Динамика оснований и фундаментов
В предыдущих разделах книги были рассмотрены вопросы напряженного состояния и деформаций грунтов под влиянием статических, т. е. не меняющихся во времени или весьма медленно меняющихся воздействий. Но как будет показано ниже, прочностные свойства грунтов (особенно дисперсных) и их несущая способность существенно изменяются под влиянием различного рода динамических воздействий, возбуждаемых динамическими нагрузками от неуравновешенных машин, движением транспорта, ветра и т. п. Колебания от этих источников вибраций распространяются на значительные расстояния через грунт и передаются окружающим зданиям, сооружениям и наземным резервуарам, которые опираются на песчаные основания большой площади. Под влиянием распространяющихся через грунт сотрясений нередко усиливается развитие неравномерных осадок зданий и сооружений, а также деформаций конструкций. Поэтому учет динамических нагрузок при проектировании технологических объектов транспорта и хранения нефти и газа в настоящее время является обязательным. Давно уже установлено, что под влиянием вибраций сопротивление грунтов сдвигу снижается, однако в настоящее время о его природе и в особенности о количественных характеристиках имеется лишь приближенное представление. Причина этого обстоятельства заключается, прежде всего, в том, что снижение сопротивления грунтов сдвигу может зависеть от двух факторов, раздельные изучение которых представляют большое затруднение. Первый из них - изменение истинного коэффициента внутреннего трения в величине сцепления вследствие изменения физико-механических свойств грунта под действием вибраций.
Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что при сильных вибрациях это изменение может быть весьма значительным; в водонасыщенных песчаных грунтах при их расширении в процессе уплотнения под влиянием вибраций наблюдается почти полное исчезновение внутреннего трения. Не столько значительным, но все же существенным может быть снижение коэффициента внутреннего трения и в сухих песках при их уплотнении, а также в пластичных глинистых грунтах. Однако при слабых вибрациях изменения истинного коэффициента внутреннего трения и величины сцепления грунтов бывают небольшими, а в некоторых случаях вовсе не имеют места. Вторым фактором является изменение напряженного состояния грунта при вибрациях. Если под влиянием вибраций периодически уменьшается нормальное составляющее давления на плоскость сдвига или возникают силы инерции, действующие в направлении статического сдвигающего усилия, то, естественно, снижается и эффективное сопротивление сдвигу, даже если коэффициент внутреннего трения и величина сцепления остаются совершенно неизменными. В результате анализа работ многих авторов в настоящее время можно считать установленным, что изменение сопротивления грунтов сдвигу при пульсирующих напряжениях одного знака происходит не за счет изменения истинного угла внутреннего трения, который остается таким же как при статических воздействиях, а в связи с изменением напряженного состояния под влиянием вибраций. Другими словами, под воздействием вибраций происходит изменение лишь аффективного угла внутреннего трения в смысле, приданном этому понятию И.И.Блехманом и Г.Ю.Джанелидзе [5]. Однако, как показывают наблюдения, даже тогда, когда вибрации слабые и сдвигающие усилия, передаваемые на образец грунта, не достигает предельного значения, деформации сдвига все же могут иметь место. В этом случае они протекают с весьма малой постоянной или слабозатухающей скоростью все время, пока образец подвергается вибрации и, накапливаясь, могут достигать ощутимых величин.
