Фундамент при динамических нагрузках

Geotekhnika_2_Lektsia / Лекции / Курс лекции геотехника 2 / ОиФ / lecture_27 / № 27 Фундаменты при динамических нагрузках

Явления в грунте при динамических воздействиях.

1.1. Распространение колебаний в массиве грунта

Величина распространения колебаний в грунте зависит от источника колебаний и состояния среды.

Любое сооружение, попавшее в зону вибрации, начинает само вибрировать. Опасны резонансные явления, т.е. совпадение собственных частот колебаний с вынужденными колебаниями в грунтовой среде.

В большей степени характерно для песчаного грунта.

В общем случае S = S _стат. + S _динам.

S _динам. — может быть упругой или (упругой + остаточной), в зависимости от вида динамического воздействия.

1.3. Разжижение водонасыщенных песков

При динамических воздействиях грунтовая вода будет то вытесняться из пор, то засасываться, переходя в колебательные движения.

Если скорость движения воды будет создавать гидродинамический напор равный весу частиц песка, то песок будет испытывать взвешивающие действие воды, переходя в плывунное состояние.

При взрывных работах на расстоянии 200 м от плотины, водонасыщенный песок плотины перешел в плывунное состояние. Сооружение потеряло устойчивость, т.к. угол откоса грунта составил всего 4 .

Тиксотропные явления (характерны для глинистого грунта)

При динамических воздействиях происходит нарушение структуры глинистых грунтов, с уменьшением характеристик С, Е₀.

При снятии динамических нагрузок глинистый грунт может вновь восстанавливать прежнюю структуру, т.е. проявляет тиксотропные свойства (выполнение стены в грунте под глинистым тиксотропным раствором).

Виды динамических воздействий

2.1. Сейсмические воздействия.

При землетрясении, в результате осадки, песчаная толща увлекла за собой сваи, вдавив их в подстилаемую глинистую толщу (явление отрицательного трения).

Осадка сооружения превысила все допустимые величины.

2.2. Динамические воздействия от движения транспорта.

При движении тяжелого транспорта (железнодорожные, трамвайные пути) создается вибрационный фон, который передаваясь по грунтовой среде, оказывает негативное воздействие на здания, сооружения. Вибрационные воздействия от движущегося транспорта могут превышать допустимый уровень вибрации по санитарным нормам проживания людей в здании.

2.3. Забивка свай.

В соответствии со строительными правилами забивка свай в городах на расстоянии ближе 30 м от существующей застройки запрещена.

При динамических воздействиях пески уплотняются, разжижаются.

Глины проявляют тиксотропные свойства.

Работа машин, механизмов. (Строительство промышленных объектов, где возможны динамические воздействия: молоты, прессы, компрессоры, фундаменты пилорам и т.д.).

Особенности устройства фундаментов в сейсмических районах.

В России существует 12 бальная сейсмическая шкала. До семи бальная сейсмичность воспринимается обычными зданиями, сооружениями без принятия каких-либо дополнительных мер по усилению несущих конструкций.

Расчетной является сейсмичность в 7, 8, 9 баллов.

При сейсмичности свыше 9 баллов строительство не рекомендуется и только в исключительных случаях возможно при разработке специальных мероприятий.

Вся территория России поделена на отдельные районы по сейсмичности, но даже в пределах одного района сейсмичность может быть различной в зависимости от грунтовых условий.

Во многих районах выполнено микросейсмирование (повышение или понижение сейсмичности на 1 балл, которое санкционируется Госстроем).

Пример: Район с сейсмичностью 8 баллов.

При строительстве зданий необходимо:

Фундаменты сооружения закладывать на одной отметке (более равномерное распределение сейсмических сил).

Здание делить на отсеки.

Фундаменты делать монолитными или омоноличивать (перекрестные ленты, сплошные фундаменты).

Свайные фундаменты рассчитывать на горизонтальную нагрузку. При этом преимущество имеют сваи – стойки, а головы свай должны быть надежно заделаны в ростверк.

— коэффициент снижения несущей способности

4. Фундаменты под машины.

Основные требования к фундаментам:

Фундаменты должны обеспечить стабильную работу машины, механизма, расположенного на нем.

Динамические воздействия от машин не должны угрожающе влиять на фундаменты зданий, сооружений.

Воздействие машин и механизмов можно разделить на следующие виды:

Машины и механизмы с уравновешивающим воздействием. (Обычно вращательного типа: эл. моторы, центробежные насосы и т. п. – динамические воздействия возникают в пусковой период или из-за износа отдельных частей).

Машины и механизмы с не уравновешивающим воздействием. (Поступательно-вращательное движение – поршневые насосы, пилорамы, компрессоры, двигатели внутреннего сгорания). Наиболее опасно – совпадение частот колебаний с собственными частотами сооружений (резонансные явления).

Ударного действия. (Молоты, быстродействующие прессы, копры и т. д.).

Прочие. (Станы, станки и т. д.).

Фундаменты проектируются из условия ограничения амплитуды колебания системы: машина + фундамент.

