книги / Специальные методы механики грунтов и механики скальных пород

где ω – коэффициент, зависящий от формы подошвы и жесткости фундамента, значения ω табулированы; b – ширина прямоугольной (или диаметр круглой) площади подошвы фундамента.

Приняв значение Е в форме (3.42), получим

Формула (3.49) без учета фактора времени была предложена Б.П. Поповым. Эта формула справедлива для однородного массива грунта неограниченной толщины. При наличии жесткого подстилающего слоя, залегающего на глубине h от подошвы фундамента, будет справедлива формула, полученная С.С. Вяловым и А.Л. Миндичем для полосовой нагрузки шириной b:

где n = (l + 0,7 h/b)/(l + 0,4h/b) – коэффициент, учитывающий влияние подстилающего жесткого основания.

При t = 0 по формулам (3.48)–(3.50) можно определить значение начальной осадки, равной соответственно:

При t→∞ по формуле (3.48) получают неограниченное нарастание осадки (при расчетах по этой формуле следует принимать конечное значение t, равное сроку службы сооружения), а по формулам (3.49) и (3.50) – значение стабилизованных предельно-длительных осадок, равных соответственно [27]:

Зависимости (3.51) и (3.52) проверялись рядом исследователей. При медленном и монотонном возрастании нагрузки р ее изменение во времени можно приближенно учитывать непосредственно формулой (3.47) и ее частными случаями (3.48)–(3.52), вводя в них значение p = p(t). В более корректной форме это изменение следует учитывать, вводя в формулу (3.47) вместо члена p(t)/E(p,t) интегральное уравнение теории наследственной ползучести:

При p = const и T = 1 выражение (3.54) переходит в (3.48). Если же положить Q(t – ζ) = T(δ – 1)/[Т + (t – ζ)]2, то получим

где E0 = E0 / (1− v2 )ωb.

При р = const это выражение, решенное относительно S, перехо-

дит в (3.49).

Коэффициент поперечного расширения. Значение коэффициента v можно выразить через соотношение модулей линейной Е или сдвиговой G деформаций и модуля объемной деформации k, причем эти модули рассматриваются как переменные величины:

Ранее уже отмечалось, что коэффициент v будет постоянной величиной только в том случае, если k(σm, t)/G(τi, t) = const. Это воз-

можно тогда, когда кривые сдвиговых и объемных деформаций будут подобны.

В действительности закономерности этих деформаций различны и соответственно коэффициент v будет переменной величиной: v = v(σm, τi, t). Однако изменения этого коэффициента в общем не ве-

лики; множитель же (1 – v2) изменяется в еще меньшей степени.

142

Например, при 0,30 ≤ v ≤ 0,5 значение (1 – v2) изменяется от 0,91 до 0,75. Соответственно при использовании выражения (3.47) и вытекающих из него формул (3.48)–(3.55) можно принять v = const, что равносильно, как уже говорилось, допущению о постоянстве соотношения k/G. Однако в случае необходимости переменность v может быть учтена, для чего в (3.47) следует вводить значение v(p, t), определяемое из соотношения (3.56).

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое реология?

2.Чем релаксация отличается от ползучести?

3.Какие связи в грунтах вам известны?

4.Что такое матрица напряжений? Назовите виды матриц.

5.Опишите упругие и пластические деформации.

6.Что называют жесткопластичным телом?

7.Что такое вязкость? Его свойства?

8.Опишите механические модели и упруговязкие модели грунтов.

9.В чем заключается вторичная консолидация грунта?

10.Опишите кинетическую теорию прочности и ползучести грунтов.

143

4.ДИНАМИКА ГРУНТОВ

4.1.Общие сведения о динамических воздействиях на грунт

Динамические воздействия на грунты и сооружения могут вызываться разными причинами:

• технологией ведения строительных работ (забивка шпунта

исвай, уплотнение грунта вибраторами и трамбовками);

•эксплуатационными и технологическими условиями (движение наземного и подземного транспорта);

•локальными инженерно-геологическими процессами (порывы ветра, удары волн, мощные взрывы и т.п.);

•современными тектоническими движениями в верхней части земной коры и проявляющимися на ее поверхности (землетрясения) (рис. 4.1) [2].

Рис. 4.1. Динамическое воздействие источников колебания на сооружение: 1 – транспортный тоннель; 2 – наземный транспорт; 3 – забивка свай; 4 – сооружение; 5 – установка; 6 – напластование грунтов

Динамические воздействия условно можно подразделить на слабые, которые могут часто действовать относительно длительное время, и сильные, которые могут действовать кратковременно, возможно даже однократно (удар, взрыв). По времени действия усилия можно подразделить на длительно действующие и кратковременные.