Следовательно, для достаточно сильно нагруженных фундаментов даже сравнительно небольшие динамические нагрузки или слабые сотрясения основания могут явиться причиной возникновения дополнительных (динамических) осадок. Этот вывод подтверждается данными натурных наблюдений за поведением зданий и инженерных сооружений, возведенных в непосредственной близости от тех или иных источников вибраций. Особенно наглядным в этом отношении являются результаты наблюдений за неравномерными динамическими осадками стальных вертикальных цилиндрических резервуаров из-за колебаний грунта от движущего железнодорожного состава, а также зданий, расположенных вблизи городских магистралей с интенсивным движением транспорта. По имеющимся данным, при расстояниях 10-15 м от оси улицы ускорения колебания грунта на обычных глубинах заложения фундаментов жилых и общественных зданий могут составить 15-20 см / сек2, то есть достигать примерно 0,03g. Многолетние наблюдения за осадками таких зданий, проводившиеся как в нашей стране, так и за рубежом, показывает, что сотрясения указанной интенсивности приводят к дополнительной осадке зданий даже тогда, когда возраст конструкций очень велик и статическая осадка полностью стабилизировалась. Например, среднегодовая осадка нескольких десятков зданий в Петрограде в период 1911-1927 г.г. составила всего 0,3 мм/год, а за 1927-1953 г.г. с увеличением интенсивности движения транспорта на улицах возросла более чем в 7 раз и достигла 2,2 мм/год. Причем, эти осадки носят неравномерный характер и вызываются не уплотнением толщи грунта основания, а образованием в ней малых пластических сдвигов. Чтобы изучить механизм образования динамических осадок оснований, рассмотрим сначала процесс распространения волн напряжений и деформаций в грунте от перечисленных выше источников вибрации. В настоящее время при исследовании волновых процессов в грунтах наибольшее применение находят следующие модели грунта: идеально упругой среды (линейной и нелинейной), упругопластической среды (X. А. Рахматулина, С. С. Григоряна и др.), модели вязкопластической среды (Г. М. Ляхова) и нелинейной дилатационной модели (А. П. Синицына) и др.
Модель идеально упругой сплошной среды является наиболее простой моделью для исследования волновых процессов в грунтах как сплошных средах. Эту модель применяют при невысоких давлениях, например при сейсмических воздействиях (на некотором удалении от очага землетрясения), колебаниях от неуравновешенных машин железных и шоссейных дорог и т. п., она позволяет уяснить картину распространения волн в грунтах и их взаимодействие с преградами. Поэтому перейдем к рассмотрению именно этой модели грунта. 6.1. Распространение волн в грунтах при динамических воздействиях Дифференциальные уравнения распространения волн в изотропной идеально упругой среде плотностью r можно получить из общих уравнений равновесия прямоугольного параллелепипеда с ребрами dx, dy, dz (рис.6.1), выделенного в произвольной точке упругой среды.
Рис.6.1. Напряжения на гранях бесконечно малого параллелепипеда упругой среды С этой целью воспользуемся уравнениями равновесия этого элемента теории упругости [12], записанными в перемещениях. Усилия, входящие в эти уравнения, приравняем нулю и добавим члены, содержащие инерционные силы. Тогда дифференциальные уравнения перемещения волн в упругой среде примут вид:
где:
E и G – модули упругости и сдвига упругой среды соответственно;
u, v, w – перемещения элементов упругой среды соответственно вдоль координатных осей 0x, 0y, 0z (рис.6.1). Если предположить, что перемещения происходят только вдоль направления оси 0x, то u = u(x,t); v = w = 0. В этом случае Если подставить полученные значения в систему дифференциальных уравнений (6.1), то второе и третье уравнения удовлетворяются тождественно, а первое принимает вид:
Обозначим
Здесь С1 представляет собой скорость распространения деформаций в упругой среде.
