Шум может измеряться различными приборами. Из нескольких последовательно соединенных приборов образуется так называемый измерительный тракт. В зависимости от условий проведения измерений, способа регистрации получаемых результатов и других обстоятельств количество приборов, входящих в измерительный тракт, может изменяться в широких пределах. Схема применяемых на практике трактов для измерения шума представлена на рис. 22. Приборы, указанные в блок-схеме, позволяют измерять уровни звукового давления шума и уровни звука; наблюдать на экране осциллограммы значений звукового давления шума; регистрировать изменение уровня звукового давления во времени; исследовать частотные спектры шума и регистрировать спектрограммы; исследовать статистические характеристики шумов (если в числе прочих приборов имеется соответствующий статистический анализатор) и другие характеристики.
Для измерений суммарных уровней звукового давления и уровней звука можно рекомендовать отечественные шумомеры Ш-63 и Ш-ЗМ, а также прибор ИШВ в комплекте с октавными фильтрами.
В качестве шумомера может быть также использован измерительный усилитель типа УЗ-12, если к нему присоединены измерительные конденсаторные микрофоны типов МК-5А, МК-6 или электродинамические микрофоны типов МД-59, МД-38Ш. К электрическому выходу шумомера можно подключать анализирующие, регистрирующие и другие приборы.
Наиболее удобен шумомер типа 2203 фирмы «Брюль*и Къер». В комплект этого шумомера входят октавные фильтры типа 1613. Анализатор и самописец можно подключить к электрическому выходу шумомера. Приборы фирмы «Брюль и Къер» типа 2107, 2112, 2113, 2603, 2604, снабженные дюймовыми либо полудюймовыми микрофонами, также могут быть использованы в качестве прецизионных шумомеров.

Проблема оценки шума как явления, вызывающего раздражение на основе физических из­мерений, настолько сложна, что знания, которыми мы располагаем в настоящее время, могут дать только очень приблизительный от­вет. Эта проблема сейчас рассматривается ИСО, и предлагаемые рекомендации дают некоторую основу, по которой могут быть уста­новлены пределы допустимого шума в различных ситуациях. Со­гласно рекомендации ИСО, постоянный шум без слышимых дискрет­ных тонов оценивается уровнем звука в дб А. Для постоянного шу­ма со слышимыми дискретными тонами, флуктуационного, преры­вистого шума и некоторых видов импульсного шума, вычисляется уровень звука постоянного шума (без слышимых дискретных то­нов), имеющего тоже раздражающее воздействие, как и данный шум. Этот уровень звука  постоянного шума  и используется для оценки.

Этот метод действителен для определения реакции населения по отношению к шуму как внутри, так и вне помещений (жилых домов, больниц, школ, учреждений, магазинов и т. д.) в различных районах (в сельской местности, в центре города, на окраине города и т. д.).

Оценку шума можно проводить и на основании измерений поло­совых уровней звукового давления шума при помощи специальных оценочных кривых.

Информация по этому методу имеется в проекте рекомендаций ИСО.

е) Помехи речевой связи, вызванные шумом, могут быть опреде­лены путем вычислений артикуляционного индекса, по которому можно установить разборчивость речи при шуме. Полосовые уров­ни звукового давления, как и другая информация, необходимы для расчетов.

В акустической литературе этот метод описывается очень под­робно. Метод достаточно сложен, и лучшее соответствие между вы­численными и субъективно измеренными значениями можно полу­чить для сигналов широкополосного постоянного шума.

Используют также и подобный метод, основанный на измерениях уровней звукового давления в октавных полосах со средними часто­тами 500, 1000 и 2000 гц. Средний из этих уровней давления назы­вается уровнем помех речи (УПР).

Уровни звука, полученные измерением с помощью шумомера, особенно при кривой коррекции А, оказались полезными для классификации шумов по уровню громкости только для шумов с одинаковыми характеристиками. Нужно подчеркнуть, что измеренные значения не соответствуют уровню громкости, но выражаются уровнем звука в дб А.
б) Воспринимаемый уровень шума в РЫ'дб звукового сигнала
определяется как уровень звукового давления (2-10~5 н/м2) октав-
ной полосы частот, приходящего спереди (по отношению к лицу
человека) шума при средней частоте 1000 гц с одинаково воспри-
нимаемой шумностью, как и данный сигнал.
в) Шумность в нойзах — цифровое обозначение помех шума,
которое пропорционально по субъективной величине. Один нойз
принимается равным воспринимаемой шумности звука уровня 40
PN дб. Метод по вычислению уровня воспринимаемого шума дан в
рекомендациях ИСО NR 507 [63]. Этот метод разработан с целью
оценки авиационного шума.
В большинстве случаев уровень звука А можно использовать для классификаци шумов с одинаковыми характеристиками относительно уровня воспринимаемого шума.
г) Допустимое воздействие шума, обеспечивающее сохранение
слуха. Чувствительность к возможному нарушению слуха у разных
людей различна и не может быть предсказана в каждом отдельном
случае. Таким образом, допустимые пределы воздействия шума
должны быть установлены и использованы с большой осторожнос-
тью. Эта проблема в настоящее время рассматривается ИСО. Про-
ект рекомендации ИСО дает процедуру определения риска степени
ухудшения слуха из-за шума во время трудовой деятельности. Дан-
ные об уровне звука в дб Л, продолжительности шума и воздействии
его в течение обычной трудовой недели необходимы для вычисления уровня равномерного шума, который считается эквивалентным по вредности для слуха. Информация по этому методу дана в проекте рекомендации ИСО.

Психофизические величины, характеризующие действия шума, невозможно измерить непосредственно обычными приборами. Лучшим решением было бы воздействовать на большую группу людей, помещенных в одинаковые психологические и социальные условия. Наблюдая реакции этой группы путем опроса, можно собрать общую информацию о действии шума. Это, однако, очень громоздкий и требующий (большого времени метод, пригодный в особых ситуациях, когда требуется выяснить общие результаты воздействия шума.
Эти субъективные исследования можно заменить объективными при возможности отнести некоторые физические свойства шума к субъективным эффектам. Это возможно, если известно влияние многих физиологических, психологических и социальных факторов действия шума на человека. Нужно подчеркнуть, что наши познания о влиянии шума на человека очень ограничены.
Методы трансформирования, относящие объективные физические свойства шума к субъективным, пригодны только в некоторых случаях. Некоторые из этих обычно используемых методов даны ниже. При этом основную информацию получают путем объективных измерений шума, описанных выше.
Вообще говоря, результаты, полученные инспекторским методом, недостаточны для оценки действия шума на человека. Во многих случаях необходимо знать спектральное распределение энергии шума, для чего используется инженерный или специальный метод. В других случаях необходима дополнительная информация о шуме, -полученная специальным методом (распределение уровней флуктуационного шума, продолжительность и частота следования прерывистого и импульсного шума, характер шумового фона и т. д.).
Для установления связи между физическими свойствами шума и приблизительными измерениями субъективного воздействия используются методы трансформирования путем соответствующих .подсчетов или с помощью электрической схемы с определенными характеристиками, вводимыми в схему измерительных приборов, или комбинаций этих методов. Как правило, результаты действительны для ограниченного диапазона случаев, для которых разработана данная процедура, но и для этого диапазона они являются только ориентировочными.
В качестве величин, устанавливающих связь между физическими свойствами шума и субъективной реакцией человека, используют:
а) Уровень громкости в фонах звукового сигнала, который опре-
деляется как уровень звукового давления (по отношению к порогу
2-10~5 н/м2) синусоидного тона с частотой 1000 гц, имеющему оди-
наковую громкость с данным сигналом [60].
Громкость в сонах — цифровое обозначение силы звука, которая пропорциональна своей субъективной величине. Принято, что 1 сон соответствует звуку, уровень громкости которого равен 40 фон [64].
Методы по приблизительному вычислению уровня громкости и громкости постоянного шума даны в рекомендациях ИСО № 532 [64]. Данные, необходимые для расчетов, состоят из величин полосовых уровней звукового давления шума, измеренные в треть- или четвертьоктавных полосах частот.

Методы измерения шума могут быть разбиты на три вида:
а) Инспекторский метод. Он требует немного времен* и оборудования. Его можно использовать для сравнений источников шума аналогичных характеристик. Звуковое поле вблизи источника характеризуется уровнем звука, измеренным шумомером. В этом случае используется ограниченное количество измеряемых точек, а детальный анализ акустического окружения не производят. Однако необходимо обратить внимание на зависимость измеряемого шума от времени.
Показания шумомера дают суммарный уровень звукового давления, измеренного с помощью стандартной кривой частотной характеристики. Рекомендуется использовать кривые коррекции А и
С, хотя в некоторых случаях могут быть использованы и другие кривые коррекции или линейная коррекция.
Во многих случаях уровень звука С может соответствовать уровню звукового давления. Требования к шумомеру приведены в публикации МЭК-123 [57]. Для получения более точных результатов характеристики шумомера должны соответствовать публикации МЭК-179 [58].
б) Инженерный метод. При этом методе измерения уровня зву-
ка или суммарного уровня звукового давления дополняют измере-
ниями уровня звукового давления в определенной полосе частот.
Акустическое окружение анализируют для определения его влия-
ния на измерения. Измерительные точки и частотный диапазон вы-
бираются соответственно характеристикам источника шума и ок-
ружению, в котором он работает. Регистрируется зависимость уров-
ня от времени за период наблюдения. Требования к измерительным
приборам должны соответствовать публикациям МЭК-179 [58] и
МЭК-225 [59].
Инженерный метод обеспечивает информацию, которая обычно достаточна для разработки и применения технических решений во многих случаях, в соответствии с программами борьбы с шумом. Но этот метод не пригоден для измерения импульсного шума.
в) Специальный метод дает самое полное описание звукового по-
ля. Измерения суммарного уровня звукового давления или уровня
звука дополняют измерениями уровня звукового давления в опре-
деленной полосе. Записи производят через определенный период
времени в соответствии с продолжительностью и флуктуациями
шума. Акустическая обстановка изучается, а точки измерения и час-
тотный диапазон выбираются соответственно характеристика^ ис-
точника шума и окружению. Если возможно, то влияние окружения
на измерения определяется проведением измерений при лаборатор-
ных контрольных условиях, в заглушённой камере в условиях сво-
бодного поля или в реверберационной камере.
Применение специального метода целесообразно в сложных ситуациях, где необходимо полное описание звукового поля.
Характеристики измерительных приборов должны по возможности соответствовать публикациям МЭК-179 [58] и МЭК-225 [59], но при некоторых проблемах, связанных с измерением импульсного шума, нужно использовать приборы с другими характеристиками.
Из результатов измерений, сделанных инспекторским методом, можно рассчитать средний уровень звука. Инструкция для этого расчета можно найти в работе [54].
Из измерений, проведенных инженерным и специальным методами, можно рассчитать средний уровень шума в широком или узком частотном диапазоне. Если окружающая обстановка подходящая, возможно рассчитать уровень звуковой мощности источника и его направленность. Инструкции для расчетов даны в рекомендациях ИСО [54,61].
Можно определить функцию распределения во времени уровней флуктуационного прерывистого шума. В некоторых случаях эту функцию используют для вычисления уровня постоянного шума, обладающего тем же эффектом, что и данный измеряемый шум. Инструкции к вычислениям даны в рекомендациях ИСО [55, 56].
Из измерений, проведенных специальным методом, более того, можно определить свойства импульсного шума и уровень звуковой мощности источника, а также его направленность.
Основная задача, относящаяся ко 2-й группе измерений,— оценка действия шума на людей. Эта оценка может быть проведена с помощью методов измерения шума, описанных выше. При оценке действия шума на человека возможно использовать уровень громкости шума, воспринимаемый его уровень, риск повреждения механизма слуха под воздействием шума, степень раздражения и вызванные шумом помехи для деятельности человека при беседе, работе, отдыхе и сне.

