Глава 11. Вопросы динамики дисперсных грунтов.
Общие сведения о динамических воздействиях на грунт.
Всякое изменение нагрузки действующей на сооружения и основания, сообщает им ускорения, приводящие к появлению колебаний. Последние распространяются от точки приложения нагрузки в виде волн, уносящих с собой от источника колебаний энергию, и передают её от точки к точке среды, в которой волны движутся. При поглощении или отражении телом волн они оказывают на него динамическое воздействие - передают ему силовые импульсы. Амплитуды и частоты колебаний, скорости их распространения и затухания со временем и с расстоянием от источника воздействия зависят не только от характера нагружения, но и от физико-механических свойств среды.
Перемещения при колебаниях и волновых воздействиях сооружений и их оснований и возникающие в них динамические силы и напряжения могут вызывать деформации и повреждения, приводить к значительным и неравномерным осадкам и кренам фундаментов. Удары и колебания, особенно при сильных взрывах и землетрясениях, могут настолько понижать прочность грунтов, что значительные их массы теряют устойчивость и обрушиваются, а водонасыщенные пески могут переходить в разжиженное состояние и растекаться.
С другой стороны, в ряде случаев для осуществления тех или иных технологических процессов колебания и удары создаются преднамеренно. В области фундаментостроения к ним прибегают для облегчения и ускорения разработки грунтов и их уплотнения, для погружения свай.
Изучение закономерностей искусственно вызываемых в грунте колебательно-волновых процессов позволяет использовать их для ускорения инженерно-геологических и геотехнических изысканий и для контроля за изменением свойств грунтов при строительно-технологических воздействиях, например при искусственном уплотнении грунтов укаткой.
Во всех случаях, когда надлежит учитывать описанные выше динамические эффекты, нагрузки называют динамическими, в отличие от статических, при которых эти эффекты настолько незначительны, что ими можно пренебрегать.
Динамические нагрузки и силы называют также возмущающими.
Динамические нагрузки, возникающие при работе неуравновешенных машин, возбуждают колебания фундаментов, на которые они установлены. Последние, в свою очередь, становятся источниками сотрясений, которые, распространяясь на значительные расстояния через грунт, передаются окружающим зданиям и сооружениям. Колебания фундаментов машин могут оказывать вредное влияние на работу самих машин, на осуществляемые с их помощью технологические процессы и на организм обслуживающего персонала. Под влиянием распространяющихся через грунт сотрясений нередко усиливается развитие осадок зданий и сооружений, а также деформаций конструкций. Поэтому учет динамических нагрузок при проектировании фундаментов машин совершенно необходим.
Наиболее характерные кривые изменения динамических нагрузок во времени, вызываемых работой машин, показаны на рис. 11.1.
Рис. 11.1. Изменения неуравновешенных сил инерции во времени при работе машин:
а – периодические нагрузки (1 – гармонические; 2 – поличастотные); б – непериодические нагрузки – импульсные (3 – простые; 4 – сложные).
Периодические нагрузки (рис. 11.1, а) могут быть гармоническими (кривая 1) или поличастотными (кривая 2); первые (кривая 1) возникают при работе турбоагрегатов, моторгенераторов и других машин с вращающимися частями, вторые (кривая 2) - при работе машин с кривошипно-шатунными механизмами (например, поршневых компрессоров).
Непериодические нагрузки (рис. 11.1, б) относятся чаще всего к разряду импульсных (кривая 3), подобных возникающим при работе кузнечных молотов, но могут носить и более сложный характер. Например, кривая 4 характеризует изменение во времени момента пары, передаваемой на фундамент приводным двигателем прокатного стана.
Методика определения динамических нагрузок от неуравновешенных машин приводится в действующих нормах.
Сейсмические воздействия. Как известно, земная кора неоднородна и состоит из скальных массивов, разделенных трещинами; эти массивы различны по механическим свойствам. Медленные относительные смещения массивов, приводя к накоплению деформаций, которые в силу неравномерности достигают предельного состояния на локальных участках или (по установившейся терминологии) в очагах землетрясений. Здесь происходят разрывы земной коры; освобождающаяся при этом потенциальная энергия деформации переходит в кинетическую энергию упругих волн, распространяющихся по всему земному шару и проявляющихся на земной поверхности в виде кратковременных интенсивных колебаний, называемых землетрясением.
Возникающие при землетрясении силы взаимодействия между колеблющимся грунтом и возведенными на нём строениями представляют сейсмическое воздействие, при котором в конструкции сооружений появляются инерционные усилия («инерционные сейсмические нагрузки»); эти усилия могут вызвать повреждения или даже разрушения строений. Для определения сейсмического воздействия необходимо знать в. общем случае смещение, скорость и ускорение колебательного движения.
Сейсмический эффект от очага землетрясения распространяется к сооружению через его основание, которое может иметь, как правило, слоистое строение; например, сжимаемый слой, на котором возводится сооружение, подстилается несжимаемой скальной породой. Как показали соответствующие исследования, слоистое основание, содержащее сжимаемый слой с пониженной скоростью распространения сейсмических волн, должно быть изучено дополнительно.
На распространение смещений и ускорений на поверхности сжимаемого слоя существенно влияет не только толщина слоя, но также и наклон скального основания, подстилающего сжимаемый слой (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Кривая изменения коэффициента перегрузки k при наличии сжимаемого слоя грунта: 1 – скала; 2 – сжимаемый слой.
