строительство и архитектура. опыт и современные технологии
advertisement
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА. 1 ОПЫТ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. ВЫПУСК №4. УДК 624.131.5 А.С. Колесова, А.С. Гришина. A.S. Kolesova, A.S. Grishina Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТА, НАХОДЯЩЕГОСЯ ПОД ДИНАМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ METHODS OF DETERMINING THE PROPERTIES OF SOILS THAT IS UNDER DYNAMIC INFLUENCES Аннотация: В статье рассмотрено поведение грунтов, находящихся под действием сейсмических, вибрационных и ударных нагрузок. Приведены полевые и лабораторные методы определения динамических свойств грунтов и физических моделей с их частичным описанием. Предложены новые методы, позволяющие отслеживать изменения свойств грунта, вызванные действием динамической нагрузки. Annotation: This article describes the behavior of soils which are under the seismic, vibrating and shock loads. There are given field and laboratory methods of determining the dynamic properties of soils and physical models with their partial description. Also the new methods were proposed to track changes in properties of soils caused by the dynamic load. Ключевые слова: динамическая нагрузка, сейсмика, вибротекучесть, разжижение грунта, полевые и лабораторные испытания, динамическое трехосное сжатие Keywords: dynamic load, seismic, vibration fluidity, ground dilution, field and laboratory tests, dynamic triaxial compression Динамические и статические свойства грунтов необходимо исследовать для понимания поведения грунта под нагрузками, предотвращения разрушения зданий и сооружений, расположенных в зоне действия динамических нагрузок. Для полномерной оценки состояния грунта необходимо знать, как изменяются эти свойства при воздействии на него динамических нагрузок различного происхождения. В настоящее время влияние статических нагрузок на грунты нормировано государственными стандартами, а стандарты по определению динамических свойств грунта отсутствуют. В нормативной базе существует лишь проект ГОСТа «Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов». В статье представлен обзор состояния текущего вопроса, рассматриваются и анализируются современные методы определения динамических свойств грунта, предлагаются новые методы проведения лабораторных испытаний. Обзор состояния вопроса Изучением динамики грунтов занимался А. И. Латыпов [1]. В своей диссертации он занимался измерением динамической прочности песчаных грунтов. С помощью экспериментальных и теоретических исследований он получил новые зависимости между параметрами процесса разрушения грунта в запредельной стадии деформирования и способностью грунта противостоять действию динамической нагрузки, автоколебательные диаграммы, которые не имеют аналогов, но, тем не менее, пришел к выводу, что на данный момент нет единой теории, которая объясняла бы, как в действительности динамические нагрузки влияют на массив грунта. 2 ГЕОТЕХНИКА И ГЕОТЕХНОЛОГИИ Е.А. Вознесенский также сделал большой вклад в развитие данного вопроса. Его монография «Поведение грунтов при динамических нагрузках» [2] была посвящена изучению теоретических и практических аспектов динамики грунтовых массивов. Он проводил собственные оригинальные исследования, акцентировал свое внимание на проблему динамической неустойчивости. В ходе работы, он вывел закономерности влияния динамического воздействия на грунты различных видов, сформировал уникальный энергетический подход к дальнейшему изучению и анализу проблемы, обобщил и систематизировал методы динамических испытаний грунтов в лабораторных и полевых условиях. Разработке методов испытаний грунтов на динамическую нагрузку Е.