Шумы, с которыми обычно сталкиваются на практике, могут быть классифицированы с учетом следующих характеристик.
В зависимости от характера частотного спектра шумы могут быть подразделены на шумы со сплошным спектром и шумы со спектром, имеющим дискретные составляющие.
В зависимости от распределений уровней во времени шумы могут быть подразделены на постоянный шум, имеющий незначительные флуктуации уровня за период наблюдения и непостоянный шум — шум, уровень которого сильно изменяется во время наблюдения. Период наблюдения обычно составляет от нескольких секунд до нескольких минут или даже часов.
Непостоянный шум в свою очередь может быть подразделен на флуктуационный шум, уровень которого равномерно изменяется во время наблюдения, и прерывистый шум, уровень которого внезапно падает до шумового фона несколько раз за период наблюдения. В этом случае время, в течение которого уровень прерывистого шума остается постоянным (выше шумового фона), составляет 1 сек или более.
К непостоянному шуму также относится импульсный — шум, состоящий из одного или нескольких импульсов звуковой энергии, продолжительность каждого из которых не превышает 1 сек. При этом импульсный шум может быть квазипостоянным, состоящим из серии шумовых импульсов с сопоставимыми амплитудами с интервалами менее 0,2 сек между отдельными импульсами или из отдельных импульсов звуковой энергии. Огибающая кривая импульса может иметь постоянную амплитуду или могут возникать затухающие переходные явления.
Метод измерения шума необходимо выбирать в зависимости от задачи оценки шума, характера шума, характера источника и требуемой степени точности оценки шума.
Основной задачей 1-й группы является определение характеристик источника шума и шума, излучаемого этим источником.
Обычно для решения задач этой группы измеряется уровень звукового давления как функция времени.
Уровень звукового давления может быть измерен в широкой полосе частот, охватывающей весь звуковой частотный диапазон (или соответственно в узких частотных полосах). Ширина этих полос может быть 7ь 7з октавы или уже. Термин полосовой уровень применяется для уровня звукового давления в определенной полосе частот.
Измерения также могут быть произведены с помощью кривой коррекции частотной характеристики, включенной в схему измерительного прибора. Величины в этом случае выражаются в уровнях звука.
Рекомендации Международной организации по стандартизации, относящиеся к измерениям шума, содержат информацию о соответствующем выборе методов измерения, расположения измерительных точек, поправках на шумовой фон и методах исследования акустического окружения для специфических источников шума и среды: машин [61], вращающихся электрических машин [54], автомобильного транспорта [62] и самолетов [63].
В зависимости от характера шума методика его измерения должна тщательно продумываться с тем, чтобы результаты измерений в полной мере характеризовали шум. Методика измерения постоянного шума хорошо разработана и сравнительно проста. Методы по измерению импульсного шума более сложны и еще недостаточно разработаны.
Для достаточно полной характеристики шума необходимо наличие уровней звукового давления в узких частотных полосах, измеренных в подходящих точках расположения микрофона и в определенных интервалах времени. Для некоторых задач такое полное описание не нужно. В таких случаях процесс измерения может полностью соответствовать цели измерений. Выбранный метод зависит от необходимой полноты описания, требуемой для определенной проблемы исследования шума.

Вопросы, связанные с оценкой шума, приобретают все большее значение не только для специалистов-акустиков, но и для широкого круга инженерно-технических работников. Оценка шума должна проводиться как для контроля эффективности мероприятий по шумоглушению и соответствия шума нормативным требованиям, так и для выбора или оценки наиболее малошумного инженерного, санитарно-технического или технологического оборудования с заданными шумовыми характеристиками.
Придавая особое значение вопросам методов оценки и измерений шума, Международной организацией по стандартизации (технический комитет № 43, «Акустика») разработаны рекомендации по измерению шума и оценке его влияния на человека [65]. В этом документе отмечается, что, несмотря на то что обычные приборы для измерения шума сравнительно просты для использования, должна быть тщательно разработана программа измерений шума и оценка полученных результатов. Для получения точных результатов необходимо выбирать соответствующие методы, масштабы и единицы, а также принимать различного рода предосторожности при измерении шума.
Большинство проблем оценки шума можно классифицировать как задачи (1-я группа), связанные с определением количества и характера шума, излучаемого одним или несколькими источниками, или с определением качеств источников в характерных условиях.
Для задач этой группы целью измерения шума является определение какой-то физической величины, обычно уровня звукового давления в некоторой точке или уровня звуковой мощности источников. Характер шума может быть определен частотным спектром, зависимостью уровней от времени, а также характером звукового поля.
Задачи 2-й группы связаны с влиянием шума на человека.
В этом случае целью измерения шума является оределение показателей, характеризующих влияние шума на человека.
Короче говоря, задачи 1-й группы в основном связаны с образованием и распространением шума; задачи 2-й группы — с приемом шума. Ясно, что эти две -категории взаимно не исключают друг друга, так как основная задача оценки шума обычно относится к обеим группам. Например, целью многих проектов борьбы с шумом является уменьшение шума, создаваемого источником до такого уровня, при котором допустимо влияние шума на человека.

При установлении нормативов шума в большинстве случаев приходится исходить не из оптимальных или комфортных, а из терпимых условий, при которых вредное воздействие шума на человека либо не проявляется, либо незначительно. При установлен нии норм шума нельзя также пренебрегать экономической стороной дела. Выбирать нормы с большим запасом в сторону ужесточения нецелесообразно; такого рода нормы не послужат стимулом для развития работ по борьбе с шумом. Занижение же норм может оказаться сильнейшим тормозом в этом деле, ввиду того что достигнуть таких норм в практических условиях невозможно из-за отсутствия достаточно эффективных шумозаглушающих средств или из-за непомерно больших экономических затрат. Необходимо подчеркнуть большое практическое значение санитарных норм предельно допустимого шума в различных местах и обстоятельствах.
Эти нормы позволят определить и разработать те или иные технические или иные решения, направленные на снижение шума от различных источников.
В настоящее время в «Советском Союзе действуют «Санитарные нормы допустимого шума в жилых и общественных зданиях и на территории жилой застройки».
Постоянным считается шум, уровни которого во времени изменяются не более чем на 5 дб (например, шум от постоянно работающих насосных или вентиляционных установок). Прерывистым считается постоянный шум, который прерывается паузами продолжительностью в несколько часов, минут или секунд; при этом время, в течение которого шум остается постоянным (выше шумового фона), составляет 1 сек или более (например, шум от лифтов или холодильных установок).
Для ориентировочной оценки постоянного или прерывистого шума можно пользоваться суммарным уровнем, измеренным по шкале А шумомера,— так называемым уровнем звука в дб А.
Непостоянным шумом считается шум, уровни которого во времени изменяются более чем на 5 дб (например, все виды транспортных шумов).
Непостоянный шум оценивается в эквивалентных уровнях звука (L экв ) в дб А, рассчитанных по измеренным величинам уровней звука в дб Л. Рассчитанные эквивалентные уровни звука сопоставляются с нормируемыми допустимыми уровнями звука в дбА.

Влияние шума малой интенсивности на людей может быть выявлено двумя способами: 1) путем опроса об ощущении раздражающего действия шума; 2) физиологическими исследованиями действия шума на различные системы человека.
Изучение влияния уличного и жилищно-бытового шума в основном проводится путем опроса, причем шум оценивается в той мере, в какой он мешает или вызывает раздражение. Реакция на шум, по определению Харриса,— это восприятие шума, сопровождаемое известным к нему отношением или действием. Индивидуальная реакция на шум вполне определенна, гораздо труднее предугадать реакцию коллектива на тот или иной шум.
Для сопоставления уровней шума в жилых помещениях и оценки их населением [10] были проведены детальные исследования шума и одновременный опрос при каждом измеренном уровне шума. Для этого в 27 квартирах, расположенных на различных по интенсивности движения улицах и с различной звукоизоляцией ограждений, измеряли общий уровень шума и его спектральные составляющие.
В каждом объекте автоматически записывались спектры шума четыре раза в сутки по 2 ч — утром, днем, вечером и ночью. За каждые 2 ч регистрировалось около 100 спектров шума. По полученным данным строились графики расределения суммарных уровней шума и его спектральных составляющих в зависимости от времени.
На рис. 18 в качестве примера приводится график распределения уровней шума в жилом доме на Ломоносовском проспекте
Москвы — большой магистрали со всеми видами городского транспорта и интенсивным его движением в течение всех часов суток. Измерения проводились при открытых окнах, выходящих на улицу. По оси ординат рисунка отложены уровни звукового давления проникающего шума, по оси абсцисс — время в процентах от общего времени измерений (или число случаев в процентах от общего числа случаев), в течение которого уровни звукового давления не превышают определенной величины. Кривые, отмеченные цифрами 63, 125, 250 гц и т. д., относятся к уровням со средними частотами в третьок-тавных полосах; кривые В, А — суммарные уровни, измеренные на кривых коррекции частоты В и А, кривая С — суммарные уровни звукового давления, измеренные на линейной частотной характеристике. Кривые показывают, что проникающий шум имеет низкочастотный характер. Суммарный уровень звукового давления шума днем достигает значительной величины 82 дб и не бывает меньше 62 дб. Подобное распределение уровней шума было получено и во всех остальных 26 квартирах дома.

Психологическая сторона проблемы шума имеет большое значение, особенно в отношении шумов малой интенсивности (до 60 дб). Так, шум, производимый самим человеком, не беспокоит его, в то время как небольшой шум, вызванный каким-либо посторонним источником, дает раздражающий эффект.
Что касается шума высокого уровня, то исследованиями доказано, что наиболее ранние нарушения под воздействием такого шума развиваются со стороны центральной нервной системы, а поражения органа слуха возникают позднее (не менее чем через 5 лет).
На производствах, где профессиональной вредностью является шум и вибрация, у рабочих обнаружены резкие сдвиги биоэлектрической активности коры головного мозга, что проявляется в уменьшении силы и подвижности нервных процессов и в торможении возбудимости с наклонностью к образованию застойных очагов возбуждения в двигательной и акустической зонах коры. Наблюдались также нарушения взаимоотношений между корой и подкоркой мозга.
В условиях жизни человека как на производстве, так и в быту большое значение имеет скорость реакции, определяемая временем, которое необходимо человеку для того, чтобы осознанное вызвало моторное действие. Скорость реакции характеризует состояние центральной нервной системы. Обнаружено удлинение времени условной двигательной реакции в ответ на звуковые и свето-Еые сигналы при уровне шума более 80 дб [2].
Вопросы производительности труда и интенсивности шума имеют большое экономическое значение. Многие исследователи отмечают снижение производительности труда в ряде отраслей промышленности, где производственные процессы сопровождаются шумом [15]. Понижение работоспособности происходит вследствие ослабления внимания и замедления латентного времени реакций.
Производительность труда понижается как в количественном, так и качественном отношениии. По некоторым данным шум может снизить производительность труда до 60%. При уменьшении шума на производстве, наоборот, растет общая производительность труда, уменьшаются непроизводительные затраты и сокращается заболеваемость. Многочисленные данные свидетельствуют о неблагоприятном влиянии шума на производительность умственного труда.
Известно, что шумы большой интенсивности вызывают изменение вегетативных реакций, важнейшая из которых функция кровообращения. Первые вегетативные реакции выявляются при шуме 60—70 дб и проявляются тем сильнее, чем выше уровень шума. При этом имеет значение ширина полосы действующего шума.

