔振 沟是工程实际中所经常采用的一种有效方法。 利用振动压路机进行公路施工是短期行为，是被动隔振。隔振沟的效果与振 源至沟中心的距离、沟长、沟宽、振动波波长及沟内填充物的性质有关。隔振沟 长度可借鉴w o o d s 等按口角的取值法，具体的沟位置、沟深和沟宽设计应按测试 情况决定。隔振沟的效果很少见到详细的文献报道，根据已有工程实践分析，隔 振沟的效果在沟边测点效果显著，远离沟效果不佳；隔振沟对高频能量隔振优于 低频；屏蔽区大小与隔振沟深度和长度成正比，与沟至振源距离有关，但是沟宽 影响不大。隔振沟填充物应选择两种介质波阻抗差异尽量大的材料，如空隙、沙 等 3 1 3 振动的评价及控制标准 1 4 通过实地测试研究振动波对建筑物影响程度主要有以下几种方法： ( 1 ) 单一参数法。该方法选择造成建筑物破坏相关性较好的振动参数，以 此为控制量，通过观测并以相应的安全标准为依据，判定对建筑物的影响程度。 ( 2 ) 振动烈度法。该方法考虑振动波的频谱特性和结构的自振周期。 ( 3 ) 动力分析法。该方法沿用地震工程学中的反应谱理论和动力学方法， 对振动进行频谱和反应谱分析，计算结构的动力反应和结构中产生的应力应变， 能准确地进行振害分析并指导抗震设计，是目前最先进的方法。 比较上述三种方法，单一参数法的结论带有片面性和保守性，对不同场区和 不同建筑的适应性较差，但是该方法简单，无须繁琐计算，在一般振动测定中能 满足安全评定的要求。因此，它仍为目前最广泛使用的方法。 1 、振动控制标准 振动对建筑物的影响评价，可通过对地基土振动的特性参数如振幅、频率、 速度和地面质点的振动加速度来确定等级和影响范围及对建筑物产生振动影响 的安全距离。目前，常用的衡量振动强度的判据为振动速度和振动加速度，以此 作为危害建筑物安全的指标。对于某点的振动加速度应该是对该点进行测量的三 个分量( 纵向、横向、垂直向) 的平方和的平方根。但因为这三个分量在一个数 量级范围内，故常用最大的分量作为判别破坏程度的依据。 振动加速度标准 我国建筑抗震设计规范( g b j l l - 8 9 ) 中对地震烈度的定义，地震烈度与 相应的水平和垂直加速度的关系，参见表3 一l 【4 7 1 。 表3 1 建筑抗震设计规范 地震烈度水平加速度垂直加速度 9 0 4 90 8 9 8 0 2 90 4 9 7 0 1 90 2 9 6 0 0 5 90 1 9 5 0 0 2 5 90 0 5 9 振动速度标准 国内外对振动效应的研究结果见表3 - 2 “”。 表3 - 2 建筑物的临界安全速度 速度v ( c m s )影响程度 0 8 1 5 陈旧房屋的允许限 1 o 居住房屋的允许限 1 5 3 已出现变形的房属的允许限 1 o 6 0粉刷裂缝、抹灰脱落 2 3 远离振区的房屋的允许限 3 o 工业建筑物的允许限 3 6 质量较好的房屋的允许限 7 3砖砌墙门框破坏 6 2 0 墙和其他构件出现裂缝、抹灰脱落 1 0 地基不良时砖砌房屋严重破坏 1 0 2 1 2 7砖石房屋开始破裂 1 2构筑物允许限 1 2 1 4 墙出现裂缝 1 3 2 砌筑在坚岩上的房犀无明显破坏 1 6中等破坏 2 2 8砖房严重破坏 主要国家和地区建筑物振动安全速度1 4 9 1 1 5 0 】 下面引述一些国家和地区采用的爆破振动安全速度的控制值。 ( 1 ) 我国爆破振动安全标准( 新爆破安全规程征求意见稿) 我国爆破振动安全标准规定，般建筑物和构筑物的爆破地震安全性应满足 以下安全速度要求： 土窑洞、土坯房、毛石房屋5 l o m m m 一般砖房、非抗震性的大型砌块建筑物l o 2 5 m m s ； 钢筋混凝土框架房屋2 0 4 0 m m s 。 这里仅将建筑物分为三类，尚未考虑建筑物与爆破波的动力响应特性。下面 几个标准对于建筑物划分较细，且考虑了频率影响。 