Решение дифференциального уравнения (6.2) можно представить в следующем виде:
где: А – амплитуда колебания, зависящая от интенсивности внешнего воздействия и равная наибольшему перемещению каждой точки в упругой среде; l1 – длина продольной волны (расстояние между точками среды с одинаковыми перемещениями в один и тот же момент времени). Период колебания равен:
Из соотношения (6.3) видно, что скорость распространения волн расширения зависит только от упругих свойств грунта. Рассмотрим теперь распространение поперечных волн (волн искажения) в упругой среде. В этом случае в точках упругой среды, расположенной на оси 0х, возможны только поперечные перемещения, параллельные оси 0z (рис.6.1), поэтому w= w(x,t); v = u = 0. Кроме того: После подстановки этих величин в систему дифференциальных уравнений (6.1) первые два уравнения обращаются в тождество, а третье уравнение принимает вид:
В этом случае скорость поперечных волн равна:
а соотношение С учетом численных значений коэффициента Пуассона грунтов из соотношения (6.8) следует, что скорость поперечных волн всегда меньше скорости продольных волн. То есть в упругой среде продольные волны опережают поперечные. Это явление наблюдается при землетрясениях. На сейсмических станциях судят о расстояниях от эпицентра землетрясения по величине запаздывания поперечных волн в сравнении с продольными. Численные значения С1 и С2 для некоторых видов грунтов представлены в таблице 6.1. Таблица 6.1.
Для поперечных колебаний решение дифференциального уравнения (6.6) имеет вид:
где B - амплитуда поперечных колебаний, l2 = T2 × C2 - длина поперечной волны, T 2 - период колебания. Поперечные колебания сопровождаются сдвигами и искажениями углов, поэтому они и называются волнами искажения. В однородной упругой среде продольные и поперечные волны распространяются независимо друг от друга. В зависимости от характера начального смещения среды, вызывающего колебания, могут возникнуть либо оба указанных вида волн, либо один вид. На поверхности среды возможно появление волн различного типа, проникающих внутрь среды лишь на небольшую глубину (порядка длины волны). Так как все источники возбуждения колебания расположены фактически на поверхности промышленных территорий (или близко к ним), изучение поверхностных волн представляет большой интерес при решении рассматриваемой задачи. Подробное исследование динамики движения поверхностных волн (волн Релея) в упругой среде представлено в работе [13].
Поверхностные волны, распространяясь лишь в двух направлениях, на сравнительно небольшом расстоянии от источника приобретают непрерывно возрастающее преобладание над продольными и поперечными. Поэтому, при решении практических задач динамики оснований обычно принимают во внимание именно поверхностные волны. Скорость С3 распространения поверхностных волн в однородной среде несколько меньше скорости поперечных волн: С3 = nС2. (6.10) Коэффициент n определяется путем решения уравнения:
Например, при численном значении коэффициента Пуассона n =0,25 получим: или Из трех корней этого уравнения Периоды колебаний грунта, вызываемых поверхностными волнами, распространяющимися от фундаментов машин с установившимся движением, равны периодам возмущающих сил, возникающих при работе машин. Что касается колебаний грунта, наблюдающихся при действии на фундамент ударных или иных нагрузок типа импульса, то, как показали экспериментальные исследования И.Р.Свинкина [18], Я.Н.Смоликова [19] и других авторов, периоды этих колебаний весьма близки к периодам собственных колебаний фундамента - источника, возникающих под действием ударов. Таким образом, если известны характеристики упругости среды, в каждом случае нетрудно приближенно вычислить скорость распространения поверхностных волн, а для источников подвергающихся действию ударных нагрузок - также и периоды Т колебаний грунта. Зная величины С3 и Т для различных случаев можно найти длину распространяющихся волн, численно равную произведению С3×Т. Скорость распространения поверхностных волн в грунтах четвертичных отложений, на которых возведено подавляющее большинство промышленных