А_доп = 0,1…0,3 мм – предельно допустимые амплитуды колебаний, назначаются в зависимости от вида машины, её обслуживания, возможности без опасной работы человека.

В первом приближении, при условии совмещения ц.т. фундамента и машины, данную систему можно принять за 1 материальную точку. Тогда, в плоской постановке данная система будет иметь 3 вида колебаний:

— вертикальное; горизонтальное и вращательное.

а). Если определяющими являются вертикальные колебания, то дифференциальное уравнение колебаний может быть записано следующим образом:

При решении данного уравнения получим амплитуду вертикальных колебаний

где Р_z – вертикальная составляющая возмущающих сил;

К_z – коэффициент жёсткости основания при упругом равномерном сжатии [т/м]; К_z = С_z x F

C_z – коэффициент упругого равномерного сжатия [т/м 3 ] (табл. СНиП);

m – масса фундамента и машины;

 — угловая скорость (частота) [рад./сек].

б). При горизонтальной возмущающейся силе (в случае распластанного фундамента, L/h > 3), будем иметь:

К_x = C_x x F — коэффициент жёсткости основания при сдвиге фундамента по подошве;

С_x = 0,7 С_z – коэффициент упругого равномерного сдвига.

в). При горизонтальной возмущающейся силе (в случае высокого фундамента L/h

Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:

Источник

Глава 17 фундаменты при динамических воздействиях

Особенности динамических воздействий на сооружении и грунты основании

Динамические нагрузки. Динамические воздействия на сооруже­ния и грунты основания могут быть вызваны различными причи­нами: технологией ведения строительных работ (уплотнение грун­та трамбовками, вибраторами; забивка свай и шпунта и т. п.); технологическими или эксплуатационными условиями (движе­ние неуравновешенных масс стационарно установленных машин и оборудования; движение наземного и подземного транспорта и т. д.); локальными природными или инженерно-геологическими процессами, включая последствия хозяйственной деятельности че­ловека (порывы ветра; удары волн; карстовые провалы; обвалы; откачка больших масс воды или нагнетание иод большим давлени­ем масс воды в глубокие скважины; создание крупных водохрани­лищ в горно-сейсмических районах, мощные взрывы и т. д. и т. п.); современными тектоническими д вижениями, происходящими в верх­ней части земной коры н проявляющимися на ее поверхности (зем­летрясения).

Эти воздействия проявляются в виде динамических нагрузок, быстро изменяющихся во времени но величине, направлению, а иногда и по положению. Следствием динамических нагрузок являются волновые колебания, возникающие в сооружении и грун­тах основания. При этом сооружение может быть как источником колебаний (например, фундаменты машин и оборудования с дина­мическими нагрузками), так и воспринимать колебания, переда­ющиеся от других источников. Общая картина распространения колебаний может быть крайне сложной (рас. 17.1).

Различаются вибрационные нагрузки, при которых силы, их вызывающие, изменяются по гармоническому закону (например, вращение частей машин с неуравновешенными массами); ударные (импульсные) нагрузки, характеризуемые однократными и много­кратными кратковременными импульсами (взрывы, кузнечные мо­лоты, забивка свай и др.); сейсмические нагрузки, возникающие при землетрясении. При работе некоторых машин возникает сочета- 496

ние вибрационных и удар- ных нагрузок. Локальные инженерно-геологические процессы вызывают на- грузки, которые часто на- зывают микросейсми- ческими.

Динамические нагрузки могут различаться по инте- нсивности (слабые, силь- ные и сверхсильные) и по времени действия (кратко- временные и длительные).

Они по-разному будут воз- действовать на сооружение и грунты основания.

Виды и характеристики колебаний. Если к сооруже-

нию приложить кратковременную нагрузку, вызывающую его ко- лебания, то колебательные движения сооружения будут продо- лжаться и после ее устранения. Такие колебания называют сво- бодными или собственными. Характеристики собственных ко- лебаний определяются параметрами сооружения (массой и же- сткостью конструкции, видом фундамента). С течением времени из-за вязкого сопротивления воздуха и особенно грунтов основания произойдет рассеивание (диссипация) энергии первоначального импульса, поэтому свободные колебания будут затухающими.

Если же сооружение или основание в процессе колебания будет все время находиться под действием возмущающих сил, то такие колебания называют вынужденными. Они не затухают в течение всего времени действия сил. Характеристики вынужденных колеба­ний зависят как от параметров колеблющейся системы, так и от закона изменения возмущающих сил.