1 6 ( 2 )原民主德国标准( d d r k d t ) 表3 - 3原民主德国标准 建筑物分类频率范围( h z ) 垂直分量峰值质点速度( m s ) 2 3 0 2 有历史意义的建筑物 3 0 1 0 02 1 4 2 3 0 5 木栅式结构 3 0 1 0 05 3 6 2 3 0l o 砖白或混凝土墙结构 3 0 1 0 01 0 7 1 2 3 03 0 铜结构、钢筋混凝士结构 3 0 1 0 0 3 0 2 1 5 ( 3 ) 瑞士标准 表3 - 4瑞士标准 建筑物分类频率范围( h z )峰值质点速度( s ) l o 6 03 0 钢结构、钢筋混凝土结构 6 0 9 03 0 4 0 l o 6 0 1 8 砖混结构 6 0 9 01 8 2 5 1 0 6 0 1 2 砖石结构、木阁楼 6 0 9 01 2 1 8 1 0 6 08 历史性及敏感性建筑 6 0 9 0 8 1 2 ( 4 ) 原捷克标准 对于波频带在1 0 5 0 h z 的情况下把建筑物分为三类，其峰值质点速度的控 制值如下： 已有破坏征兆的建筑物、条石、空心砖等砌筑不良的建筑物2 m m s ； 一般砖石结构、预制块件结构、框架墙、石砌墙建筑4 m m s ； 钢筋混凝土建筑1 0 m m s 。 ( 5 ) 法国规定 人口稠密的市区内建筑物安全振动速度不得超过1 0 m m s 。 ( 6 ) 澳大利亚标准 把建筑物分为三类： 历史性、纪念性建筑及其其它有特殊价值的建筑物，速度 2 m m s ； 低层的居住建筑或商业建筑，速度 1 0 m m s ； 钢筋混凝土建筑或钢结构的工业或商业建筑，速度 2 5 m m s 由以上引述的规范、规程或规定看出，在制定安全速度准则时应考虑以下几 个因素： a 对建筑物类型应进行合理分类，不同类型应有不同的振动安全速度极限 值； b 对建筑物附近的地基场地进行适当分类，以便确定振动波的主频率范围 是否避开了建筑物的共振频率： c 振动产生的质点速度应以建筑物基础地表的质点速度作为标准。至于房 屋的响应可进一步根据基地的振动输入进行估计，对于特别重要的建筑物应以动 力响应分析结果或实测结果判定； d 对于振源邻近的建筑物，还应该考虑振动波的重复影响。 2 、安全判据的制定 由此可知，安全距离的确定应根据被保护物的要求确定，并要结合当地的实 际施工情况。另外根据文献瑚】，人的反应与地面质点速度之间的关系大致可分 为：可感( o 2 o 5 e r a s ) ，感到显著( o 5 - 0 9 7 e r a s ) ，不适( o 9 7 2 0 c m s ) ，感 到骚扰( 2 o 3 3 c m s ) ，反感( 3 3 5 0 8 e r a s ) 等几个量级。考虑在较低振动速 度时，在建筑物内人们感觉到不舒服的振动，由此业主往往会提出并非由于振动 压路机引起的受害赔偿要求。在此情况下要进行技术上和法律上的调查是困难 的，应避免发生。由于现场采用加速度传感器测试，为了降低换算后的数据误差， 我们仍使用振动加速度作为控制量。为了控制振动对周围建筑物的影响，结合有 关标准和施工现场离建筑物较近的情况，制定出此安全判据：取垂直振动加速度 为0 2 9 ( 1 9 6 m s 2 ) 水平振动加速度为0 1 9 ( o 9 8m s 2 ) 。但是在建筑物附近频 繁起振和停振要经过振动轮一土壤的共振频率区域，有可能引起共振而增加烟囱 或古塔等受损的危险，故现场实际安全界限本身存在较大变化。慎重起见，可以 增加允许振动速度或振幅进行双重评判，实际情况还需要进一步试验验证。 3 2 噪声控制 在工程施工过程中，施工机械噪声高，据测在场界l m 处噪声高达8 5 1 0 0 d b ，严重超过国家建筑施工场界噪声限值。到2 0 0 0 年，建筑旄工噪声平均 声级从1 9 9 6 年的6 8 7 上升到7 4 1 ，污染投诉比例相应地从3 9 n 上升到8 3 0 。 噪声扰民事件不断发生，如何控制施工噪声污染已经成为目前城市建设过程中追 1 8 切需要解决的问题之一。 3 2 1 噪声危害川唧 噪声干扰人们的工作和生活环境，危害人体健康，是影响面最为广泛的一种 公害。实验证明：当人们在睡眠状态中，4 0 5 0d b ( a ) 的噪声就开始对正常 人的睡眠发生影响。目前，在公路建设过程中，施工使用压路机、搅拌机等各种 设备，其周围噪声一般高达8 0 9 0 d b ( a ) 。在强噪声下工作妨碍人们的注意力 集中，影响工作效率，降低工作质量，从而可能引起工伤事故，而且严重地干扰 了居民的正常生活，影响居民休息，给周围居民的身体健康造成损害。恶劣的声环 境常常导致一些居民难以忍受而采取阻止施工的行为，使一些建设项目被迫停工 造成经济损失。居民与施工人员直接发生冲突的事件时有发生。