предприятий, обычно колеблются в пределах от 75 м/с до 300 м/с, а соответствующие этим цифрам длины волн в пределах от 2 до 200 м (в зависимости от частоты). Так, если длины волн, распространяющихся от фундаментов низкочастотных машин (компрессоров, лесопильных дробилок и др.) весьма значительны и достигают несколько десятков (и иногда и сотен) метров, то для высокочастотных агрегатов они значительно меньше. Например, от фундаментов под турбоагрегаты при скорости вращения вала 1500-3000 об/мин распространяются волны длиной не более 10-12 м. Длины волн, распространяющихся от фундаментов под молоты, собственные частоты, которых обычно близки (800-1200 кол/мин), варьируют в пределах от 5 до 20 м. Для предупреждения неравномерных осадок оснований, сложенных из несвязных грунтов, большое значение имеет вопрос выбора безопасного расстояния между источником вибрации и основанием, при котором не возникнет процесс виброползучести грунта основания. Определение амплитуд поверхностных волн на сравнительно больших расстояниях от источника колебаний можно производить по формуле Д.Д. Баркана [1]:
где Аr и A0 - амплитуды колебаний грунта на расстоянии r и r0 от источника; ex На основании опытов, произведенных Я. Н. Смоляковым, в практических целях для различных грунтов можно пользоваться следующими значениями коэффициента затухания колебаний мелкозернистые песчаные, супесчаные и суглинистые грунты, насыщенные водой пески средние и крупнозернистые (независимо от влажности); влажные глины и суглинки суглинки и супеси (сухие и слабовлажные) Существенное значение имеют результаты экспериментального изучения изменений амплитуд поверхностных волн по глубине. Так, оказалось, что на малых глубинах, не превышающих 0,2 - 0,3 длины волны, амплитуды колебаний уменьшаются сравнительно незначительно. О характере затухания поверхностных волн по глубине можно судить по графику Д. Д. Баркана (рис.6.2), который построен по данным измерения вертикальных колебаний, вызываемых работой копра. Рис.6.2. Изменение амплитуд колебаний грунта под фундаментом Следует иметь в виду, что в непосредственной близости к фундаменту (источнику волн) характер изменения амплитуд с глубиной будет несколько иным (рис.6.3). Рассматривая этот график, можно убедиться, что не следует закладывать фундаменты машин (например, насосных или компрессорных цехов) глубже, чем смежные фундаменты зданий или сооружений; часто целесообразнее назначать глубину заложения фундаментов под машины (на основании опытов, произведенных Я. Н. Смоликовым) меньше, чем глубина заложения фундаментов близлежащих зданий. Некоторые задачи динамики дисперсных грунтов принципиально не могут быть решены в рамках модели упругой среды. Так, например, решение задачи о распространении плоской волны приводит к отсутствию угасания и изменения профиля волны с расстоянием, что противоречит опытным данным. Более сложной является модель нелинейно упругой среды, в которой зависимость между напряжениями и деформациями нелинейна, но одинакова при росте и снижении нагрузки.
Рис.6.3.Изменение амплитуд колебаний грунта на различном расстоянии от фундамента Но формула Д.Д.Баркана (6.12) не учитывает свойства грунтов строительной площадки, геометрической формы фундамента – источника колебаний, вида и частотной характеристики динамического воздействия на фундамент. Как показывают данные натурных наблюдений, расчет по этой формуле приводит к завышенным значениям амплитуд колебаний. Наиболее точные результаты дает метод оснований на анализе экспериментальных и натурных исследованиях, выполненных О.А.Савиновым, Я.Д.Гиль-зельбергом, М.И.Забылиным и В.В.Игольниковым, В.А.Ильичевым и В.Г.Тарановым, А.А.Саниковым, Э.И. Дасовым и другими. В основу метода положены результаты теоретического исследования распространения волн в упругом полупространстве при сосредоточенных горизонтальном, вертикальном и моментном воздействиях, выполненного Я.Д.Гиль-зельбергом и К.И.Огурцовым [6, 7]. В ходе этого исследования были получены формулы, описывающие поля смещения поверхности полупространства от каждого из указанных воздействий, изменяющихся во времени по линейному закону. Далее, пользуясь методом наложения, авторы осуществили переход к импульсному (треугольному) и синусоидальному воздействиям, а затем построили для таких источников сеймограммы на различных расстояниях от них. Полученные Я.Д.Гильзельбергом и К. И. Огурцовым графики зависимости максимальных смещений поверхности полупространства от относительного расстояния r/s (где r - расстояние от оси источника; s - полуразмер его подошвы) при Рис.6.4. Графики зависимости W = f(r/s) Рис.6.5. Графики зависимости Ur = f(r/s)