Чувствительность слуха во время действия шума или звуков не остается без изменения. В условиях полной тишины чувствительность его возрастает, а под влиянием шумового воздействия снижается. Такая временная перестройка функции звукового анализатора, выражающаяся в некотором повышении порога слышимости, называется адаптацией слуха.
Временное умеренное понижение слуховой чувствительности является целесообразной приспособительной реакцией организма к условиям внешней среды и играет защитную роль против сильных и продолжительно действующих шумов.
Длительное воздействие шума или звука приводит к патологическому состоянию органа слуха и его утомлению, которое характеризуется не только более значительными сдвигами в чувствительности, но и более замедленной обратной адаптацией.
Утомление наступает при перераздражении звукового анализатора, является процессом длительным и в отличие от адаптации, которая способствует сохранению работоспособности, всегда снижает работоспособность анализатора; при частых и длительных перераздражениях в случае недостаточного отдыха наступают стойкие явления понижения функции и выявляется картина шумовой (звуковой) травмы. Вредное влияние производственного шума на рабочих хорошо известно.
Предельная граница шума, при которой не повреждается орган слуха, в условиях производства составляет примерно 85— 90 дб А. Под воздействием шума высокой интенсивности, превышающего на средних частотах 85—90 дб, в органе слуха возникают явления утомления, которые могут перейти постепенно в тугоухость и глухоту, обнаруживаемые через несколько лет работы.
Однако и в повседневной жизни человек подвержен действию шума таких же высоких уровней. В результате постоянного длительного кумулятивного действия шума в условиях города может возникнуть хроническое расстройство слуховой функции.
Действие шума на организм человека может проявляться в трех основных направлениях: 1) воздействие шума на орган слуха; 2) воздействие шума на функции отдельных органов и систем (сердечно-сосудистая, пищеварительная, эндокринная, мышечная системы, вестибулярный аппарат, обменные процессы, кровотво-рение и т. д.); 3) воздействие шума на организм в целом, в частности на высшую нервную деятельность и вегетативную реактивность.
Раздражающее действие шума зависит от его физических свойств. Так, шумы со сплошными спектрами являются менее разражающими, чем шумы, содержащие тональные составляющие. Шумы с высокочастотными компонентами дают более раздражающий эффект, чем с низкочастотными. Наиболее неприятны шумы, изменяющиеся по частотам и уровням звукового давлении.

Человек в быту и на производстве постоянно находится под воздействием шума различных параметров.
Звуковые раздражения человек воспринимает звуковым анализатором — органом слуха. Звуковой анализатор представляет собой сложный механизм, обладающий высокой чувствительностью, способностью осуществлять тонкий анализ и синтез, выбирать из всей массы звуков полезные и защищать кору головного мозга от нежелательных вредных звуков.
По интенсивности все звуки можно разделить на три основные области. Первая область распространяется от слухового порога человека до уровней звукового давления 40 дб и охватывает весьма ограниченное количество сигналов внешней среды. Вследствие отсутствия повседневной тренировки звуковой анализатор мало чувствителен к восприятию звуков таких уровней. Вторая область включает уровни звукового давления от 40 до 80—90 дб и содержит основную массу полезных и бесполезных звуков окружающей среды; повседневное воздействие их приводит к созданию навыков восприятия. В пределах этой области расположены уровни звукового давления речи от шепота до самой громкой передачи по радио, музыкальные звуки, большинство шумов в быту и на производстве, предупредительные сигналы и т. д. В этой области наблюдается способность к наиболее тонкой дифференциации и анализу всех качеств звука.
Третья область охватывает уровни звукового давления от 80— 90 дб до порога болевого ощущения звука (до уровня 120— 130 дб). Благодаря развитию современной техники эти уровни начинают приобретать существенное значение в жизни человека. Сильный звуковой разражитель выступает, с одной стороны, в качестве помехи, с другой,— в виде полезных сигналов. В этой области уровней звукового давления наблюдаются существенные отличия в деятельноти звукового анализатора по сравнению с первой и второй областями. Важнейшее значение приобретает в третьей области явление утомления и в связи с этим фактор времени действия раздражителя.

В большинстве случаев источники шума установлены в закрытых помещениях. При излучении шума звуковые волны в помещении распространяются беспрепятственно только до ограждений, затем они многократно отражаются от них. Воздушный объем в помещении под действием прямых волн от источника и волн, отраженных от всех ограждений, приходит в колебательное движение.
С физической точки зрения замкнутый воздушный объем, ограниченный поверхностями, -способными в той или иной мере поглощать падающую на них звуковую энергию, представляет собой линейную колебательную систему с определенным спектром собственных частот и с декрементами, характеризующими быстроту затухания каждого из собственных колебаний системы. При вынуждающем воздействии шума, излучаемого машиной, в воздушном объеме помещения возбуждаются собственные колебания с частотами, близкими к частотам различных составляющих спектра шума.
Расчеты показали, что на низких частотах число собственных мод колебаний сравнительно невелико, они разделены довольно большими промежутками. Но при увеличении частоты их количество очень быстро увеличивается, спектр собственных частот объема становится почти сплошным. Наиболее равномерно распределены собственные частоты в помещениях, основные размеры которых не кратны между собой. При кратных или равных линейных размерах наблюдаются вырождение спектра собственных частот и монотонность сходимости ряда нарушается.
Для увеличения числа мод и более равномерного их распределения важен не только объем помещения, но и сооотношение его основных размеров.
Если размеры помещения не слишком малы по сравнению с длиной волны, то собственные частоты располагаются настолько плотно, что любая составляющая спектра источника шума возбудит целый ряд собственных колебаний объема.
Основным понятием статистической теории является диффузное звуковое поле, которое характеризуется изотропностью и однородностью.
Первое свойство поля — равенство средних потоков энергии по различным направлениям: второе — равномерное распределение звуковой энергии по объему помещения.

При распространении шума за экраном возникает звуковая тень. Однако в зоне звуковой тени шум от источника, экранируемого барьером, исключается не полностью.
Проникновение звуковой энергии за экран зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны. Чем больше длина звуковой волны X, тем меньше при данном размере препятствия область тени.
Дополнительное снижение шума за экраном установлено в результате натурных измерений, проведенных на экспериментальном шумозащитном придорожном сооружении в Волгограде.
Особенностью распространения звука за экраном-барьером является также рост снижения уровня от границы звуковой тени к поверхности земли.
Проводимые в настоящем разделе материалы показывают, что в настоящее время известна лишь в большинстве случаев качественная картина распространения звука в атмосфере над поверхностью земли и имеются лишь отдельные количественные опытные данные.
Имеющийся опыт позволяет рекомендовать некоторые средние величины затухания, которые следует принимать при расчетах ра-пространения звука в атмосфере над поверхностью земли (без учета экранирования шума препятствиями, но с учетом молекулярного поглощения).
Так, поглощение в реальной атмосфере в результате турбулентности значительно больше, чем в спокойной атмосфере; однако учитывать в расчетах его не следует.

Измерения, проведенные Эйрингом, показали, что в дополнение к уменьшению интенсивности звука, обусловленному геометрией распространения, появляется еще и падение по показательному закону в зависимости от расстояния до источника звука. На графике рис. 13 нанесены кривые дополнительного снижения при распространении звука для пяти различных степеней густоты джунглей, которые характеризуются дальностью видимости и возможностью прохождения через джунгли. Полученные величины справедливы только для исследованного Эйрингом случая, когда источник звука и приемник находятся в самих джунглях. Эффект снижения шума в зеленых насаждениях зависит от характера посадок, пород деревьев и кустарников, времени года, а также от спектрального состава шума. Рядовые посадки деревьев на улицах и бульварах городов с открытым подкронным пространством оказывают ничтожное действие на улучшение шумового режима. Звук, особенно низкочастотный, беспрепятственно проходит сквозь такие посадки, и лишь высокочастотные составляющие шума частично рассеиваются и поглощаются.
Для обеспечения существенного снижения шума посадки должны быть с густыми кронами, смыкающимися между собой, а пространство под кронами необходимо заполнять кустарниками так, чтобы не было просветов. Лишь такие зеленые насаждения дают ощутимый эффект уменьшения шума. Следовательно,первое требование к зеленым насаждениям в отношении их шумоза-щитных качеств — это плотность их лиственного или хвойного покрова. Следующим условием является ширина защитной посадки. Как показали натурные обследования защитных древесно-кусгар-никовых полос, минимальная ширина полосы, дающая достаточный эффект шумоглушения, составляет не менее 10 м.
Характер посадки деревьев также имеет определенное значение. Например, полоса, состоящая из нескольких рядов деревьев, с разрывами между этими рядами, в сравнении с полосой, где все кроны деревьев смыкаются, показывает более интенсивное снижение шума. Разница снижения шума при одинаковой ширине полосы той и другой конструкции посадок соответствует примерно количеству рядов в полосе.

Большое влияние на распространение звука оказывает турбулентность атмосферы (порывы ветра и т. п.). Вызываемые ей изменения скорости распространения звука приводят к флуктуациям уровня звукового давления, которое составляет 20—25 до при сильном порывистом ветре.
Турбулентность атмосферы [4] приводит также к значительному дополнительному поглощению звука в атмосфере, которое может достигать для диапазона частот 250—4000 гц 15—22 дб/км при слабом 'ветре и 50—90 дб/км при сильном ветре.
Во многих случаях при распространении внешнего шума источник звука и приемник (или точка наблюдения) находятся на высоте всего лишь нескольких метров или даже дециметров над поверхностью земли. Следовательно, звук распространяется параллельно земле или отражается от нее под небольшим углом. Поэтому можно предположить, что акустические свойства земной поверхности оказывают влияние на уровень звука в месте приема и что, в частности, грунт, сильно поглощающий звук, вызывает большее падение уровня звука, чем это получалось бы только из-за геометрического расхождения звуковых волн.
Есть немало исследований, посвященных проблеме распространения звука над поверхностью земли при различной ее характеристике. Однако до сих пор отсутствуют результаты систематических измерений, которыми можно было бы воспользоваться на практике. Подобного рода измерения связаны с большими трудностями, так как на распространение звука на открытом воздухе всегда оказывает влияние ветер и температура. В некоторых случаях затухание, обусловленное поглощающим действием поверхности земли, играет заметную роль наряду с другими эффектами. При этом влиянием низкого растительного покрова земли (травы, кустарника) практически можно пренебречь. Однако при более высоком растительном покрове, например, в случае зеленых насаждений, имеется значительное затухание.

В условиях свободной атмосферы падение уровня в теневой зоне имеет меньшую величину, чем это следует из теории, прежде всего из-за турбулентности атмосферы, которая вызывает рассеивание звука в теневой зоне. На рис. 11 приведена кривая для случая распространения звука «против ветра», построенную Винером и Кистом [48] по результатам многочисленных измерений.
На этом рисунке показано дополнительное уменьшение уровня в децибелах, обусловленное слоистой структурой атмосферы, в зависимости от расстояния между источником звука и приемником, измеренного в долях расстояния R до границы тени. Кривая была построена для следующих условий: источник звука (находился на высоте 2i = 3,7 м; приемник находился на высоте 22=1,5 м; скорость ветра 1—9 м/сек; земля покрыта растительностью высотой приблизительно 30 см; рассматривались законы изменения температуры с положительным, нулевым и отрицательным температурными градиентами. Кривая справедлива для четырех октавных полос между 300 и 4800 гц и расстояний меньше 1,5 км и учитывает влияние турбулентности. Характерным для этой кривой является то, что до границы звуковой тени отсутствует какое-либо дополнительное затухание, а за переходной областью достигается предельное значение, равное 30 дб.
На рис. 12 показана кривая, полученная теми же авторами для случая распространения звука по ветру для тех же условий, что и кривая на рис. 10. Кривая показывает дополнительное уменьшение уровня (в децибелах) в зависимости от произведения средней частоты диапазона /Ср на расстояние г. Для небольших расстояний между источником звука и приемником можно принять, что рас пространение является невозмущенным, в то время как при расстояниях, превышающих некоторую предельную величину, которая обратно пропорциональна частоте, необходимо учитывать дополни тельное падение уровня, которое при увеличении расстояния в два раза составляет 3 дб.