144

4.2. Волновые процессы в грунтах при динамических воздействиях

Указанные воздействия проявляются в виде динамических нагрузок, быстро изменяющихся во времени по величине, направлению и положению. Следствием динамических нагрузок являются волновые колебания, возникающие в грунтах основания и в сооружении.

Вибрационные нагрузки – это нагрузки, вызванные силами, изменяющимися по гармоническому закону (например, вращение частей машин с неуравновешенными массами).

Ударные (импульсные) нагрузки характеризуются однократными имногократнымикратковременнымиимпульсами(забивкасвай, взрывы).

Сейсмические нагрузки возникают при землетрясении. Сейсмические колебания могут вызвать потерю устойчивости водонасыщенных песчаных грунтов, а также глинистых грунтов с малыми значениями показателя текучести и величины коэффициента пористости, и их переход в разжиженное состояние. Менее опасными являются скальные, полускальные и крупнообломочные плотные грунты.

Микросейсмические нагрузки вызываются локальными инженер- но-геологическими процессами.

Динамические нагрузки различаются по интенсивности (слабые, сильные и сверхсильные), по времени действия (кратковременные и длительные).

Виды колебаний. Свободные (собственные) колебания возникают, если к сооружению приложить кратковременную нагрузку. Характеристики данного вида колебаний определяются параметрами сооружения (массой и жесткостью конструкции, видом фундамента). С течением времени происходит рассеивание энергии первоначального импульса.

Вынужденные колебания возникают в случае, когда сооружение или основание постоянно находится под действием возмущающих сил.

Периодическими называют незатухающие колебания, описываемые функциейZ(t)=Z(t+KT), гдеT – периодколебаний(рис. 4.2, а, б) [2].

Если периодические колебания описываются законом синуса или косинуса Z(t) = a sin(ωt + γ), то их называют гармоническими (а – амплитудаколебаний, 2а– размахколебаний).

За единицу измерения частоты гармонических колебаний принят герц (Гц), равный одному циклу колебаний в секунду.

145

4.3.Действие взрыва в грунтах

Врезультате взрыва в грунтовом массиве образуются полости

иколебания различной интенсивности, уменьшающиеся по мере удаления от места взрыва. При взрыве на грунты действует высокое давление, создающее сферическую ударную волну, она распространяется в грунте с высокой скоростью, но действует в течение очень короткого промежутка времени (миллисекунды). За фронтом этой волны происходит деформация (сжатие) грунтов и его смещение по радиальным направлениям, а за счет этого в тангенциальном направлении происходит раздвижка грунта и образуются радиальные трещины (рис. 4.3).

Наиболее отчетливо зоны разрушения грунта проявляются в монолитных скальных

в грунтах радиальных напряжений сжатия зависит от условий взрыва, массы заряда, расстояния от точки взрыва, свойств грунта и рассчитывается по полуэмпирическим формулам.

Взрывы применяются в строительстве для рыхления грунтов при разработке, а также для их уплотнения, например, при предварительном замачивании лессовидных просадоч-

ных грунтов или мелких и пылеватых рыхлых песков. Взрывы могут применяться в скважинах для их расширения при устройстве набивных свай и опор. Применяются также направленные взрывы для перемещения земляных масс для создания дамб и земляных плотин [30].

4.4. Изменения свойств грунтов при динамических воздействиях

Влияние динамических воздействий на изменение свойств грунтов зависит не только от интенсивности нагрузок, частоты и продолжительностиихдействия, ноиотвидагрунта, егоплотностиивлажности.

В практике строительства известны случаи возникновения дополнительных осадок старинных зданий, построенных на слабых грунтах, из-за динамического воздействия городского транспорта. Это послед-

147

ствия явления виброкомпрессии, которое выражается в уплотнении рыхлых несвязных грунтов при вибрационных нагрузках. Механизм виброкомпрессии заключается в том, что динамическое воздействие на грунт приводит к разрушению структуры и возникновению взаимного перемещения частиц. При увеличении частоты вибрации возникает явление виброползучести. В этом случае происходит накопление деформаций во времени и осадки развиваются без затухания. Кроме того, длительные вибрационные и ударные нагрузки могут приводить к снижению несущей способности как песчаного, так и глинистого основания. Вибрация во время динамических воздействий уменьшает силы междучастичного трения и сопротивление сдвигу.

В глинистых грунтах, особенно текучей консистенции, а также

впесчаных грунтах различной крупности (особенно мелких и пылеватых) при динамических воздействиях может отмечаться тиксотропия (разжижение) грунта. При определенной частоте колебаний междучастичное трение в сыпучих грунтах может настолько уменьшиться, что грунт приобретает свойства вязкой жидкости даже при малом количестве воды

внем. При наличии большого количества воды в грунте она может не успеть покинуть поры, в которых находилась, поэтому возникает поровое противодавление, уменьшающее сопротивление сдвигу. В связи с этим проектирование фундаментов сооружений при действии динамических нагрузок должно проводиться с учетом возможного уменьшения несущей способностигрунтовоснованияипоявлениядополнительныхосадок.