Рис.6.6. Графики зависимости Uv = f(r/s) Из графиков видно, что эти смещения зависят от частоты возмущения f и от параметра При низкочастотных возмущениях, характерных для промышленной сейсмики, величины максимальных Релеевских или квазистатических смещений, вызванных гармоническим и импульсным воздействиями, близки друг к другу, что в принципе позволяет распространить графики, помещенные на рис.6.4-6.6 на все типы промышленных установок. Эти выводы были подтверждены путем экспериментальных исследований в полигонных и натурных условиях. Одновременно были проанализированы дан-ные экспериментов, проведенных другими авторами. Цель работы заключалась в проверке результатов теоретических исследований и в получении дополнительных данных, необходимых для учета поглощения энергии на пути распространения волн, выявления местных особенностей передачи колебаний от фундамента грунтовому массиву и др. В соответствии с этим в составе обследованных объектов имелись источники как с импульсным, так и гармоническим характером воздействия. Основные результаты экспериментальных исследований сводятся к следующему: - всесторонне проверен и подтвержден основной вывод о том, что каждому сочетанию инженерно-геологических условий промплощадки и особенностям приложения динамической нагрузки соответствует своя кривая затухания колебаний с расстоянием от источника; - подтверждена правильность вывода исследователей о наличии перепада амплитуд колебаний между фундаментом машины (источником колебаний) и грунтом рядом с ним. Установлено, что коэффициент перепада КП, равный отношению амплитуды колебаний грунта рядом с фундаментом к амплитуде колебаний фундамента, зависят от соотношения между частотами собственных и вынужденных колебаний источника и от характеристик упругости грунтов основания. В дорезонанской области всегда КП < 1. В области первого резонанса величина КП достигает минимума, а в зарезонанской области возрастает и при некоторых условиях может быть больше единицы. Для низкочастотных неуравновешенных машин величину КП можно определить по графику (рис. 6.7). Рис.6.7.Функциональная зависимость КП = f (n0 = C2 /C1) Подтвержден вывод о существовании около фундамента источника волн "ближней" зоны, в которой необходимо учитывать особенности приложения нагрузки. Радиус rз площади "ближней" зоны может с достаточной для практических целей точностью определяться по формуле [17]:
где: Dз – разница в длинах сторон подошвы фундамента – источника колебаний; f0 – безразмерная величина, численно равная частоте возмущения f, Гц; sб – полуразмер большей стороны подошвы фундамента. Натурные измерения, проведенные на 30 промышленных площадках с различными грунтовыми условиями, показали [17], что наиболее точно характер затухания колебаний, вызванных работой промышленных установок, выражается формулой:
где: A0 и Ar – амплитуда вертикальных (горизонтальных) колебаний грунта соответственно под подошвой фундамента и на расстоянии r от центра площади его; x - относительная амплитуда колебаний, определяемая по соответствующим графикам (рис. 6.4 и 6.5); h0 – параметр, учитывающий в «ближней» зоне не только неупругие свойства грунта, но и особенности приложения динамической нагрузки. В интервале s £ r £ rз а при r > rз где: V - безразмерный коэффициент, принимаемый для вертикальных колебаний равным 0,06, а для горизонтальных – 0,043; i – отношение большей стороны подошвы фундамента (источника вибраций) к меньшей. Учитывая, что часто при проектировании отсутствуют сведения о скоростях продольных и поперечных волн в грунтах, Я.Д. Гимзельберг предложил для определения параметра