Так, согласно рис. 11.2 (где показана кривая изменения коэффициента перегрузки k, т. е. множителя, на который необходимо увеличить волновой эффект, распространяемый по скальному основанию, чтобы получить его значение на верхней границе сжимаемого слоя) наличие сжимаемого слоя может как увеличивать, так и снижать максимальные ускорения, которые подходят к данной точке по скальному основанию. Например, для точки I амплитуды ускорения будут в два раза больше, чем для точки II, и в два с половиной раза больше, чем для точки III. Поэтому в данных условиях здание целесообразно расположить в точке II, так как сейсмостойкость этого здания будет значительно выше по сравнению с расположением его в точке I или III.
Таким образом, сейсмостойкость может повышаться за счет удачного использования инженерно-геологических условий данного района, что дает возможность избежать дополнительных затрат при строительстве сооружений в этом районе.
Расчет сооружений на сейсмическое воздействие в случае, когда колебания основания сооружения заданы акселерограммой землетрясений, представляет известные трудности, вследствие чего по действующим нормам интенсивность этих колебаний характеризуется так называемым коэффициентом сейсмичности - отношение величины сейсмического ускорения к ускорению силы тяжести.
Динамические свойства грунтов основания сооружений могут оказывать существенное влияние на величину сейсмического воздействия. Эти свойства учитывают при микросейсмическом районировании застраиваемых территорий с учетом капитальности инженерных сооружений.
Следует иметь в виду, что сейсмические колебания могут вызывать потери динамической устойчивости структуры водонасыщенных несвязных грунтов и их переход в разжиженное состояние в обширных массивах, что всегда имеет катастрофические последствия для расположенных на них зданий и сооружений.
Сотрясения грунта, обусловленные движением транспорта, по сравнению с сотрясениями, вызываемыми сейсмическими силами землетрясений, весьма слабые. Однако вследствие длительности воздействия они могут быть причиной осадок оснований и вибротекучести дисперсных грунтов, так как при длительном действии сотрясений и возрастании ускорения колебаний сопротивление сдвигу дисперсных грунтов, особенно несвязных, значительно уменьшается, а изменение коэффициента пористости грунтов с возрастанием колебаний увеличивается, обусловливая виброуплотнение грунтов.
Действие взрыва вызывает в грунтах быстропротекающие механические процессы: возникновение взрывной газовой камеры в весьма короткие промежутки времени (иногда в тысячные доли секунды), давящей на окружающий ее грунт с огромной силой (порядка десятков тысяч мегапаскалей), обусловливает зарождение и движение взрывных волн, изменяющих во времени напряженное состояние массива грунта и движение частиц его со скоростью, меняющейся от нескольких тысяч метров в секунду до нуля.
Взрывные импульсы характеризуются максимальным давлением ртах, временем его нарастания t1, временем спада до нуля t2 и суммарным временем действия взрыва tΣ.
Как показывают опыты проф. Г. М. Ляхова и др., в грунте при взрыве заглубленных сосредоточенных зарядов ВВ (взрывчатых веществ) возникают газовые камеры (полости). С течением времени газовая камера разрушается, но время разрушения может быть весьма различным - от нескольких минут (в песках) до нескольких месяцев (в плотных глинах).
Радиус взрывной газовой камеры Rк после ее полного сформирования можно определить по эмпирической зависимости
, (11.1)
где χ - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств грунта; С -масса заряда ВВ (взрывчатого вещества), кг.
При взрывах сосредоточенных зарядов в грунте возникают: нормальные (радиальные) давления р, боковые (тангенциальные) давления рτ и движение частиц со скоростью ú.
При расчете взрывов сосредоточенных зарядов в неводонасыщенных грунтах и скальных породах определяют как функцию времени три величины:
; 
, 
. (11.2)
При расчете сосредоточенных взрывов в водонасыщенных грунтах и жидких средах достаточно исследовать две величины:
и . (11.3)
Определение параметров волн напряжений в грунтах при взрывах и параметров скоростей их распространения производится путем проведения специальных полевых испытаний. По результатам испытаний устанавливают эмпирические формулы для определения расчетных параметров взрывных волн в грунтах в зависимости от массы заряда, расстояния до пункта взрыва и т. п.
Динамические свойства грунтов зависят от вида динамических воздействий; при исследовании этих свойств применяют различные методы: вибрационные, сейсмические и при интенсивных воздействиях (взрывах и пр.) исследуют напряженно-деформированное состояние при распределении возникающих при таких воздействиях в грунтах волн напряжений.
Основные характеристики динамических свойств грунтов:
- параметры упругих и поглощающих свойств при динамических нагрузках малой интенсивности (не превышающих предела упругости) - модуль упругости Е, коэффициент Пуассона μ,, коэффициент затухания колебаний п, а также другие, эквивалентные им динамические характеристики, например скорость распространения и коэффициент поглощения упругих волн;
- обобщенные коэффициенты жесткости оснований при равномерном Cz и неравномерном Сφ сжатии, равномерном Сх и неравномерном Сψ сдвиге и соответствующие коэффициенты затухания, используемые в расчетах колебаний жестких массивных фундаментов на упругом основании;
- характеристики сжимаемости грунтов при динамических нагрузках значительной интенсивности (превышающих предел упругости) - кривые «напряжение - деформация» (р - ε), модули деформации при нагружении Ен и разгружении Ер;
- динамические характеристики сопротивляемости деформациям формоизменения (сдвига) и предельного состояния (прочности) грунтов, а также оценка устойчивости их структуры при переходе в разжиженное состояние.