因此，对于在噪 声环境下工作的工人，应该积极采取有效的降噪措施。 3 2 2 隔声技术 1 、隔声的基本方法 随着现代工业的迅速发展，噪声已成为污染环境的公害之一。噪声对环境的 污染与其他环境污染不同，只有当声源、声音传播的途径和听者三者同时存在时， 才对听者形成干扰。因此治理噪声必须从声源、传播途径和接受者这三方面去考 虑，既要对这三部分分别进行研究，又必须把这三个部分作为一个噪声系统来考 虑( 如图3 1 ) ，既要满足降噪量的要求，又要符合技术经济指标的合理性。 幽3 - 1噪声控制系统 由于技术和经济上的某种原因，从声源上控制噪声难以实现，这时需要从声 的传播途径和接收者两个方面加以考虑。 1 ) 从传播途径上控制噪声 从传播途径上控制噪声主要是阻断和屏蔽声波的传播或使声波传播的能量 随距离加大而衰减。对于工程施工机械( 如压路机、破碎机、搅拌机) 可以通过 屏障阻止噪声传播。也可以利用天然地形如山岗、土坡或已有的建筑屏障等有利 条件阻断或屏蔽一部分噪声的传播。如果仍达不到实际要求时，可以从吸声、隔 声等方面采取局部声学技术措施。 2 ) 对接收者的防护 从传播途径上无法控制噪声，或采取了声学措施，仍不能达到预期效果时， 就要对接受者采取防护措施，如让工人配带个人防噪用品( 如防声耳塞、耳罩) 或在组织管理上采取措施，如生产工人实行轮换作业，缩短工人进入高噪声环境 的工作时间等。总之，这些措施主要起噪声隔绝的作用，保护工人不受强噪声的 危害。 2 、隔声屏障1 2 5 】| 2 6 1 【2 7 】 在改善公路沿线声环境质量方面，除降低车辆噪声外，国内外均把声屏障视 为最经济、有效的降噪工程措施。随着我国经济的发展，建筑工地及道路修建十 分频繁，建筑施工噪声已成为主要噪声源之一。因此，在公路施工过程中，利用 声屏障进行降噪处理也是一种最直接有效的工程措施。 隔声屏障降噪效果明显，结构简单，投资少，占地面积小，容易装饰美化， 容易做到与周围景观协调，有助于安全生产，在降低交通干线噪声、工业生产噪 声和社会环境噪声中发挥着独特的作用，并日益得到广泛的应用。考虑到公路施 工的临时性，采用活动隔声屏障，便于移动和换场，见图3 - 2 。 图3 - 2 活动隔声屏布置图 1 ) 声屏障的降嗓原理 声屏障采用吸声材料和隔声材料制造，设黉在噪声源与接受点之间，阻止噪 声直接传播给接收点的降噪设备。声波在空气中传播时碰到声屏障时产生反射、 投射和衍射等现象。声屏障的作用是阻止直达声的传播，隔离透射声，并使衍射 声有足够的衰减。屏障后将形成“声影区， ，在“声影区”内噪声有明显的下降， 最终达到降低噪声的目的，声屏障的隔声原理图见图3 3 。声级衰减量的大小主 要取决于四个因素：连续声波和绕射声波传播的总距离；屏障伸入直达声途径中 的部分；声波传播时绕射的角度：噪声的频谱。有效的声屏障一般能降低噪声5 1 5 d b 。 7 声源 、 低频截止 、 。，一，一。一i 一 图3 - 3 声屏障的隔声原理图 2 ) 声屏障的设计原则 在降噪中应用隔声屏障技术是一种最简单有效的方法，也是最经济的方法。 其降噪效果主要取决于屏障的尺寸( 高度和长度) 、构造的隔声量与吸音性能以 及噪声的频率成分、传播的声程差等，可以采用现场对比测量方法，一般而言是 比较符合实际情况的。 对现有道路，设计目标值应由受声点现场监测的环境噪音值减去按照噪声标 准要求的该点的环境噪声标准值来确定。降噪目标值确定之后，可以从下表判别 设计的难易程度以及其实际治理的效果，见表3 - 6 。 表3 - 6 卢屏障降噪量效果 屏障降噪( d b )可达到的水平减少声学能量( )降低声响度 5简单易行 6 83 0 1 0 能达到要求 9 05 0 1 5 十分困难 9 76 5 2 0 几乎不可能 9 97 5 3 2 3 噪声评价及控制标准【5 3 1 1 5 6 1 控制噪声要从两方面抓起，一是组织管理，就是国家、地区、部门颁发一系 列政策法令、标准、条例等，用行政命令的方式限制噪声；二是具体采取工程技 术措施治理噪声，以达到国家、地方标准的要求。这两者不可偏废。噪声控制的 标准，根据不同的目的要求应该有不同的限制标准。保护工作环境和生活环境不 受噪声的干扰，应制定相应的各种环境噪声的允许标准，在不同时间( 白天、晚 上) 和不同地点进行修f 。 l 、 国