Градиент скорости звука также подвержен влиянию ветра. Появление градиента ветра чаще всего обусловливается трением между поверхностью земли и движущимся потоком воздуха. При распространении звука скорость ветра добавляется к скорости звуковых волн в неподвижной среде, и всякое изменение скорости ветра вызывает изменение скорости звука.
Следовательно, скорость распространения звука в атмосфере равна векторной суАмме скорости звука в неподвижной атмосфере и скорости ветра, что служит причиной рефракции звуковых волн. Звуковые лучи, распространяющиеся против ветра, загибаются кверху, что служит причиной появления зоны молчания, в которую не может проникнуть прямой звук (рис. 10).
При переходе через границу зоны молчания уровень звукового давления падает нередко на 20—30 дб. Зона молчания в зависимости от распределения температур по высоте и скорости ветра может начинаться уже на расстоянии 100—500 м от источника звука. При распространении звука в направлении ветра зона молчания отсутствует, поскольку звуковые лучи прижимаются к земле.
Днем (dt/dz0) с подветренной стороны оба градиента складываются и вызывают искривление книзу, в то время как с наветренной стороны оба эффекта вычитаются.
Отсюда следует, что образование зоны звуковой тени, которое сопровождается наиболее сильным отклонением от обычного распространения звука, можно наблюдать преимущественно днем с наветренной стороны от источника звука. Ночью же теневая зона образуется лишь в очень редких случаях (главным образом, с подветренной стороны). Последнее обстоятельство является одной из причин хорошей слышимости ночью.

Существенную роль играет то обстоятельство, что в определенный момент времени температура в разных точках атмосферы непостоянна и имеется температурный градиент, который в общем случае также является функцией координат. Появление градиента температуры обусловлено теплообменом между поверхностью земли и атмосферой.
Существо происходящих явлений проще всего понять в случае слоистой атмосферы, в которой установился постоянный (положительный или отрицательный) температурный градиент, и, следовательно, при возрастании высоты температура уменьшается или увеличивается на постоянную величину.
На рис. 9 вместо звуковой волны изображен звуковой луч, который исходит из точечного источника. Луч испытывает преломление — рефракцию (точно так же, как световой луч в оптически неоднородных средах), распространяется криволинейно и в отличие от случая однородной атмосферы уже не лседставляег собой прямую линию. Теория показывает, что при постоянных градиентах скорости звука dc/dz= const лучи имеют форму дуги круга. Искривление лучей происходит таким образом, что они всегда отклоняются в сторону областей с меньшей скоростью звука, характерных более низкой температурой. При этом распространение является симметричным относительно оси /.
Как видно из рис. 9, существуют такие атмосферные условия, которые приводят к образованию «зоны молчания» — зоны звуковой тени. В такую теневую зону не попадает ни один из прямых, звуковых лучей, исходящих от источника звука.

В дальнем свободном звуковом поле, создаваемым источником конечных размеров в безграничной однородной атмосфере без поглощения, звук распространяется по прямым линиям — лучам, перпендикулярным фронту волны. С увеличением расстояния от источника поверхность фронта также увеличивается, вследствие чего интенсивность звука падает.
Однако в реальной атмосфере интенсивность звука снижается на 'большую величину, чем величина, зависящая только от расстояния до источника звука. Дополнительное снижение интенсивности обусловливается поглощением звука.
Поглощение звука в спокойной атмосфере обусловлено обменом импульсами в результате теплового движения молекул между частями звуковой волны, движущимися с различными скоростями (классическое поглощение из-за вязкости и теплопроводности воздуха), а также перераспределением энергии между молекулами с различными степенями свободы (молекулярное поглощение).
Последнее играет основную роль в снижении интенсивности Классическим поглощением в большинстве случаев можно пренебрегать. Величина молекулярного поглощения звука зависит от частоты звука температуры и влажности воздуха.
Для приближенного расчета поглощения звука в атмосфере могут служить графики, приведенные на рис. 8 [43], на котором показано затухание звука в дб!км в функции относительной влажности воздуха при различных значениях частоты и температуры. График показывает, что молекулярное поглощение сильно возрастает при увеличении частоты и его максимум соответствует малой относительной влажности.
Реальная атмосфера находится в непрерывном движении. Плотность, температура, давление и влажность атмосферы непрерывно изменяются как 60 времени, так и в пространстве. Поэтому звуковые волны, распространяясь вдоль земной поверхности, претерпевают воздействия этих изменений на пути распространения, а также частично поглощаются и отражаются земной поверхностью. Это приводит к появлению существенной зависимости уровня звука на открытом воздухе от перечисленных факторов.
Изменения плотности и температуры приводит к изменению волнового сопротивления среды и изменению скорости звука в среде.

Распространение колебаний в воздушной среде происходит в форме продольных волн объемных деформаций, представляющих собой сжатия и разрежения среды. Область пространства, в которой наблюдаются эти волны, называется звуковым полем.
Вид продольных звуковых волн, распространяющихся от источника, зависит от типа источника, соотношения между его размерами и длиной излучаемой волны и от расстояния между ним и рассматриваемой точкой звукового поля.
Многие реальные источники шума возможно рассматривать как сферические излучатели, особенно в случаях, когда их размеры малы по сравнению с длиной волны излучаемого звука.
Излучение в полупространство возникает, например, тогда, когда источник звука находится непосредственно над твердой поверхностью.
На практике многие источники звука имеют значительные размеры и обладают направленностью излучения. Тогда структура звукового поля вблизи излучателя очень сложна. Однако на достаточно большом расстоянии (в дальнем звуковом поле) снова справедлива простая закономерность: как и у сферических волн, звуковое давление обратно пропорционально квадрату расстояния, но излучение звука в различных направлениях в соответствии с диаграммой направленности источника звука неодинаково.
Элементарным источником излучения может служить, например, идеальный сферический излучатель, в звуковом поле которого уровень звука уменьшается на 6 дб при увеличении расстояния в два раза. Другой элементарный источник, встречающийся в практике, может быть представлен в виде равномерно излучаемой прямой линии бесконечной длины (линейный источник). В этом случае излучаются цилиндрические волны, которые являются двумерным аналогом сферических волн.

Кратковременные процессы всегда являются непериодическими. Случайный процесс (в большинстве случаев шумы) не имеет резко выраженного периода и поэтому в отличие от периодического процесса не может быть выражен через гармонические составляющие.
Непрерывный случайный процесс характеризуется средней мощностью и энергетическим спектром этой мощности, т. е. распределением ее по частотам колебаний. Составляющие энергетического спектра стационарного случайного процесса сами являются случайными функциями времени, и их можно считать постоянными лишь при бесконечном времени усреднения. Измерительные приборы характеризуются конечным временем усреднения, а поэтому показания их при измерениях спектра испытывают флуктуации случайного характера, величина которых зависит от свойств прибора ;и ширины полосы частот. Чем эти полосы шире, тем флактуации меньше.
Графическое спектров
Звуковая энергия, излучаемая источником шума, распределяется по частотам, поэтому необходимо знать распределение уровней звукового давления или уровней звуковой мощности по частотам, т. е. частотный спектр излучения.
Спектр периодического процесса с основной частотой изображен на рис. 4,а в виде зависимости уровней составляющих от частоты. На рис. 4,6 показан аналогичный спектр периодического процесса, однако частоты не всех составляющих кратны друг другу.
Спектры процессов, которые могут быть представлены «в виде синусоид, называются дискретными или линейчатыми.
Спектр случайных или непериодических процессов, к которым в подавляющем большинстве относятся шумы различных машин (рис. 4,в), является сплошным, и поэтому его изображение требует обязательной оговорки о ширине А/ элементарных полос, к которым оно относится.

Характеристики направленности излучения источников шума необходимо знать для расчетов уровней звукового давления на рабочих местах или в других точках помещения, а также в тех случаях, когда машины устанавливают на открытых площадках и их шум может распространиться на застроенную территорию.
Характеристики направленности излучения включают:
а) угловое распределение относительных уровней звукового
давления;
б) показатель направленности излучения.
Угловое распределение относительных уровней представляет собой значения уровней звукового давления, измеренные обычно через каждые 30° в какой-либо плоскости на сферической или полусферической поверхности и отнесенные к одному из измеренных значений, принятому за основное.
Разложение сложного колебательного процесса на простейшие составляющие называют частотным анализом шума, а величину, указывающую на характер распределения энергии шума по частотному диапазону, — его частотным спектром.
Все колебательные процессы можно разделить на периодические и непериодические. Под периодичностью колебаний понимают постоянство закона изменения их во времени.
Отклонение физической величины p(t) в звуковой волне от состояния покоя может быть определенным для каждого момента времени или носить случайный, неопределенный характер.
Примером периодического процесса является шум вращения воздушного винта и звук сирены; примером непериодического процесса —шум воздушной струи. Периодические процессы, повторяющиеся через время Г, называемое периодом, являются детерминированными.
В силу линейности уравнений акустики эти процессы всегда можно представить в виде суммы более простых колебаний, например в виде суммы синусоидальных волн.

Важной характеристикой всякого источника звуковых волн (источника шума) является направленность излучения. Обычно реальные источники шума имеют неравномерное излучение по различным направлениям.
Величины звукового давления, интенсивности звука и звуковой мощности источников шума могут изменяться в широких пределах.
Пользоваться абсолютными значениями таких сильно разнящихся между собой величин крайне неудобно. В технической акустике принято оценивать интенсивность звука, звуковое давление, плотность звуковой энергии и звуковую мощность чаще всего не в абсолютных, а в относительных, логарифмических единицах — децибелах.
Таким образом, вместо шкалы абсолютных значений перечисленных выше величин обычно пользуются относительной логарифмической шкалой, позволяющей резко сократить диапазон значсний измеряемых величин. Каждому делению такой шкалы соответствует изменение интенсивности звука, звукового давления или мощности не на определенное число единиц, а в определенное число раз.
Логарифмические единицы уровней являются не абсолютными, а относительными и поэтому безразмерными единицами. Однако после того как пороговые значения /о и р0 были стандартизованы, определяемые относительно них уровни интенсивности и уровни звукового давления приобрели смысл абсолютных, так как они однозначно определяют соответствующие абсолютные значения интенсивности и звукового давления.

Плотность звуковой энергии — величина скалярная; она лучше характеризует энергию звукового поля, чем интенсивность, в тех случаях, когда направление звуковых волн является неопределенным, например в закрытых помещениях. Звуковое давление и интенсивность звука являются характеристиками звукового поля в определенной точке пространства. Они зависят от места расположения точки измерения, направленности излучения и условий распространения звуковых волн.
Звуковой мощностью источника Р называется общее количество звуковой энергии, излучаемое источником шума в окружающее пространство за единицу времени (единица измерения вт).
Для определения звуковой мощности в свободном звуковом поле необходимо знать интенсивность звука, представляющую собой средний поток звуковой энергии в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения звука.
Если бы была возможность измерить интенсивность звука вокруг источника, то определение звуковой мощности источника свелось бы к интегрированию звуковой интенсивности по замкнутой поверхности вокруг источника. Однако в настоящее время нет приборов, измеряющих непосредственно интенсивность звука.