А. Вознесенский посвятил статью «Динамические испытания грунтов. Состояние вопроса и стандартизация» [3]. В статье приводятся экспериментальные методы оценки динамических свойств дисперсных грунтов, определяется спектр решаемых ими задач и формируется идейный подход автора к данному вопросу. Классификация динамических нагрузок Динамические нагрузки можно подразделить на три вида: вибрационные, ударные и сейсмические. Вибрационные нагрузки возникают от надземного и подземного транспорта, работающих турбин, работы машин-компрессоров, мельниц и изменяются по гармоническому закону. Ударные нагрузки отличаются импульсом: однократным или многократным. Грунты воспринимают этот импульс от забивки свай в процессе уплотнения грунта трамбовками. Сейсмические нагрузки появляются от землетрясений и взрывов. В связи с этой градацией рассмотрим три ситуации (Рис. 1). Рис. 1. Классификация динамических нагрузок: а) сейсмическая нагрузка; б) вибрационная нагрузка; в) ударная нагрузка На рис.1 (а) изображено влияние сейсмической нагрузки на толщу грунта на примере многоэтажного здания. В процессе сейсмического загружения давление от здания на основание растет и может увеличиться практически в два раза. На рисунке видно, что уровень грунтовых вод находится во втором слое – в песках. При динамических воздействиях грунтовая вода то вытесняется из пор, то засасывается, таким образом, переходит в колебательные движения. Это явление называется виброразжижением водонасыщенных песков. Если частота колебаний воды будет создавать гидродинамический напор, равный весу частиц песка, то песок будет испытывать взвешивающее действие воды и переходить в состояние плывуна. СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА. 3 ОПЫТ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. ВЫПУСК №4. Глинистые грунты при динамических воздействиях нарушают свою структуру, однако при снятии нагрузок грунт проявляет тиксотропные свойства, то есть частично или полностью восстанавливает свою структуру. В результате изменения структуры грунта здание или сооружение, находящееся под воздействием сейсмической нагрузки, дает осадки, превышающие допустимые величины, и, как следствие, может наблюдаться процесс разрушения здания. В данной ситуации наиболее безопасными являются скальные, полускальные и плотные крупнообломочные грунты. На рис. 1 (б) изображено влияние вибрационной нагрузки на грунт на примере вращающейся турбины. Сотрясения грунта, которое обусловлено вращением турбины или движением транспорта, обычно значительно слабее сейсмических воздействий. Но в связи с длительностью и цикличностью действия этих нагрузок подобные воздействия могут служить причиной развития незатухающих осадок и даже вибротекучести грунта. Момент и сам факт наступления разжижения фиксируется по значению относительного порового давления. Вибрационная нагрузка может сопутствоваться таким явлением, как виброуплотнение грунта, т.е. уменьшение пористости грунта. При более интенсивных воздействиях вибрационных нагрузок образуется вибрационный фон. Он передается по массиву грунта и оказывает отрицательное влияние на рядом стоящие здания и сооружения. На рис. 1 (в) отображено действие ударной нагрузки. Она наблюдается в грунте, например, при забивке свай. В связи с тем, что под воздействием ударной нагрузки грунт меняет свои свойства, ВСН 358-76 «Инструкция по забивке свай вблизи зданий и сооружений» гласит, что забивка свай на городских территориях на расстоянии до 30 м от существующей застройки запрещена. Взрывы оказывают на грунт схожее воздействие. При взрыве грунт воспринимает высокое давление. Оно образует сферическую ударную волну. За фронтом этой волны грунт испытывает сжатие и смещается по радиальным направлениям. Как следствие, в тангенциальном направлении происходит раздвижка грунта, и возникают радиальные трещины. Взрывы в строительстве применяются для рыхления грунтов при их разработке, а также для их уплотнения. Применение взрывов широко используется для расширения скважин при устройстве набивных свай и опор, свай с камуфлетной пятой. Сведения о динамических свойствах грунтов необходимо получать для расчета колебаний сооружений, которые работают в условиях динамических нагрузок, для оценки сейсмических характеристик грунтов в зависимости от сейсмической балльности, для прогнозных расчетов кренов и дополнительных осадок сооружений при динамических нагружениях, для оценки возможности разжижения, разрушения грунтов и определения его возможных последствий, для выбора правильных конструкций фундаментов. Несмотря на отсутствие полной нормативной базы в сфере определения динамических свойств грунтов, в настоящее время существует достаточное количество методов. Методы определения динамических свойств грунтов В статье рассмотрены экспериментальные методы, которые можно разделить на три большие группы: лабораторные методы динамических испытаний грунтов, полевые методы оценки динамических свойств грунтов и лабораторные методы динамических испытаний физических моделей. Полевые методы определения динамических свойств грунтов представлены на Рис. 2. 