Виброуплотнение – это уменьшение пористости грунта при динамическом воздействии на него. При отсутствии внешней пригрузки уплотнение сыпучих грунтов и песков начинается при любых, даже слабых динамических воздействиях, и при этом может быть достигнуто почти полное их уплотнение [31].

4.5.Учет динамических свойств грунтов при расчете фундаментов под машины и оборудование с динамическими нагрузками

Существуют разнообразные типы машин и оборудования, передающих через фундамент динамические воздействия на грунтовое основание. Они подразделяются по характеру динамического воздействия на машины периодического и непериодического действия. Динамические нагрузки, возникающие при работе машин, изменяются

148

по различным законам и приводят к различным колебаниям всей системы машина – фундамент – основание.

Основная задача проектирования фундаментов под машины и оборудование заключается в том, чтобы обеспечить нормальную работу последних, исключить вредное воздействие вибрации на расположенные вблизи строительные объекты, удовлетворить требования санитарных норм в отношении уровня допустимых вибраций. При проектировании применяют фундаменты как неглубокого заложения, так и свайные, при этом они могут проектироваться как под отдельную машину, так и под группу машин. От смежных фундаментов зданий и оборудования они отделяются сквозными швами. Формы и размеры фундаментов определяются особенностями оборудования и уточняются расчетом. Для уменьшения вибрации также можно предусматривать их виброизоляцию. Глубина заложения зависит от конструкции фундамента, технологических требований, инженерно-геологических условий площадки, глубины сезонного промерзания (в неотапливаемых помещениях) и глубины заложения соседних фундаментов [33].

На практике часто применяются три конструктивных типа фундаментов: массивные в виде блока или плиты; стенчатые, состоящие из продольных и поперечных стен, жестко связанных с фундаментной плитой; рамные, представляющие собой пространственную конструкцию из верхней плиты или системы балок, опирающихся через стойки на фундаментную плиту. Массивные фундаменты применяются для машин ударного действия с большими нагрузками (прессы, молоты, формовочные машины и др.). Для остальных типов машин могут быть использованы облегченные стенчатые и рамные фундаменты [31].

Расчет фундаментов производится на действие статических и динамических нагрузок. Расчетные статические нагрузки определяются известным способом с использованием врасчетахмассымашины и вспомогательного оборудования, фундамента и грунта на его обрезах с учетом коэффициента перегрузки n, равного 1. Значения динамических нагрузок обычно предоставляются заводом-изготовителем в техническом задании на проектирование фундамента. При отсутствии таких данных динамические нагрузки допускается определять согласно СНиП2.02.05–87 «Фундаментымашинсдинамическиминагрузками» [32].

Основания и фундаменты под машины рассчитываются по двум группам предельных состояний. По несущей способности (первой

149

группе) производится проверка среднего статического давления под подошвой фундамента, а также выполняется расчет отдельных элементов конструкции фундамента. Расчеты по деформациям (второй группе) включают в себя сопоставление наибольшей амплитуды колебаний фундамента с предельно допустимой для данного типа машин, а также определение неравномерных осадок, прогибов, кренов и их сопоставление с предельными значениями, устанавливаемыми проектом. Принимается, что деформации основания при динамических нагрузках имеют местный характер, т.е. развиваются только

впределах контура подошвы фундамента и описываются при помощи модели Винклера–Кельвина–Фойгта. Жесткость пружин моделирует упругие деформации; инерционность демпферов моделирует скорость затухания упругих деформаций.

Проектирование свайных фундаментов производят в соответствии с требованиями СНиП 2.02.03–85 «Свайные фундаменты» [34]. Расчеты конструкций фундаментов и отдельных их элементов производят

всоответствии со СНиП 52-01–2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» [35]. В настоящем подразделе даны лишь основные положения, необходимые для понимания порядка расчета фундаментов машин и оборудования с динамическими нагрузками. Детальные примеры расчетов содержатся в «Руководстве по проектированию фундаментов машин с динамическими нагрузками к СНиП 2.02.05–87» [33].

Вопросы для самоконтроля

1.Какими причинами вызваны динамические воздействия на грунты?

2.Опишите виды динамических нагрузок.

3.Что является следствием динамических нагрузок?

4.Какие виды колебаний вы знаете?

5.Какие действия происходят в грунтах после взрыва?

6.Для чего применяются взрывы в строительстве?

7.Как изменяются свойства в грунтах при динамических воздействиях?

8.Что такое виброползучесть?

9.В чем заключается основная задача проектирования фундаментов под машины и оборудования?

10.Что такое виброуплотнение?

150