В твердых телах конечных размеров (пластины, стержни) звуковой процесс проявляется в форме звуковой вибрации. Упругие свойства газообразных и жидких сред в полной мере характеризуются одной упругой постоянной — коэффициентом сжимаемости или обратной ему величиной — модулем упругости. В этих средах может возникнуть лишь один вид звуковых колебаний — волны сжатия или продольные, в которых направление колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения колебаний.
Однородные изотропные твердые среды характеризуются двумя упругими постоянными: модулем упругости (Юнга) и модулем сдвига.
Под влиянием второй упругой постоянной в безграничных твердых средах возможно появление, помимо деформаций сжатия, деформаций сдвига и образования двух видов волн — продольны* и поперечных. При поперечных волнах колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волн.
Распространение поперечных волн приобретает особое значение при прохождении звука по стержням и пластинам, в которых они являются колебаниями изгиба. Эти колебания переносят основную долю энергии, распространяющуюся, в частности, по ограждающим конструкциям зданий.
Таким образом, любое нарушение стационарного состояния сплошной твердой, жидкой или газообразной среды в какой-либо точке пространства приводит к появлению возмущений (волн), распространяющихся от этой точки. Область пространства, в которой наблюдаются эти волны, называется звуковым полем. Физическое состояние среды в звуковом поле или, точнее, изменение этого состояния, обусловленное наличием волн, характеризуется обычно одной из двух следующих величин:
1) звуковым давлением р — разностью между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля (единица измерения н/м2). В фазе сжатия звуковое давление положительно, а в фазе разрежения — отрицательно;
2) колебательной скоростью частиц среды v — мгновенным значением скорости колебательного движения частиц среды при распространении в ней звуковой волны (единица измерения м/сек). Колебательную скорость принято считать положительной, если частица движется в направлении распространения волны, и отрицательной— при движении частиц в сторону, противоположную направлению распространения звуковой волны.
Эти величины рассматриваются как функции координат и времени.
Звуковые волны, возникшие в среде, распространяются далее от точки возникновения (источника звука), и требуется определенное время, чтобы звук из одной точки достиг другой. Скорость распространения звука зависит от характера среды и вида распространяющейся в ней звуковой волны. Так, например, скорость звука в воздухе при температуре 20° С составляет 340 м/сек. Скорость звука с не следует смешивать с колебательной скоростью частиц среды v знакопеременной величиной, зависящей как от частоты, так и от величины звукового давления.
Длиной звуковой волны (к) называют расстояние, измеренное вдоль распространения звуковой волны, между двумя ближайшими точками звукового поля, в которых фаза колебания частиц среды одинакова (единица измерения м).

Звук как физическое явление представляет собой волновое колебание упругой среды; звук как физиологическое явление определяется ощущением, воспринимаемым органом слуха при воздействии звуковых волн на этот орган. Под шумом понимается всякий нежелательный звук. Еще точнее будет определить шум как беспорядочное сочетание Звуков различной частоты и интенсивности.
Звуковые волны возникают в том случае, когда в упругой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы упругой среды ( газообразной жидкой или твердой) приходят в 'колебательное движение от воздействия на них какой-либо возмущающей силы. Не все колебательные движения воспринимаются органами слуха как физиологическое ощущение звука; ухо человека может ощущать только те колебания, частота которых (количество в '1 сек) находится в пределах от 16 до 20 000 кол/сек (гц). Колебания с частотой менее 16 гц называются инфразвуком, а с частотой выш* 20 000 гц— ультразвуком и ухом не воспринимаются. В дальнейшем речь будет идти только о слышимых звуковых колебаниях.
Упругие и инерционные силы существуют не только в системах с сосредоточенными постоянными, но и в сплошных средах. Эти силы обусловлены соответственно упругим взаимодействием частиц среды и инерционными свойствами массы частиц. Упругость и масса как бы распределены по элементам среды, поэтому сплошные среды называют системами с распределенными постоянными. В них также возможны упругие колебания, состоящие из ряда следующих друг за другом сжатий и разрежений среды, пр'ичемзти сжатия и разрежения распространяются от источника возмущения с определенной скоростью. Этот процесс распространяющихся в
ареде механических колебаний и называют звуком.
Звуковой процесс возникает, з частности, в среде, окружающей систему, при ее колебаниях. Возвратно-поступательное движение массы приводит к появлению на ее поверхности периодических сжатий .и разрежений среды, распространяющихся © окружающем массу пространстве и воспринимаемых как звук (рис. 3).
Возбудителями звука могут быть не только механические колебательные системы с сосредоточенными параметрами, но также вихревые очаги и трущиеся поверхности. Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, называют воздушным звуком; колебания звуковых частот, распространяющиеся в достаточно протяженных твердых телах, — структурным звуком.

Каждая механическая система, обладающая элементами упругости и массы, при приложении к ней периодической силы может быть приведена в колебание. Состоящая из твердых тел колебательная система, в которой элементы упругости и массы отделены друг от друга, называется механической колебательной системой с сосредоточенными постоянными.
В акустике чаще всего приходится рассматривать системы с распределенными постоянными, в каждом участке которых упругие элементы совмещены с элементами массы.
Свободными или собственными колебаниями называются колебания какой-либо упругой системы, возникающие вследствие возбуждения, вызванного приложением внешней силы, и затем протекающие самостоятельно при отсутствии последующего воздействия внешнего возбудителя. Вынужденными называют колебания, возникающие в системе при воздействии внешней периодически изменяющейся силы.
Простейшим видом механической колебательной системы является сосредоточенный груз, подвешенный на пружине, один конец которой жестко закреплен (рис. 1). В этой системе элементы массы и упругости отделены друг от друга, поэтому она является системой с сосредоточенными постоянными. Такая система способна совершать только один вид собственных колебаний и для характеристики ее колебательного состояния в любой момент достаточно иметь только одну величину, например отклонение от положения равновесия.
Уравнение сил, действующих внутри системы в каждый данный момент времени, будет иметь вид
Ma + kx=0, (1)
где М — масса груза;
k — упругость или жесткость пружины, численно равная силе, которую необходимо приложить к пружине, чтобы вызвать ее единичную деформацию; х—мгновенное значение колебательного смещения (деформация пружины); а — мгновенное значение колебательного ускорения массы. Простейшая форма решения этого уравнения — гармоническая функция от времени. В том, что гармоническая синусоидальная или косинусоидальная функция удовлетворяет уравнению колебательного движения, нетрудно убедиться, укрепив на колеблющейся массе перо.

Назначение программы «Геомеханнка» Известным препятствием к применению универсальных программ, реализующих МКЭ, при проектировании рядовых объектов являются достаточно громоздкий и трудоемкий ввод входной информации и ингерпрегация результатов. В этом отношении специализированная программа «Геомехапика» отличается исключительным удобством и экономным расходом времени пользователя. Вся графическая информация по задаче (наслоение грунтов, конфшурация объектов и др.) вводится в графическом режиме с помощью «мыши», сеть элементов формируется автоматически, так что пользователь может не задумываться о нумерации элементов, узлов и их координатах. Весьма прост, нагляден и доступ к результатам решения: по желанию выдаются картинки деформи-ронаш п юн сети элементов с указанием зон пластики, векторы, эпюры и численные значения напряжений и перемещений.
Программа «Геомеханика» прелставляет собой эффективный инструмент численного моделирования задач геомеханики (плоских, осесимметричных), возникающих при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов промышленно-гражданского, I и;<ро1ех«1Ическото, транспортной) назначения и юрною дела с помощью метода конечных элементов на персональных компьютерах. Программа обеспечивает выполнение следующих этапов моделирования:
1. Задание геометрии объекта, геологического строения грунтовой области, технологической последовательности геотехнических работ.
2. Расчет поля природных напряжений в области.
3. Расчет напряженно-деформированного состояния области при воздействии на нее заданных сил и перемещений.
4. Расчет напряженно-деформированного состояния области при выемке из нее подобластей, имитирующих открытый котлован или подземную выработку.

5. Введение в область элементов иной жесткости (подпорных стен, обделок тоннелей, отсыпки насыпей и т.н.).

В последние 20 лет в практике усиления все шире используются буроинъекционные сваи как вертикальные, так и наклонные После специальных работ по опрессовке такие сваи имеют неровЧ ную поверхность, поэтому за рубежом они получили название "корневидных". Основные преимущества корневидных свай:
1. Полностью исключаются ручные земляные работы. Бурение скважин ведется непосредственно через фундамент, не затря гивая коммуникаций, проходящих около зданий и в подвалах.
2. Используя малогабаритное оборудование, можно вести работы из подвала при высоте 2, 0...2, 5 м, а в случае необходимости - с первого этажа здания.
3. Совершенно не изменяется внешний вид конструкции, что немаловажно при работе на памятниках архитектуры.
4. Можно вести работы на действующих предприятиях без остановки производственного процесса.
5. Затраты ручного труда на всех технологических операциях минимальные; способ экономичен, с низким расходом материалов.
6. Очевидна экологическая чистота способа, по сравнению с химическими способами закрепления, что важно в условиях повышенных экологических требований.
Отметим отдельные недостатки указанных свай:
1. Недостаточная изученность работы тонких свай в слабых грунтах.
2. Низкая несущая способность из-за небольшого диаметра и соответственно малой боковой поверхности и площади острия.
3. Сложность надежного закрепления головы сваи в случае ветхого фундамента, который в последующем работает как ростверк. Отсутствие соответствующего расчета.
4. Неопределенность в формировании необходимого диаметра при устройстве буроинъекционных свай в слабых грунтах.
5. Неизученность работы тонкой длинной сваи как элемента, армирующего толщу слабого грунта.
Несмотря на все отмеченные недостатки, в Италии, ФРГ, Франции, Швеции и России успешно усилены здания, включая аварийно деформированные памятники, и даже возведены новые фундаменты в сложных условиях примыкания новых зданий к старым на слабых грунтах.
В Риме усилен собор св. Андрея, в Венеции - наклонная башня "Бурано" на острове с этим же названием. В Москве усилены Здания уникальных памятников — Третьяковской галереи, театра МХАТ, музея Андрея Рублева и др. В С.-Петербурге выполнено оригинальное усиление оснований и фундаментов костела Св. Екатерины (Невский пр., 32) при общем количестве свай более 1200 шт., Приоратского дворца в Гатчине и др.
Для изготовления этих свай в фундаменте пробуриваются отверстия. Устойчивость скважины обеспечивается глинистым раствором, преимущественно бентонитовым (рис. 15.9).
Технологическая последовательность работ по такому методу следующая: производится бурение скважины 1; в скважину погружается инъектор 2 со специальным калиброванным отверстием - соплом; подается под большим давлением (до 100 МПа) инъекционный раствор; осуществляется подъем инъектора с одновременным его вращением; формируется свая нужного диаметра или стенка из свай.

Чтобы исключить нежелательные для старых зданий и слабых грунтов динамические воздействия, сваи, как правило, погружают вдавливанием. Из-за стесненности существующих помещений часто используют многосекционные сваи. Уфимским НИИпромстроем разработаны нормативные документы, регламентирующие технологические особенности использования многосекционных свай вдавливания. В 80-х гг. на объектах реконструкции в нашей стране начали широко внедрять набивные и буронабивные сваи усиления. ЛенжилНИИпроектом с участием автора были разработаны альбомы и типовые нормали по технологии устройства указанных свай в условиях слабых грунтов. Технологические особенности вдавливания многосекционных свай в виде выносных опор приведены на рис. 15.8, а.
При использовании свай вдавливания необходимы надежные упоры. Несущую способность сваи можно регулировать в процессе вдавливания многосекционных элементов. Элементы могут быть изготовлены из железобетона в виде секций свай со специальными стыками, позволяющими быстро выполнять соединение. Можно использовать металлические трубы, однако при этом следует учитывать возможность их коррозии. В Петербурге эта проблема решалась двумя путями: 1 - установка арматурного каркаса и армирование всего объема трубы; 2 - использование готовых трубо-бетонных элементов.
Вообще сведения о коррозии самые противоречивые. По данным японских исследователей, которые широко используют металл для усиления при реконструкции, коррозия металла не зависит от состава стали, грунтовых условий, наличия сварки. При самой современной антикоррозийной защите она составляет до 0,01 мм в год. Не вдаваясь в детали этой специальной проблемы, отметим лишь, что в условиях городской застройки при блуждающих точках, обилии солей в грунтовых водах создаются самые благоприятные предпосылки для коррозии металла.

