A numerical approach to investigate the role of partial saturation in the vibration induced by underground railway traffic

Ground-borne vibration generated by the passage of underground trains may change over time due to objective causes, such as increasing weight and speed of trains or ageing of the infrastructure components, as well as a variation in the dynamic response of the soil surrounding the tunnel. Among the possible causes of changes in the soil dynamic response, its hydrologic state has been seldom investigated. In particular, water exchanges with the atmosphere produce a continuous variations in the conditions of partial saturation of soil layers above phreatic aquifers, resulting in modifications in the soil-tunnel interaction behaviour. Stress waves induced by the passage of underground trains are unavoidably affected by the occurrence of such changes, especially in presence of rather shallow tunnels. The growing attention to quality of life in urban areas, together to the increasing concerns about extreme climatic events, put in evidence the relevance of a topic which has not been thoroughly investigated yet. Starting from the analysis of a particular case study, a complete framework has been developed to take care of variations of conditions of partial saturation in train-induced vibration problems. In the process, special care has been devoted to the identification of the hydraulic behaviour of the soil layers starting from the knowledge of basic geotechnical properties for which databases are available. These have been used in a simple numerical model able to predict soil-atmosphere water exchanges at the surface according to the hydrological cycle, using meteorological data as input to obtain upper and lower bounds for the profiles of degree of saturation. Two-dimensional plane-strain numerical models have been set up to assess the response of the system and test the effect of changes in the soil dynamic response due to variable saturation on train-induced ground-borne vibration. In reproducing the passage of the convoy in the 2D models, the frequencies of relevance in terms of human perception to vibration have been reproduced and a comparison between predictions and measured vibration has been provided to validate the approach.

Le vibrazioni indotte dal traffico di treni in gallerie metropolitane possono subire cambiamenti nel tempo per cause di natura oggettiva, come l'aumento del peso e della velocità dei convogli o l'invecchiamento delle componenti dell'infrastruttura, nonché per variazioni della risposta dinamica dei terreni attraversati. Nonostante queste ultime siano direttamente riconducibili al regime idrologico dei terreni, questo aspetto è stato raramente oggetto di studio. In particolare, gli scambi idrici con l'atmosfera producono continue variazioni delle condizioni di parziale saturazione degli strati di terreno al di sopra della falda, con conseguenti modifiche del comportamento del sistema galleria-terreno. Le vibrazioni indotte dal traffico su rotaia in galleria sono inevitabilmente influenzate dal verificarsi di tali cambiamenti, soprattutto se le gallerie sono superficiali. La crescente attenzione alla qualità della vita nelle aree urbane, unita alla crescente preoccupazione per eventi climatici estremi, ha messo in evidenza la rilevanza di un tema che non è stato ancora approfondito a sufficienza. Partendo dall'analisi di un caso studio, è stata sviluppata una procedura completa per tenere conto delle variazioni del regime idraulico dei terreni nei problemi di propagazione delle vibrazioni indotte dai treni. Nella procedura, particolare attenzione è stata dedicata all'identificazione del comportamento idraulico degli strati di terreno a partire dalla conoscenza di proprietà geotecniche di base, generalmente raccolte all’interno di banche dati. Queste informazioni sono state implementate in un semplice modello numerico in grado di prevedere gli scambi idrici tra terreno e atmosfera così come risultano determinati dal ciclo idrologico, utilizzando i dati meteorologici come input per ottenere limiti superiori e inferiori del profilo di grado di saturazione. Sono stati messi a punto dei modelli numerici in deformazione piana per valutare la risposta del sistema e verificare l'effetto dei cambiamenti nella risposta dinamica del terreno sulle vibrazioni indotte da treni metropolitana. Nel simulare il passaggio di un convoglio ferroviario nei modelli 2D, sono state riprodotte le frequenze rilevanti in termini di percezione umana delle vibrazioni. Inoltre, l’approccio è stato validato grazie al confronto tra previsioni numeriche e misure accelerometriche disponibili.