Поскольку в расчетах фундаментов на динамические воздей­ствия большое значение имеют характеристики колебаний, при­ведем основные понятия, подробно рассматриваемые в курсе фи­зики. Периодическими называют незатухающие колебания, опи­сываемые функцией Z(t)=Z(t+KT) (рис. 17.2, а, б). Если пери­одические колебания могут быть записаны по закону синуса или косинуса, например Z(f) = asin(wf+y), то их называют гармони­ческими (рис. 17.2, а). Периодом колебания Т называют интервал времения, за который система совершает один цикл колебаний, возвращаясь в исходное состояние; частотой колебаний /— коли­чество циклов колебаний за единицу времени. За единицу частоты гармонических колебаний принимается герц (Гц), равный одному циклу колебаний в секунду. Величину отклонения колеблющейся

Рис. 17.1. Динамическое воздействие источ­ников колебаний на сооружение:

1 — транспортный тоннель; 2 — наземный транс­порт; 3 — забивка свай; 4 — сооружение; 5 — установка с динамической нагрузкой; б — напла­стование грунтов

точки от ее положения равно- весия называют амплитудой колебания а, а ее удвоенную ве- личину (2а) — размахом коле- баний.

Непериодические затуха- ющие колебания (рис. 172, в) характеризуются логарифми- ческим декрементом затухания 8=In (Z„/Z_n+О или коэффициен- том затухания е=8/Т. Чем бо- льше коэффициент затухания б, тем быстрее затухают колеба- ния.

Важно отметить, что очень сложные графики колебаний, регистрируемые при наблюде- нии за реальными процессами, могут быть представлены как сочетания нескольких графиков простых колебаний.

Если собственная частота колебаний системы совпадает с частотой вынужденных коле- баний, наступает явление ре- зонанса, сопроводающееся воз- растанием амплитуды колеба-

ний точек системы. Известный из курса физики случай разрушения моста, по которому строевым шагом проходил полк солдат, связан именно с возникновением резонанса.

Явления, происходящие в грунтах при динамических воздействиях. Влияние динамических воздействий на изменение свойств грунтов зависит как от интенсивности нагрузок, частоты и продолжитель­ности их действия, так и от вида грунта, его состояния по плотности и влажности.

Исследованиям этих сложных проблем посвящены работы Д. Д. Баркана, О. А. Савинова, Н. Н. Маслова, П. JI. Иванова, Н. Д. Красникова и др.

В практике строительства известны случаи, когда длительная работа машин или оборудования с динамическими нагрузками вы­зывала значительные осадки расположенных на некотором удале­нии конструкций, приводящие к их авариям и даже разрушению. Известны также случаи возникновения в настоящее время допол­нительных осадок старинных зданий, построенных на слабых грун­тах, из-за динамического влияния городского транспорта при воз- 498

Рис. 17.2. Графики колебаний;

а—гармонические незатухающие; б—иери- одическае с несимметричным циклом; в — гармонические затухающие

росшей интенсивности его движения. Эти процессы связаны с явле­нием виброкомпрессии — дополнительным уплотнением рых­лых несвязных грунтов даже при слабых и умеренных вибрацион­ных или часто повторяющихся ударных нагрузках.

Механизм виброкомпрессии заключается в том, что динамичес­кое воздействие на грунт приводит к разрушению структуры и воз­никновению вследствие этого взаимного перемещения частиц. При увеличении частоты вибрации перемещение частиц приобретает ха­рактер длительного накопления деформаций во времени, назван­ного П. JI. Ивановым виброползучестью. Он приводит следу­ющий характерный пример виброползучести. В Нижнем Новгороде было построено на песчаном основании здание кузнечного цеха. Известно, что стабилизация осадок песчаных оснований при дейст­вии статических нагрузок происходит очень быстро, а величина их относительно невелика. В рассмотренном же случае осадки, достиг­шие 30 см, развивались в течение семи лет без существенного затухания деформаций. Такой характер деформаций можно объяс­нить только длительным развитием процесса ползучести песков при действии повторяющихся динамических нагрузок.

Длительные вибрационные и ударные нагрузки могут приводить к снижению сопротивления сдвигу как песчаных, так и глинистых грунтов, особенно в водонасыщенном состоянии. Это вызывает уменьшение несущей способности оснований при динамической на­грузке на фундамент по сравнению с ее величиной при статической нагрузке. В глинистых грунтах, особенно пластичной и текучей консистенции, при динамических воздействиях отмечается разжи­жение (тиксотропия) грунта. Разжижение свойственно и водона­сыщенным песчаным грунтам различной крупности, особенно пыле­ватым и мелким. В зависимости от интенсивности и продолжитель­ности динамического воздействия разжижение может сопровож­даться последующим уплотнением песчаного грунта под действием массовых сил.

Влияние разжижения грунта может иметь как положительный характер (уменьшение сопротивления при забивке свай с последу­ющим его восстановлением), так и отрицательный. Б. И. Далматов приводит пример, когда в долине р. Ганг во время землетрясения в грунте «тонули» одноэтажные здания, получавшие осадку 1. 2 м. Осадка сопровождалась фонтанированием разжиженного песка в местах разрыва поверхностного слоя грунта.

Описанные явления свидетельствуют о том, что проектирование фундаментов сооружений при действии динамических нагрузок всегда должно проводиться с учетом возможного уменьшения несущей способности грунтов основания. Для ответственных со­оружений, чувствительных к неравномерным деформациям, осо­бенно располагаемых на водонасыщенных мелких и пылеватых песках и глинах, необходимо учитывать дополнительные осадки,

Источник