Вполне безопасным, с точки зрения воздействия на окружающую среду, является закрепление грунтов с использованием портландцемента. Как известно, затвердевший портландцемент состоит в основном из гидросиликата кальция, практически нерастворимого в воде. В силу этого представляются перспективными инъекционные и буросмесительные способы. Технология их применения основана на смешивании слабых грунтов с водоцементной суспензией.
В материалах Х1П Международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению (Гамбург, 1997) как перспективные преложены смеси, в состав которых входят: цемент, бентонит, силикатная и минеральная добавки. Считается наиболее эффективным применение таких смесей для укрепления аллювиальных (наносных) грунтов и устройства надежных противофильтрационных завес. Основными преимуществами смеси являются отсутствие загрязнения окружающей среды, возможность использования многих типов цемента, высокая подвижность при коротком времени схватывания.
Проанализированные выше традиционные технологии, связанные с уширением подошвы фундаментов, на современном этапе могут быть трансформированы следующим образом. На уровне подвала устанавливается железобетонная плита 2 (рис. 15.7), закрепленная в теле фундамента. Чтобы плита надежно включалась в работу, под нее можно инъецировать цементный раствор для опрессовки верхних слоев грунта. В ряде случаев можно использовать многосекционные сваи, получаемые вдавливанием.
Опорную площадь фундаментов можно увеличить за счет сборных плит, устраиваемых в подвалах здания. При этом нагрузки на плиты передаются через нажимные рамные конструкции, упирающиеся в монолитное перекрытие. Недостатком технологии является многодельность работ в стесненных условиях подвалов. К тому же, как правило, кладка над обрезом фундамента бывает расструктуренной из-за постоянного увлажнения, связанного с поднятием культурного слоя. Такие мероприятия должны проводиться в комплексе с усилением опорной части кладки стены. Достоинством технологии является отсутствие необходимости вскрытия грунтов в основании фундаментов.

Химическое закрепление грунтов позволяет успешно решать многие задачи реконструкции при достаточно сложных инженерно-геологических условиях. Приведем характерный пример из практики в Петербурге. В 1959-1960 гг. для предотвращения аварийных осадок стен сценической части здания Мариинского театра было выполнено химическое закрепление грунтов в основании ленточных фундаментов. Закреплению подлежал песок пылева-тый с коэффициентом фильтрации 0,5-1,5 м/сут и пористостью п = 0,44. Толща песков составляла 3—4,5 м ниже подошвы фундамента. Закрепление производилось по традиционной схеме с использованием карбамидной смолы плотностью 1,076-1,08 г/см3 и 3%-ного раствора соляной кислоты. Вначале нагнетался раствор соляной кислоты (400 л), затем — 50 л воды и после этого - раствор смолы (400 л). Нагнетание осуществлялось насосами при давлении 0,3 МПа. Объем одной заходки, приходящейся на 1 инъ-ектор, составил 0,6-0,7 м3.
В последние годы появились работы о возможности создания нетоксичных либо слаботоксичных составов для закрепления грунта с использованием карбамидных смол. Указывается, что при соблюдении предлагаемых технологически сложных приемов можно снизить канцерогенность этих смол.
В связи с усиленным вниманием к охране окружающей среды необходимо более строго подходить ко всем рекомендуемым «универсальным» химическим реагентам. Так, несомненно, вредное воздействие на окружающий незакрепленный грунт и подземные грунтовые воды широко рекомендуемых кислот и щелочей высокой концентрации. Специальными исследованиями была выявлена токсичность и экологическая несостоятельность ряда реагентов, рекламируемых для закрепления грунтов в условиях реконструкции, в частности, акриловых, фенольно-формальдегидных, фурановых, хромлигниновых и карбамидных смол с несвязным формальдегидом.
Представляется обоснованным отказ многих специалистов от использования большей части химических реагентов, за исключением традиционно применяемых силикатов (одно- и двухра-створная силикатизация).
Однорастворная силикатизация, предложенная в России в довоенные годы, заключается в том, что в грунт нагнетается предварительно подготовленная композиция из гелеобразующей основы (жидкого стекла) и отвердителя. При невысокой вязкости смеси она может нагнетаться даже в слабофильтрующие песчаные грунты (с коэффициентом фильтрации 1...5 м/сут).
Технология, разработанная В.Е.Соколовичем в начале 70-х гг., была названа газовой силикатизацией. Сущность способа состоит в том, что в закрепляемый грунт первоначально (под давлением до 0,2 МПа) вводят углекислый газ с целью активации поверхности минеральных частиц, а затем - раствор жидкого стекла с плотностью 1,19...1,30 г/см3 (в зависимости от водопроницаемости грунта). Газовая силикатизация, к сожалению, мало расширяет пределы применимости способа и ограничивается песчаными разностями с коэффициентом фильтрации не менее 0,5 м/сут.

Рассмотрим традиционные варианты усиления фундаментов, связанные с увеличением площади подошвы, с позиций геотехники и технологичности применительно к слабым, водонасыщенным грунтам, где такие уширения наиболее вероятны.
Выполняемые уширения подошвы фундамента без предвари-тельной опрессовки малоэффективны. Они вступают в работу лишь при увеличении нагрузки, когда появляются дополнительные осадки. К сожалению, последние могут быть предельными для старого здания, требующего усиления. Это наглядно видно на схеме уширения подошвы фундамента с эпюрами давления в плоскости подошвы.
Усиление оснований и фундаментов производится, когда грунты перегружены. При вскрытии таких фундаментов (даже локальных) до уровня подошвы может произойти выпор грунта в траншею или шурф (рис.15.5).
Основные приемы усилений оснований и фундаментов сводятся к следующему. Усиливаемый фундамент разбивают на отдельные захватки (участки) длиной 1, 5...2, 0 м. На этих участках отрывают вручную траншеи шириной 1, 2...2, 0 м до подошвы. После этого в фундамент забивают металлические штыри (либо погружают в заранее пробитые отверстия через 50 см в шахматном порядке). Устанавливают опалубку и бетонируют уширение. Имеются технологические приемы, позволяющие выполнить оп-рессовку грунта. Для этого после разработки траншеи бетонируют примыкающие к граням фундамента банкеты без омоноличи-вания их с кладкой существующих фундаментов. Затем в пробитые проемы устанавливают стальные балки, являющиеся упорами для гидравлических домкратов, которыми обжимают грунты в основании устраиваемых уширений. После опрессовки домкраты извлекают и бетонируют банкет (рис. 15.6, г).
Как показывают наблюдения, значительная часть нагрузки передается через подошву старого фундамента. Это можно считать допустимым, так как уширения улучшают в целом условия передачи нагрузки, исключая выпор из-под подошвы. Здесь технология работ должна исключить выпор грунта. Само появление возможного выпора должно прогнозироваться расчетом.

Выбор технологии усиления оснований и фундаментов зависит от рассмотренных факторов, а также от вида предполагаемых работ по консервации, реставрации либо реконструкции. Реконструкция может быть связана с увеличением нагрузок на существующие фундаменты. Основополагающими являются факторы, связанные с конструктивными особенностями здания, состоянием грунта в основании и оснащенностью организаций, осуществляющих работы. Современным оборудованием можно выполнять работы по усилению оснований и фундаментов технологично, быстро, надежно, с минимальным использованием ручных операций.
Принятое решение должно обеспечить надежную, длительную дальнейшую эксплуатацию, соответствующую данному при проектировании геотехническому прогнозу, с учетом экономики, экологии, безопасности ведения работ.
Рассмотрим и проанализируем традиционные и современные новые технологии усиления оснований и фундаментов. Предварительно оценим причины, обусловливающие необходимость усиления оснований и фундаментов. Согласно обобщенной классификации Б.И.Далматова это, прежде всего, увеличение нагрузки на фундаменты; разрушение кладки фундамента или снижение его гидроизолирующих свойств; ухудшение условий устойчивости фундаментов либо грунтов в их основании; увеличение деформативности грунтов; непрерывное развитие недопустимых перемещений конструкций.
В литературе рассматриваются, как правило, традиционные способы усиления. Однако в последние 20 лет развиваются новые технологии, особенно интенсивно в ФРГ, Англии, Франции, Италии, Швеции, Финляндии.

Обследование оснований под фундаментами проходкой шурфов является самым распространенным способом изысканий, применяемым при реконструкции. Шурфование позволяет проводить визуальное изучение, пенетрацию грунтов, массовый отбор проб, по которым определяются показатели свойств грунтов, устанавливается изменение физико-механических характеристик в уплотненных зонах основания.
Недостатками шурфования являются высокая трудоемкость проведения работ в сложных условиях (под нагруженными конструкциями сооружения), частая необходимость крепления шурфов, выполнение водоотлива.
Указанные недостатки метода шурфования иногда делают его малопригодным.
Информативность способов зондирования существенно возрастает при проведении комплексных и сопоставительных изысканий на основе тарировки с использованием корреляционных зависимостей между показателями зондирования и характеристиками физико-механических свойств грунтов.
При зондировании грунтов непосредственно под подошвой в ступенях фундаментов пробиваются (пробуриваются) сквозные отверстия диаметром 45—50 мм, через которые выполняется зондирование (рис. 15.2).
В основу способа оценки исходного напряженно-деформированного состояния массива грунта принимают кулоновский закон предельного сопротивления грунта сдвигу
х = Ма,
где для несвязных грунтов М — tg ф. а для связных М = tg <р +С/с.
Несмотря на все увеличивающийся объем реконструкции зданий и сооружений самого различного назначения, до сегодняшнего дня нет нормативных документов, определяющих порядок расчета оснований и фундаментов в различных вариантах реконструкции. К наиболее распространенным случаям реконструкции
можно отнести:
увеличение нагрузки на существующие фундаменты (надстройки, использование более тяжелых конструкций и пр.);
устройство новых фундаментов на пятне застройки старого, разбираемого при реконструкции;
пристройку новых зданий и сооружений к старым, существующим;
усиление либо переустройство оснований и фундаментов.

В качестве вспомогательной меры безопасного ведения работ вблизи к существующим домам применяют меры превентивного усиления оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций старых зданий: 1) "пересадку" здания на буроинъекционные сваи усиления, сваи "МЕГА " и т.п., 2) усиление основания инъекционными методами; 3) подведение под здание сплошной плиты; 4) усиление стен и других конструкгшй; 5) выправление конструкций зданий, получивших неравномерные деформации (см. гл. 15).
Не все из перечисленных способов нашли широкое развитие и достаточно технологически проработаны. Некоторые из них применяются в сочетании, дополняя друг друга. Меры превентивного усиления фундаментов и наземных конструкций домов трудно реализуемы в тех случаях, когда дома заселены, находятся в эксплуатации поскольку часто это сопряжено с необходимостью расселения квар тир, что приводит к большим дополнительным расходам.
Суть ее в том, что лопасть шнека, приваренная к трубе Н статочно большого диаметра, завинчивается на проектную глубину непрерывно без выемки грунта. Затем в трубу, снабженную теряемым наконечником, подается бетонная смесь бетононасосом й шнек с грунтом постепенно извлекается на поверхность, при этом грунт замещается бетоном. Эта технология, по-видимому, гарантированно обеспечивает безопасное ведение работ около старых фундаментов;
в) сваи, выполняемые в полости, образуемой вытрамбовыванием - выдавливанием грунта. Этот метод весьма эффективен в условиях слабых грунтов, поскольку фунт ниже острия свай не извлекается, а уплотняется. Такие полости можно образовать с помощью различных технологий и машин, например "ATLAS" и "FUNDEX" (0 400 - 600 мм, L - до 30 м).

Бурение скважин с промывкой производится буровым инст-рументом, который опускается в скважину на трубе. В трубе и в скважине циркулирует вода или глинистый раствор (водная сус-пензия бентонита), который удаляет из скважины разрушенную! породу (шлам). По достижении проектной отметки в скважин» опускается бетонолитная труба, по ней подают пластичную бетонную смесь, которая вытесняет суспензию, а затем в бетон опускают арматурный каркас. Применение этой технологии иног опасно, так как скважина не закреплена, возможны вывалы грун та (особенно при использовании глины низкого качества), в том числе из-под фундаментов старых домов, что чревато опасным по следствиями.
Изготовление свай бурением скважин с обсадкой - наиболее распространенный способ. Существующие машины могут изготавливать сваи диаметром до 2 м. При строительстве домов в стес-i ненных условиях наиболее употребимы сваи 0 350,400, 600 мм, длиной до 30 м, а их несущая способность может достигать] 3000 кН и большей величины. Вместе с тем нельзя считать, что все технологические вопросы устройства буровых свай разрешены, поскольку отмечены случаи развития повреждений соседним домов в период производства описанных работ. Потребуется разработать строгий технологический регламент, обеспечивающий безопасное ведение работ в стесненных условиях. Очевидно, завершающим этапом работ этого типа являются заполнение скважин бетонной смесью (способом вертикально перемещающейся бетонолитной трубы) и постановка арматурного каркаса.