4 ГЕОТЕХНИКА И ГЕОТЕХНОЛОГИИ Рис.2. Полевые методы определения динамических свойств грунтов [3] Лабораторные методы динамических испытаний грунтов и физических моделей сведены на Рис. 3. Рис.3. Лабораторные методы динамических испытаний [3] В проекте ГОСТа «Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов» описываются и регламентируются только метод динамического трехосного сжатия, метод малоамплитудных динамических испытаний в резонансной колонке и метод крутильного сдвига. Суть метода динамического трехосного сжатия песчаных, глинистых, органоминеральных и органических грунтов заключается в определении возможности разрушения грунтов в основании зданий и сооружений в условиях динамических нагрузок. Количественная характеристика данного метода - критическая при заданных условиях величина амплитуды динамических касательных СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА. 5 ОПЫТ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. ВЫПУСК №4. напряжений τ d или ее приведенная величина τ d / σ ʹ .В процессе испытаний также определяются дополнительные деформации дисперсных грунтов в условиях приложения динамических нагрузок, в т. ч. возможность накопления критической величины деформации грунтов основания в условиях динамического воздействия для данного здания или сооружения – количественной характеристикой является относительная деформация виброползучести ε d для заданного периода эксплуатации здания или сооружения. Кроме того, существует возможность определения степени динамического разжижения грунта, которая характеризуется величиной приведенного порового давления PRV = Δu / σ m , критической для разжижения при заданных условиях величиной амплитуды сейсмических ускорений PGACl , либо количеством циклов воздействия с ожидаемой амплитудой динамических напряжений до возникновения разжижения N L . Данный метод позволяет оценить последствия динамического разжижения грунтов. Количественными характеристиками являются величина дополнительной осадки поверхности массива грунта после разжижения δ L , абсолютная величина латерального растекания грунтов при наклонной поверхности массива DH .Установки динамического трехосного сжатия представлены на рис.4 и рис.5. Рис. 4. Установка динамического трехосного сжатия. Global Digital Systems, Великобритания, 2007 [3] Рис. 5. Установка динамического трехосного сжатия. Geotechnical Instruments, Канада, 1999 [3] Сущность метода малоамплитудных динамических испытаний песчаных, глинистых, органоминеральных и органических грунтов в резонансной колонке заключается в определении 6 ГЕОТЕХНИКА И ГЕОТЕХНОЛОГИИ динамического модуля сдвига (G, МПа) и коэффициента поглощения (D, %) грунта в диапазоне деформаций сдвига порядка 10!! − 10!! %, а также в изучении измерения этих показателей в диапазоне малых сдвиговых деформаций (не более 0,1%). Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в резонансных колонках. Резонансные колонки – камеры трехосного сжатия, дающие возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения при σ 1 ≥ σ 2 = σ 3 (где σ 1 - главное максимальное напряжение; σ 2 ,σ 3 – минимальные, они же промежуточные главные напряжения) с одновременным возбуждением в образце малоамплитудных крутильных колебаний заданного диапазона частот. Метод основан на теории распространения колебательного движения в упругом стержне, нижний торец которого закреплен, и деформации сдвига на нем нулевые. Схема и общий вид резонансной колонки представлены на рис. 6 и рис.7. Рис. 6. Схема резонансной колонки [3] СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА. 7 ОПЫТ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. ВЫПУСК №4. Рис. 7. Резонансная колонка GDS, Великобритания [3] Поскольку данные методы не нормированы ГОСТ, возникает необходимость создания альтернативного способа проверки грунтов на динамические нагрузки. Изучать влияние динамических нагрузок на массив грунта можно с помощью статических установок. В данном случае есть два варианта: А) задавать динамическую нагрузку непосредственно самому статическому прибору, т.