Mapping the vibration fields at ground surface in an urban environment : Railway and worksites application

L’environnement vibratoire urbain connaît actuellement de profondes transformations. La création de réseaux de tramway dans de nombreuses villes, ainsi que la multiplication des projets immobiliers à proximité de voies ferrées, entraînent de forts risques de gêne vibratoire et acoustique pour les résidents. Il devient donc indispensable pour le bureau d’études d’être capable d’estimer le niveau vibratoire propagé depuis une source dans le sol et dans les constructions environnantes. Le modèle d’interaction présenté dans ce travail suppose une structure reposant à la surface du sol et un contact sur des surfaces de relativement petites dimensions. Il est basé sur un développement analytique partant des équations du mouvement pour un sol stratifié. La méthode de modélisation de la structure n’est pas spécifiée afin de gagner en flexibilité. Le schéma de résolution numérique est adapté à la réalisation d’études paramétriques et de dimensionnement. Une campagne de mesures est menée sur un viaduc supportant une ligne de métro. Les caractéristiques mécaniques du sol sont déterminées par méthode MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves), et les vitesses vibratoires verticales sur le tablier du viaduc et en plusieurs points du sol sont mesurées au passage des rames de métro. Le transfert vibratoire du tablier vers le sol est reproduit de façon adéquate par le modèle d’interaction. Les paramètres incertains du problème, tels que l’épaisseur du tablier ou la fréquence de résonance des éléments désolidarisants placés sous le tablier, sont étudiés séparément afin de faire correspondre au mieux la simulation à la mesure. Les limites du modèle sont également mises en évidence, en particulier à proximité des piles du viaduc. Le modèle de sol est ensuite étendu au domaine temporel. Une comparaison avec une mesure vibratoire du sol excité par une masse d’impact produit des résultats satisfaisants. Cela ouvre des perspectives d’application différentes, relatives aux dommages aux structures et aux équipements sensibles.The urban vibratory environment is currently undergoing profound transformations. The creation of tram networks in many cities, as well as the proliferation of real estate projects near railway tracks, entail high risks of vibration and acoustic annoyance for residents. Therefore, it becomes essential for acoustic consultants and engineering firms to be able to estimate the vibration level propagated from a source in the ground and in the surrounding constructions. The interaction model presented in this work assumes a structure resting on the ground surface and a contact occuring on relatively small surfaces. It is based on an analytical development starting from the equations of motion for a layered soil. The modeling method for the structure is not specified in order to preserve versatility. The numeric resolution scheme is suitable for carrying out parametric and dimensioning studies. A measurement campaign is carried out nearby a viaduct supporting a metro line. The mechanical characteristics of the ground are estimated using the MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) method, and the vertical vibration velocities on the viaduct deck and at several locations on the ground surface are measured as metro trains pass by. The vibration transfer from the deck to the ground is adequately reproduced by the interaction model. The uncertain parameters of the problem, such as the thickness of the deck or the resonance frequency of the uncoupling elements placed under the deck, are studied separately in order to best match the simulation to the measurement. The limits of the model are also highlighted, in particular near the piles of the viaduct. The ground vibration model is then extended to the time domain. A comparison with a measurement of the ground excited by an impact hammer produces satisfactory results. This opens up different application perspectives relating to risk assessment of structural damage and perturbation of sensitive equipment