Их следует рассматривать как главную и наиболее эффективную меру, обеспечивающую разрешение данной задачи, поскольку это решение дает вполне надежный фундамент для нового здания и как следствие минимальные осадки существующих соседних. Главной проблемой при этом решении является технология выполнения свай. Применяются сваи нескольких типов, которые можно разбить на следующие основные группы:
а) сваи полной заводской готовности (железобетонные, металлические, деревянные), в зависимости от способа погружения подразделяются на забивные, погружаемые вибраторами, вдавливанием, завинчиванием.
Сваи первых двух технологий, как правило, не применимы, поскольку вибрационные воздействия на грунт и конструкции старых домов и коммуникаций могут приводить к аварийным последствиям.
Сваи вдавливания лишены указанных недостатков. Однако они имеют ограниченную несущую способность, определяемую величиной силы вдавливания, которую развивают механизмы (обычно она не превышает 600 кН). Материал такой сваи не всегда работает эффективно, сваи не удается погрузить в достаточно плотный грунт, поэтому и новое здание и примыкающие к нему получают осадку, хотя и существенно меньшую, чем при фундаментах мелкого заложения. Главный недостаток свай этой технологии состоит в том, что сваи, вдавленные в грунт вплотную к существующим фундаментам, вызывают их дополнительную осадку в процессе вдавливания и после его завершения. Имеющийся опыт еще не достаточен, чтобы надежно назначить размер безопасного удаления вдавливаемой сваи от старого фундамента или назвать те виды грунтов, при которых эти сваи безопасны. Возможно, дополнительная осадка существующего здания обусловлена изменением напряженного состояния грунта при вдавливании свай и его перемятием (нарушением природного сложения).
Винтовые сваи изготавливают обычно в металле, для их погружения требуются специальные механизмы, которые имеются У специализированных фирм. Достаточного опыта применения этих свай в рассматриваемых ситуациях еще нет;
б) сваи, выполняемые в буровых скважинах, имеют MHOI численные модификации в зависимости от способа бурения сква] жин, крепления ствола, геометрических размеров, состава прим^ няемого бетона и др. Главные различия касаются метода бура скважин и извлечения грунта, включая способы с промывкой водой, глинистым раствором, обсадкой скважин трубами.

Разъединительный ряд из буронабивных свай был предложен Б.И. Далматовым и В.Н. Брониным в 1993 г. и применен с положительным эффектом на нескольких объектах. Такая разъединительная конструкция имеет недостатки: она материалоемка, требует много времени для изготовления и может представлять опасность для старых фундаментов из-за вибрации, "выпуска" грунта в буровые скважины и других воздействий. Однако ее применение не требует расхода металла - сваи можно не армировать.
Прорезь, заполненная антифрикционным материалом, является перспективной и, по-видимому, относительно дешевой конструкцией. Ее основная идея в том, что узкая выемка в грунте, заполненная бентонитовой суспензией, - материалом, обладающим минимальным внутренним трением, - препятствует развитию дополнительных осадок фундаментов от влияния загружения соседней площадки. Теоретические основы этого мероприятия достаточно детально разработаны, однако на практике оно еще не применялась.

Разъединительные конструкции в грунте, назначение которых - изменить напряженное состояние грунта так, чтобы напряжения в основании старого здания от влияния нового не получили опасного развития, а вызванная ими дополнительная осадка не имела опасных последствий или была бы нулевой.
Такие разъединительные конструкции могут быть образованы: 1) металлическим шпунтовым рядом; 2) стенкой из секущихся или соприкасающихся буронабивных свай; 3) прорезью в грунте, заполненной антифрикционным материалом.
Разъединительный шпунтовый ряд был впервые предложен Б.И. Далматовым в проекте нескольких 12-этажных домов с одноэтажными пристройками.
Шпунт погружается по линии примыкания до откопки котлована под новое здание, длина шпунта назначается в расчете на прорезку всей толщи слабых грунтов. Очевидно, шпунт должен быть неподвижным, а это достигается тем, что он нижним концом опирается в малосжимаемые грунты. В плане шпунт располагается по линии примыкания домов и должен выступать за их границы, образуя "шпоры", которые могут огибать старое или новое здания на участке длиной, равной примерно 1/2-1/4 от толщины сжимаемой зоны основания нового здания (рис. 14.4).
Эффективность шпунта может быть повышена, если его поверхности обмазаны антифрикционными покрытиями. Наиболее эффективен по расходу материала и технологическому воздействию на существующие дома плоский шпунт, расход которого может быть сравнительно невелик.
Применение цшунта ограничено двумя факторами: опасностью вибрации при погружении, от чего фундаменты старых домов могут получить дополнительные осадки, и большой глубиной кровли плотных грунтов, поскольку погружение шпунта длиннее 20 м затруднительно. Шпунт применять опасно там, где залегают водонасыщенные пески и другие грунты, обладающие тиксотрогшыми свойствами.

Принципиально они могут быть отнесены к различным мероприятиям: планировочным, архитектурным, конструктивным, технологическим, организационным. От конструктора не всегда зависят планировочное, архитектурное решение или органшационно-строительные мероприятия, поэтому рассмотрим их лишь в сжатой форме.
Планировочные мероприятия направлены на то, чтобы новое здание было отнесено от существующих на безопасное расстояние - обычно на 10...20 м. Тогда новое здание может рассматриваться как "отдельно стоящие" и специфических проблем с фундаментами не возникает.
Архитектурное решение может упростить задачу, если новое здание в зоне примыкания тем или иным способом облегчено, допустим, в зоне примыкания располагают блок, высота которого меньше соседнего, новое здание облегчено проездами и т.п.
Конструктивные мероприятия являются основными. Их следует разбить на три группы: 1) новое здание строится на фундаментах мелкого заложения, несмотря на то, что условие (14.1) не удовлетворено; 2) новое здание возводится на свайных фундаментах; 3) под новым зданием предусмотрено строительство глубокого подземного объема (гаража, склада и т.п.).
Если условия (6.2) и (14.1) выполнены, то особых проблем не возникает. Если условие (6.2) выполнено, а условие (14.1) - нет, то рекомендуется применять несколько мероприятий, оправдавших себя на практике, включая консольное примыкание, разъединительный шпунтовый ряд, превентивное усиление фундаментов соседних домов с пересадкой их на сваи усиления. В целом эта группа мер может рассматриваться в качестве паллиативных (вынужденных), поскольку гарантированно обеспечить сохранность соседних домов при их реализации весьма проблематично.
Консольное примыкание- основная идея этого мероприятия состоит в том, что в зоне примыкания фундаменты нового и старого зданий получают разрыв, размер которого подбирается по расчету так, чтобы условие (14.1) было выполнено. В этом случае стены, колонны, другие конструкции нового здания опираются на консоли, вылет которых определяется размером "разрыва", назначенного по расчету величины t. По проектам, реализованным в Санкт-Петербурге, вылет консолей выполнялся в пределах от 2 до 5 м (для домов в 6...12 этажей), что не создавало конструктивных трудностей (рис. 14.3). Данное мероприятие эффективно при выполнении двух условий: 1) между нижней гранью консоли и грунтом должен быть обеспечен воздушный зазор, размер которого назначается равным (в запас) не менее двойной величины ожидаемой осадки нового здания; 2) между фундаментами и стенами нового и существующих зданий должен быть выполнен осадочный шов, работающий четко. Конструкции шва и его исполнению должно быть уделено особое внимание.

Специфика проектов фундаментов, расположенных возле существующих зданий и сооружений, состоит в том, что они должны обеспечить нормальную работу конструкций нового здания и не приводить к развитию деформаций основания соседних. Разработка таких проектов, их реализация в производстве сложны. Общероссийские СНиПы освещают эти вопросы недостаточно, специальные руководства не полны, являются ведомственными документами, поэтому труднодоступны. При разработке проектов фундаментов расчет нового и соседних зданий по деформации имеет особенно большое значение.
В главе СНиП 2.02.01 - 83 вопрос о предельной величине дополнительной осадки не освещен. Поэтому рекомендуется пользоваться методикой, разработанной на кафедре геотехники СПбГАСУ в 1980-1985 гг. (СН. Сотников, 1985, СН. Сотников и др., 1986), которая состоит в следующем.
Здания старой постройки получили "собственную осадку", которая развивалась десятки лет. Средняя осадка домов Санкт-Петербурга часто достигает 20...30 см и больше, т.е. превышает осадки допустимые по СНиПу. Согласно теории, подтвержденной натурными наблюдениями, эта осадка приводит к развитию прогиба здания. Если такое здание получает дополнительную осадку уплотнения sa[t, то это приводит к развитию выгиба, перекоса. Конфигурация коробки существующего здания изменяется, а в кладке стен возникнут трещины, возможны сдвиги перекрытий, развитие других дефектов и даже обрушения конструкций.
Вид деформации здания от дополнительной осадки существенно отличается от деформации, вызванной собственной осадкой. В этом случае использование при проектировании показателей, рекомендованных СНиП 2.02.01 - 83 - средней осадки при прогибе и др. по условию (6.2) - неправомерно.

От загружения основания новым зданием (сооружением) возникает "осадочная воронка", размеры которой в плане соизмеримы с мощностью сжимаемой зоны основания (до 20...30 м), однако наибольшие осадки образуются в пределах ближайших 10 м от плошади загружения основания. Если в пределах осадочной воронки оказывается здание, то оно получает осадку, вызванную дополнительными напряжениями в основании от загружения новым зданием. Из теории следует, что осадка s, заведомо неравномерна. Если в осадочную воронку попадают существующие здания или сооружения, они получают деформацию сложной формы в зависимости от жесткости здания и других факторов. Следовательно, чувствительность старого здания к развитию «различна и зависит от многих причин, учесть которые достаточно сложно.
Современные методы расчета оснований по деформации, рующиеся на теории упругости (см. гл. 6), численные методы (см. 16) позволяют производить расчет осадки основания проектиру-го здания и дополнительной осадки примыкающих к нему здан Отсюда вопрос о величине suds разрешим, эта расчетная вели детерминирована напряженным состоянием массива грунта, п му расчет является важным этапом разработки подобных проекто 14.1.3. Дополнительные осадки от производственно-технологических воздействий Промышленные здания и сооружения возводятся, очевидно, для размещения в них технологического оборудования, работа которого может оказывать дополнительную эксплуатационную осадку s о<ь "собственных" фундаментов и фундаментов соседних зданий, а также дорог и коммуникаций.
Наиболее опасны вибрационные воздействия на грунт при работе массивных молотов, прессов, мощных компрессоров и других механизмов, генерирующих колебания относительно низких частот, соизмеримых с частотами собственных колебаний конструкций домов. Указанные вибрации могут вызвать динамическое уплотнение грунтов под фундаментами соседних домов или даже динамическое "разжижение" водоиасыщенных песков, что особенно опасно, так как грунт при этом может потерять устойчивость, а сооружение получит просадку.

