Assessment of stiff trench and metawedge as mitigation measures for railway induced ground vibration

Railway induced vibration may lead to annoyance to lineside residents. Mitigation measures can be installed on the transmission path to reduce the ground motion generated by the train passage. This work studies the efficiency of a stiff in-filled trench for the attenuation of railway induced ground vibration. The key mitigation mechanisms of this solution are investigated to understand its physical behaviour and to improve its vibration attenuation performance with practically applicable design guidelines. The trench effect is firstly determined by in-situ measurements, which highlight a beneficial vibration reduction. The performance is further examined by means of a 2.5D approach. The numerical tool reveals that the stiffness difference between the trench material and the surrounding soil is the most important aspect to enhance the positive wave impeding effect. Indeed, an increase of the Young's modulus difference between the two media leads to a better vibration mitigation. This shows how the wave propagation is hindered through the activation of the trench free bending modes. The simulations with the 2.5D model include both homogeneous and layered half-space models for the soil. The wave attenuation related to the stiffness difference between the stiff trench and the ground is verified with both cases. Comparing the performance assessment carried out through the field measurements and numerical data, a better match is experienced for the vertical vibration component, while contradictory trends are visible for the horizontal direction. The proposal of an innovative mitigation system for railway induced vibration is presented as the second objective. Both 2D and 2.5D models are adopted in this study. The metawedge countermeasure is suggested to divert the incoming waves deep into the soil by exploiting its non-conventional dispersion properties. The proposed solution is able to convert the surface waves into body ones, redirecting the approaching energy content far from the surface. This mechanism is attained for the frequency range mainly excited by the train passage, resulting in a successful vibration reduction at the surface level.

La vibrazione derivante dal traffico ferroviario può comportare un fastidio per i residenti delle zone limitrofe. Per ridurre la vibrazione del suolo generata dal passaggio del treno è possibile installare delle misure di mitigazione lungo il percorso di propagazione. L’obiettivo dell’elaborato consiste nello studiare l’efficienza di una trincea rigida piena per la riduzione della vibrazione indotta dalla ferrovia. Al fine di comprenderne appieno il comportamento fisico e per migliorarne le prestazioni proponendo delle linee guida di design è di fondamentale importanza esaminare i principali meccanismi di mitigazione. In primo luogo, l’effetto della trincea viene analizzato mediante delle misurazioni sperimentali che mostrano una positiva riduzione delle vibrazioni. La prestazione viene ulteriormente esaminata con un modello 2.5D. Questo rivela come la differenza di rigidità tra il materiale della trincea e il terreno circostante rappresenti l'aspetto più importante per migliorare l'efficacia del sistema. Aumentando la differenza del modulo di Young tra i due materiali si ottiene una migliore attenuazione. Ciò mostra come la propagazione dell'onda sia ostacolata della rigidezza flessionale della trincea. Le simulazioni con il modello 2.5D includono per il suolo sia un semispazio omogeneo che a strati. L'attenuazione dell'onda basata sulla differenza di rigidezza tra la trincea rigida e il terreno viene verificata in entrambi i casi. Confrontando i dati sperimentali e numerici per valutare la prestazione della trincea, un migliore risultato viene ottenuto per la componente verticale della vibrazione, mentre tendenze contradditorie appaiono per la direzione orizzontale. Il secondo obiettivo consiste nella proposta di un innovativo sistema di mitigazione per l’applicazione ferroviaria. In questa parte, entrambi i modelli 2D e 2.5D vengono utilizzati. Il sistema chiamato metawedge viene suggerito per deviare le onde in arrivo nel terreno grazie alle sue proprietà di dispersione non convenzionali. La soluzione proposta è in grado di convertire le onde superficiali in onde di volume, reindirizzando il contenuto energetico lontano dalla superficie. Questo meccanismo si ottiene per le frequenze maggiormente eccitate dal veicolo, dando così vita a una buona riduzione delle vibrazioni sulla superficie.