рус | укр

Главная

Контакты

Навигация:
Арсенал
Болезни
Витамины
Вода
Вредители
Декор
Другое
Животные
Защита
Комнатные растения
Кулинария
Мода
Народная медицина
Огород
Полесадник
Почва
Растения
Садоводство
Строительство
Теплицы
Термины
Участок
Фото и дизайн
Хранение урожая









Явления, происходящие в грунтах при динамических воздействиях

Источники колебаний грунтов и динамические расчеты

Колебания грунта возникают вследствие динамических воздействий на него. Такими воздействиями могут быть природные процессы и явления (например, карстовые провалы или землетрясения) или техногенные факторы (работа стационарно установленных машин и механизмов, нагрузки от транспорта, строительных работ и т. п.). Многообразие перечисленных источников колебаний предполагает различие динамических нагрузок как по величине, так и по направлению. Кроме того, динамические нагрузки могут иметь разные режимы - от одиночных импульсов до периодических воздействий. В связи с этим воздействие динамических нагрузок на грунты и сооружения будет различным.

Динамические нагрузки могут прикладываться как к сооружению (воздействие ветра на высокое здание, прибоя на набережную), так и непосредственно к основанию (сейсмические толчки, строительные работы, связанные с уплотнением или разрыхлением грунта, в том числе с помощью взрывов, забивки свай и т. п.). Однако ввиду того, что все сооружения так или иначе контактируют с грунтом, расчеты на динамические воздействия производятся как для сооружений, так и для грунтов. При этом для тех и других должны быть выполнены условия прочности, а динамические перемещения, скорости и ускорения должны быть в допустимых пределах.

Динамические расчеты сооружений производятся в рамках строительной механики. Целью расчетов может являться нахождение таких параметров, как частоты, периоды собственных колебаний конструкций, а также величины динамических коэффициентов, амплитуд вынужденных колебаний и наибольших напряжений в элементах сооружения.

Динамические расчеты грунтов производятся применительно к тем или иным специальным задачам. Это могут быть задачи, связанные с воздействием на грунты и сооружения ударов, вибраций, взрывов или сейсмических нагрузок. При этом рассматриваются вопросы распространения волн в массиве грунта и их взаимодействие с преградами. Особую группу в динамике грунтов составляют задачи по проектированию опорных частей машин, работа которых характеризуется интенсивными неуравновешенными динамическими нагрузками. В настоящей главе рассматриваются только те вопросы динамики грунтов, которые имеют отношение к проектированию фундаментов.

11.1.2. Распространение механических волн в грунтах

Динамические нагрузки, приложенные к грунтам, инициируют в них распространение волн. Хотя грунты являются дисперсными телами, распространение механических волн инфразвукового и звукового диапазонов, характерных для отмеченных динамических воздействий, вполне может рассматриваться в рамках гипотезы сплошной среды. Это объясняется тем, что длины звуковых волн во много раз превышают размеры грунтовых частиц.

Как известно, для сред, сопротивление сдвигу которых отлично от нуля, характерно наличие как продольных, так и поперечных волн, распространяющихся с разными скоростями. При существовании поверхностей раздела (твердое тело - воздух, жидкость, твердое тело) вдоль них распространяются поверхностные волны. Последние могут быть как волнами Рэлея, так и волнами Лява, если область, примыкающая к поверхности раздела, состоит из двух физически различных областей, то есть слоистая.

Если напряжения на фронте волны превышают предел упругости среды, то в последней распространяются две волны: упругая и пластическая. Скорость первой из волн (называемой иногда «упругий предвестник») существенно превосходит скорость второй (волны переупаковки). При рассмотрении волновых процессов в грунтах в настоящее время используются модели идеально упругой и упруго-пластической, а также вязкоупругой и вязкопластической сред. Область применения этих моделей определяется, в первую очередь, уровнем действующих на фронте волны динамических напряжений и корректируется экспериментально (Цытович, 1973).

Наиболее глубокая теоретическая разработка вопросов распространения волн выполнена в настоящее время в рамках линейной теории упругости. Скорости распространения продольных и поперечных упругих волн зависят от механических характеристик среды (модуля упругости и коэффициента Пуассона), а также от ее плотности. Скорость продольных волн всегда больше скорости поперечных. Скорости распространения волн Рэлея близки к скоростям распространения поперечных или сдвиговых волн.

В случае идеальной упругости среды колебания, возбужденные одиночным импульсом, являются незатухающими. Однако реальные грунты представляют собой зернистые многокомпонентные среды, в которых энергия волн поглощается за счет неупругого сопротивления. Это приводит к затуханию колебаний в грунтах, выражающемуся в уменьшении амплитуд смещений. Количественной характеристикой затухания колебаний является так называемый логарифмический декремент, представляющий собой натуральный логарифм отношения двух последовательных амплитуд.