Опыт строительства и эксплуатации зданий и сооружений в стесненных условиях городской или промышленной застройки показывает, что существующие здания получают осадку saJ, которую принято называть "дополнительной". Дополнительная осадка возникает в результате трех главных причин:
1) от строительно-технологических воздействий на основание существующего здания, такую осадку назовем дополнительной строительно-технологической, sad ;
2) от изменения напряженного состояния основания существующего здания при загружении массива грунта новым зданием — дополнительная осадка уплотнения suJs;
3) от воздействий технологического оборудования, размешенного и функционирующего в новом здании, на основания соседних зданий - дополнительная эксплуатагшонная осадка железобетонных свай по сопротивлению материалов как для внецентренно сжатого элемента. Методика определения расчетных усилий изложена в приложении СНиП 2.02.03 - 85.
В сейсмических районах нашли применение свайные фундаменты с промежуточной распределительной песчаной подушкой (рис. 13.21).
Для того, чтобы свайные фундаменты с промежуточной подушкой обеспечивали распределение сейсмических нагрузок, не
обходимы определенные соотношения между размерами свай, оголовков и промежуточной подушкой. В связи с этим толщина подушки над оголовками свай назначается в зависимости от расчетной нагрузки на одну сваю и составляет 40 см при нагрузках 600 кН и 60 см - при нагрузках более 600 кН. Размеры фундаментного блока в плане должны быть не менее размеров свайного куста по наружным граням оголовков. Размеры промежуточной подушки в плане должны быть больше размеров фундаментного блока не менее чем на 30 см в каждую сторону.

Свайные фундаменты в условиях сейсмики применяются в аналогичных целях, что и в несейсмических районах. При проектировании свайных фундаментов в сейсмических районах нижние торцы свай следует опирать на грунты скальные, крупнообломочные, плотные и средней плотности пески, твердые, полутвердые и тугопластичные пылевато-глинистые грунты. Опирание свай на рыхлые водонасыщенные пески, пылевато-глинистые грунты мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции не допускается. Заглубление свай в грунт в сейсмических районах должно быть не менее 4 м, за исключением случаев их опирания на скальные грунты.
В условиях сейсмики применяются как забивные, так и набивные сваи. Набивные сваи рекомендуется устраивать в маловлажных связных грунтах при диаметре свай не менее 40 см и отношении их длины к диаметру не более 25. В структурно-неусхойчивых грунтах применять набивные сваи можно только с обсадными неизвлекаемыми трубами. Армирование набивных свай является обязательным при минимальном относительном армировании, равном 0,05.
Проектирование свайных фундаментов производится в соответствии с общими принципами проектирования и расчета фундаментов в сейсмических районах, изложенными выше. При этом учитываются особенности взаимодействия свайного фундамента с окружающим грунтом при воздействии сейсмических импульсов (возникновение зазора между сваей и грунтом на некотором расстоянии ниже подошвы ростверка, уменьшение сил трения грунта по боковой поверхности сваи, уменьшение сопротивления грунта под нижним торцом сваи и др.). Кроме того, расчет свай на горизонтальную составляющую нагрузки в особом сочетании с учетом сейсмического воздействия является обязательным.
При расчете свайных фундаментов при сейсмических нагрузках проверка устойчивости грунта по условию ограничения давления, передаваемого на грунт боковой поверхностью сваи, должна выполняться с условием понижения расчетного угла внутреннего трения в зависимости от интенсивности землетрясения, как это приведено выше.

Основное требование сейсмостойкости фундаментов состоит в том, чтобы при совместном действии на них обычных нагрузок и сейсмических сил фундаменты не разрушались, не сдвигались и не опрокидывались, а основание не теряло устойчивости, тем самым обеспечивая общую устойчивость и прочность системы "сооружение - основание".
Основной расчет оснований с учетом сейсмических воздействий сводится к проверке несущей способности оснований на особое сочетание нагрузок, определяемых в соответствии с требованиями СНиП на нагрузки и воздействия, а также норм по проектированию зданий и сооружений в сейсмических районах. Предварительные размеры фундаментов определяют расчетами основания по деформациям на основное сочетание нагрузок (без учета сейсмических воздействий) по общим правилам (см. гл. 6 и 7).
Целью расчета оснований по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости оснований, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания. Выполнение этих условий обеспечивает сохранность строительных конструкций, выход из строя которых может привести к обрушению сооружения или его частей. Однако при этом допустимо некоторое повреждение элементов конструкций, не угрожающее Эксцентриситеты еа и ен рассматриваются с одинаковым знаком, так как при этом будет иметь место наиболее невыгодное для несущей способности основания сочетание действующих нагрузок (несущая способность основания минимальна при сдвиге грунта в сторону, противоположную эксцентриситету нагрузки).
В случае действия моментных нагрузок в 2 направлениях расчет оснований по несущей способности должен выполняться раздельно на действие сил и моментов в каждом направлении независимо друг от друга. При расчете оснований и фундаментов на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических нагрузок допускается частичный отрыв подошвы от грунта при выполнении следующих условий: эксцентриситет еа расчетной нагрузки не должен превышать одной трети размера подошвы фундамента в плоскости действия момента (еа < Ъ/3); сила предельного сопротивления F должна определяться для условного фундамента, размер подошвы которого в направлении действия момента принимается равным размеру сжатой зоны Ьс= 1,5 (Ь 2е); максимальное краевое давление pmax под подошвой фундамента, вычисленное с учетом неполного опирания его на грунт, не превысит краевой ординаты эпюры предельного сопротивления основания р.

Силы взаимодействия между грунтом основания, испытывающим колебания при землетрясениях, и сооружением называются сейсмическими силами. По природе они являются инерционными, по характеру _ динамическими. Зная наибольшее ускорение а грунта основания при землетрясениях и массу элементов сооружения, можно определить возникающие в них максимальные силы инерции (сейсмические силы), в том числе действующие на фундаменты. При этом величина сейсмической нагрузки зависит не только от интенсивности колебаний основания, но и от динамических характеристик самого сооружения, что учитывается динамическим коэффициентом Р(, величина которого зависит от характера затухающих колебаний грунта и диссипации (рассеивания) энергии при колебании сооружения. Наряду с вынужденными колебаниями при определении сейсмических сил необходимо учесть собственные колебания сооружения, обусловленные начальными условиями движения грунтов.
Расчет оснований и фундаментов сооружений, проектируемых Для строительства в сейсмических районах, должен выполняться сооружений учитывается умножением значений расчетных нагрузок на коэффициенты сочетаний равные при постоянных нагрузках 0,9, временных длительных - 0,8 и кратковременных на перекрытия и покрытия - 0,5. При этом не учитываются горизонтальные нагрузки от масс на гибких подвесках, температурные климатические воздействия, ветровые нагрузки, динамические воздействия от оборудования и транспорта, тормозные и боковые усилия от движения кранов.
При определении расчетной вертикальной сейсмической нагрузки необходимо учитывать массу моста крана, тележки, а также массу груза, равного грузоподъемности крана с коэффициентом 0,3. Горизонтальную сейсмическую нагрузку от массы мостового крана учитывают в направлении, перпендикулярном к оси подкрановых балок. При этом снижение крановых нагрузок, рекомендуемое СНиП по нагрузкам и воздействиям, не учитывается.
Основания и фундаменты рассчитывают на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий, исходя из того представления, что сейсмические нагрузки могут иметь любое направление в пространстве.

Общие положения Сейсмические воздействия на фундамент обусловлены землетрясениями, происходящими в результате тектонических разломов в земной коре. От гипоцентра во всех направлениях распространяются упругие колебания, характеризуемые сейсмическими волнами (продольными, поперечными и поверхностными). Сейсмические воздействия вызывают колебания зданий и сооружений, которые приводят к появлению в элементах надземных конструкций сил инерции. На величину последних решающее влияние оказывает интенсивность землетрясения, измеряемая балльностью.
В России принята 12-балльная шкала оценки силы землетрясения. Главным признаком силы землетрясения является степень повреждения зданий и сооружений. Районирование территории страны по балльности приводится в СНиП II-7—81. Выполняется также микрорайонирование внутри районов. Сейсмичность конкретной площадки строительства зависит как от сейсмичности района, так и от вида состояния слагающих ее грунтов (табл. 13.5).
По сейсмическим свойствам грунты разделяются на три категории: I категория - грунты хорошие (скальные, крупнообломоч-> ibie, вечномерзлые в твердомерзлом состоянии); II категория - фунты среднего качества (скальные выветренные, пески маловлажные средней плотности и плотные, пылевато-глинистые фунты с показателем текучести /( < 0,5, вечномерзлые грунты с температурой выше минус 2°С); ГП категория - пески рыхлые, водонасыщенные, вечномерзлые оттаивающие, слабые пьиевато-глинистые грунты.
При неблагоприятных сочетаниях ряда условий (неоднородность грунтов, прогнозируемый уровень подъема подземных вод, особо ответственные сооружения и др.) сейсмичность площадки может быть повышена. Строительство сооружений разрешается только в районах с сейсмичностью не более 9 баллов.
Сейсмические воздействия, как и любые динамического характера нагрузки на основания, приводят к изменению свойств грунтов: увеличивается сжимаемость, особенно несвязных грунтов; уменьшается их предельное сопротивление сдвигу, вследствие вызванного вибрацией уменьшения трения между частицами. Импульсные воздействия средней величины могут вызвать дополнительные осадки и просадки оснований, а импульсы значительной величины - разрушение структуры грунтов, уменьшение их прочности, потерю устойчивости оснований. При определенных условиях может происходить разжижение водонасыщенных песчаных оснований, приводящее к полному исчерпыванию их несущей способности. Эти изменения строительных свойств грунтов и специфический характер взаимодействия сооружения с основанием определяют особенности проектирования фундаментов в условиях сейсмических воздействий.

При проектировании по принципу I применяются следующие типы фундаментов: на естественном основании, на искусствен-] ном основании, свайные и другие фундаменты глубокого заложе! ния. Фундаменты на естественном основании применяются, ком да по мерзлотно-грунтовым условиям технически целесообразна и экономически выгодно использовать сопротивление верхних гЛ ризонтов твердомерзлых грунтов под подошвой фундамента. Фун| даменты на искусственных основаниях (главным образом на под! сыпных) применяются, когда устройство заглубленных фундаме™ тов является экономически неоправданным. Свайные фундамеЛ ты являются наиболее распространенным типом фундаментов. По материалу они подразделяются на железобетонные, металличес1 кие и комбинированные (деревометаллические и деревожелезЯ бетонные). К материалу фундаментов предъявляются требовании по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и устой! чивости к воздействию агрессивных сред, исходя из специфичес! ких условий эксплуатации сооружений в районах Севера. В про! екте свайных фундаментов должны быть указаны способ погря жения свай, а также температурные условия, при которых разрв шается загружение свай.
По способу погружения в вечномерзлый грунт сваи подразде,-ляются на следующие виды:
Буроопускные сваи (рис. 13.16, а); погружаются в пробуренные скважины, диаметр которых превышает на 5-10 см наиболи ший размер поперечного сечения сваи. После заполнения скважины грунтовым раствором производится опускание в нее сваи, которая постепенно смерзается с раствором и окружающим грунтом. Буроопускные сваи применяются в любых грунтах при температуре по их длине минус 0,5 °С и ниже.
Бурозабивные сваи (рис. 13.16, б); погружаются забивкой в лидерные скважины, диаметр которых несколько меньше наибольшего размера поперечного сечения сваи. Такие сваи допускаются к применению в пластично-мерзлых грунтах, не содержащих крупных включений, затрудняющих использование забивки свай.
Опускные сваи (рис. 13.16, в); свободно или (с пригрузом) погружаются в оттаянный грунт в зоне диаметром до двух наибольших размеров поперечного сечения сваи. Указанный способ погружения допускается к применению в твердомерзлых грунтах, содержащих не более 15 % крупнообломочных включений при средней температуре грунта по длине сваи не выше минус 1,5 °С.
Расстояния между сваями принимаются: для буроопускных -не менее двух диаметров скважины при ее диаметре до 1 м и не Менее диаметра сваи плюс 1 м и более; для опускных и бурозабивных свай - не менее трех наибольших размеров поперечного сечения сваи.