е., например, в процессе проведения испытаний в классическом стабилометре в грунт поместить поверхностный или глубинный вибратор и по аналогии со статическими испытаниями замерять характеристики. Также динамическую нагрузку на измерительную установку можно передать, установив прибор на вибростол или вибростенд. Но в таком случае необходима частая и систематическая поверка приборов, т. к. циклические динамические нагрузки могут вывести прибор из строя. Б) наиболее целесообразное испытание грунта будет в том случае, когда целью является наблюдение за изменениями статических свойств грунта. Сущность метода заключается в том, что в первую очередь замеряются статические характеристики грунта, находящегося в спокойном состоянии. Далее к массиву грунта прикладывается динамическая нагрузка в различных инвариантах: вибростол, вибростенд, вибратор. После динамического воздействия грунт подвергается повторным статическим испытаниям. Полученные результаты сравниваются с первичными, проводится полноценный анализ, и делаются соответствующие выводы. Таким образом, установлено, что на сегодняшний день отсутствуют как единообразная методика проведения испытаний, так и достоверные параметры динамических характеристик грунта. Кроме этого выявлено, что существующие методики не оговариваются в нормативной базе. Все это указывает на необходимость создания обоснованной теории поведения грунтов при действии динамической нагрузки и разработки единых методов определения свойств грунта, находящегося под действием динамической нагрузки, которые могли бы отразить происходящие в грунте физические процессы. 8 ГЕОТЕХНИКА И ГЕОТЕХНОЛОГИИ Библиографический список 1. 2. 3. Латыпов А.И. Исследование динамической прочности песчаных грунтов методом автоколебаний: дис. канд. тех. наук: 25.00.08 / Айрат Исламгалиевич; Екатеринбург. Уральский государственный горныйуниверситет. – Екб., 2011 – 166 л. Вознесенский Е. А. Поведение грунтов при динамических нагрузках: учебное пособие – М.:МГУ, 1997 – 288с. Вознесенский Е. А. Динамические испытания грунтов. Состояние вопроса и стандартизация- М: ООО «Геоцентр МГУ имени М.В. Ломоносова», 2013 - 38 слайдов. References 1. Latypov A.I. Issledovanie dinamicheskoj prochnosti peschanyh gruntov metodom avtokolebanij: dis. kand. teh. nauk: 25.00.08 / Ajrat Islamgalievich; Ekaterinburg. Ural'skij gosudarstvennyj gornyjuniversitet. – Ekb., 2011 – 166 l. 2. Voznesenskij E. A. Povedenie gruntov pri dinamicheskix nagruzkax: uchebnoe posobie – M.:MGU, 1997 – 288s. 3. Voznesenskij E. A. Dinamicheskie ispytaniya gruntov. Sostoyanie voprosa i standartizaciya - M: OOO «Geocentr MGU imeni M.V. Lomonosova», 2013 - 38 slajdov. СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА. ОПЫТ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. ВЫПУСК №4. Сведения об авторах Колесова Анастасия Сергеевна Магистрант по специальности 270800.68 Подземное и городское строительство, гр. ПГС1-14-1м, Пермский национальный исследовательский политехнический университет г. Пермь, 614990, Комсомольский проспект, 29 Электронная почта: a.kolesova91@gmail.com Телефон: 89097276661 Гришина Алла Сергеевна Аспирант кафедры СПГ Пермский национальный исследовательский политехнический университет г. Пермь, 614990, Комсомольский проспект, 29 Электронная почта: spstf@pstu.ru Телефон: 89124879606 Information about the authors Kolesova Anastasiya Sergeevna Undergraduate of majoring 270800.68 The underground and the urban construction gr. PGS1-14-1m, Perm national research polytechnic university g. Perm, 614990, Komsomolskij prospect, 29 E-mail: a.kolesova91@gmail.com Phone: 89097276661 Grishina Alla Sergeevna Postgraduate of the Department SPG Perm national research polytechnic university g. Perm, 614990, Komsomolskij prospect, 29 E-mail: spstf@pstu.ru Phone: 89124879606 9