Наблюдения и специально проведенные эксперименты показывают, что затухание волн интенсивнее происходит в маловлажных грунтах, в то время как в водонасыщенных тонкодисперсных грунтах волны могут распространяться на большие расстояния. Отмеченное затухание колебаний в грунтах связано, в первую очередь, с развитием сил трения. Для упрощения математической стороны многих механических задач предполагается, что затухание обусловлено силами сопротивления, пропорциональными скорости колебаний. Вместе с тем природа затухания колебаний в грунтах пока изучена недостаточно. Многочисленные исследования физических механизмов поглощения позволили установить вклад в этот процесс как кулоновского трения (при проскальзывании зерен), так и относительного движения твердого скелета и вязкой жидкости. По современным данным, при не очень малых значениях амплитуд, то есть деформаций, поглощение существенно зависит от последних (Уайт, 1986).

Результатом передачи грунтом колебаний на сооружение являются колебательные движения как отдельных конструкций, так и сооружения в целом. Даже при очень малых (в доли микрона) амплитудах колебаний конструкций их сколько-нибудь продолжительное воздействие на человеческий организм может быть неблагоприятным, что требует ограничения амплитуд. Такое же или даже более строгое ограничение предъявляют некоторые современные производства. При совпадении частот колебаний грунта с собственными частотами конструкций зданий возможны явления резонанса, представляющего угрозу прочности всего сооружения.

Однако и сами грунты при возбуждении в них колебаний могут претерпевать большие пластические деформации, а в отдельных случаях разжижаться, что приводит к полной потере устойчивости основания.

11.1.3. Явления, происходящие в грунтах при динамических воздействиях

Для рыхлых несвязных грунтов характерно явление виброкомпрессии, что выражается в виброуплотнении песков вплоть до плотного состояния, если грунт не был пригружен. При наличии внешней пригрузки уплотнение песка будет происходить только при сообщаемых грунту ускоренях колебаний, превышающих так называемые критические, причем полного уплотнения песка все же не достигается (Цытович, 1973). При высоком уровне динамических воздействий водонасыщенные песчаные грунты обнаруживают способность к разжижению, сопровождаемому полной потерей устойчивости грунтов. Подобные явления наблюдаются при сильных землетрясениях, когда относительно жесткие здания погружаются в грунт на несколько метров, зачастую со значительными кренами.

Глинистые грунты ввиду наличия связности более устойчивы к динамическим воздействиям, чем песчаные. Однако при пластичной и текучей консистенции этих грунтов динамические нагрузки могут вызывать разрушение их структуры, что необходимо исключать при проектировании и строительстве.

Вместе с тем необходимо отметить, что наблюдаемые при сильных землетрясениях явления разжижения песков и разрушения структуры связных грунтов не могут исчерпывающе объяснять случаи опрокидывания жестких зданий, принимающих после окончания сейсмических толчков почти горизонтальное положение (землетрясения в Ниигата и на Тайване). Для удовлетворительной оценки динамической устойчивости зданий помимо изучения условий разрушения грунтов оснований при распространении пластических волн в грунтах следует учитывать также условия динамического равновесия сил, приложенных к фундаменту при бегущих сейсмических волнах. Решение этой задачи показывает, что при прохождении волны под зданием оно начинает раскачиваться, а в отдельных зонах под фундаментом имеет место резкое увеличение контактных давлений (Синицин, 1978). Очевидно, именно этим обусловлена полная потеря несущей способности грунтов основания зданий, конструкции которых, включая фундаменты, проектировались с учетом антисейсмических требований. В этом случае упомянутые в разд. 11.1 динамические расчеты сооружений и грунтов необходимо производить совместно.

Отмеченные эффекты виброкомпрессии песков или даже их разжижения наблюдаются при интенсивных динамических воздействиях. Однако многочисленные наблюдения показывают, что и в случае весьма малых сотрясений фундаменты существующих зданий и сооружений могут претерпевать длительные незатухающие осадки, достигающие нескольких миллиметров в год. Это свойство грунтов накапливать микроскопические деформации в допредельном состоянии называется виброползучестью.

Таким образом, динамические воздействия на грунты вызывают распространение волн и колебания оснований и сооружений.

Эти колебания могут быть неблагоприятны для людей и ряда высокоточных производственных процессов, а при совпадении свободных и вынужденных частот колебаний (в условиях резонанса) представлять угрозу целостности сооружений. Подверженные колебаниям грунты основания могут доуплотняться, а при определенных условиях и разжижаться, то есть полностью терять устойчивость.

Просмотров: 2184

Вернуться в категорию: Почва

© 2013-2020 cozyhomestead.ru - При использовании материала "Удобная усадьба", должна быть "живая" ссылка на cozyhomestead.ru.