где p0 – условное расчетное давление на грунт, кгс/см 2 (СНИП II.15-74). 6.2.Влияние вибрационных нагрузок на прочностные и деформационные свойства грунтовых оснований Динамические воздействия как слабые, возникающие вследствие движения неуравновешенных частей машин (вибрации, колебания и пр.), так и сильные - кратковременные однократные и многократные (удары, импульсы большой силы, взрывы и т. п.), существенно сказываются на свойствах несвязных (сыпучих) грунтов и несколько меньше грунтов связных (глинистых). Распространяясь в упругой грунтовой среде с большой скоростью от источников вибраций, поверхностные волны достигают оснований, на которые опираются фундаменты различных сооружений нефтяной и газовой промышленности. Вибрации вызывают уменьшение трения между частицами грунтов оснований и общее уменьшение их сопротивления сдвигу, (что снижает несущую способность грунтов); импульсные воздействия средней величины (при ускорениях, меньших ускорения силы тяжести) вызывают осадки и просадки, а импульсы значительной величины - разрушение структуры грунтов и потерю их прочности. Рассмотрим, как изменяются прочностные свойства грунтовых оснований при динамических воздействиях. Уменьшение сопротивления сдвигу при вибрациях в грунтах является основным фактором, влияющим на прочностные свойства грунтов. Еще в 30-х годах проф. Г. И. Покровским было установлено, что коэффициент внутреннего трения грунтов зависит от энергии колебаний, уменьшаясь с ее увеличением, стремясь, однако, к некоторому пределу. Для грунтов же связных влияние вибрации на сопротивление сдвигу будет тем меньше, чем больше сцепление грунта. Согласно опытам В. А. Ершова и Се-Дин-И (ЛИСИ, 1962), при вибрациях наблюдалось постепенное снижение сопротивления песчаных грунтов сдвигу (рис. 6.8), которое можно описать эмпирической зависимостью
где: t - сопротивление сдвигу при t0 - сопротивление сдвигу при статических нагрузках; V - постоянный коэффициент, равный 0,003 сек2/см для мелкозернистого и 0,0025 сек2/см для среднезернистого песка. Рис.6.8. Зависимость сопротивления грунта сдвигу (Н/см2) от ускорения колебаний (см/сек2) На основании опытов было также установлено, что начальное ускорение При определенной частоте колебаний трение в грунтах (особенно у несвязных) может настолько уменьшиться, что грунты приобретают свойства вязкой жидкости (вибровязкость) с внутренним трением, близким к нулю, и ничтожной несущей способностью. Проф. Д.Д. Баркан демонстрировал свойства вибровязкости песчаных грунтов на следующем опыте: он помещал на дно стеклянного сосуда дробинку и засыпал ее песком. Удельный вес этой дробинки был ниже объёмного веса песка. В процессе вибраций с определенной частотой колебаний дробинка в сосуде медленно всплывала через толщу песка на его поверхность. Если же на песчаную поверхность поместить дробинку с удельным весом большим, чем объёмный вес песка, например, свинцовую, то при вибрациях сосуда с песчаным грунтом, свинцовая дробинка окажется на дне сосуда. Эта особенность действия вибраций на сыпучие грунты была использована Д.Д. Барканом при разработке виброметода – быстрого погружения (забивки) с помощью вибраций шпунтов, свай и опор-оболочек в несвязные грунты на глубину до нескольких десятков метров [2]. Скорость погружения конструкций в грунт виброметодом зависит от частоты применяемых вибраций, величины возмущающих сил и свойств вибровязкости грунтов. Вибровязкость грунтов может быть охарактеризована некоторым коэффициентом вибровязкости, величина которого различна для различных грунтов и зависит от относительного ускорения колебаний, что может быть описано зависимостью где m - коэффициент вибровязкости, H×сек/см2; п -отношение ускорения колебаний к ускорению силы тяжести; a, b - эмпирические коэффициенты. Опыты Д. Д. Баркана показали, что величина коэффициента вибровязкости зависит от физического состояния грунтов и особенно от их влажности. На рис. 6.9 приведена кривая зависимости коэффициента вибровязкости мелкозернистого песка от влажности, из которой видно, что наименьшая величина коэффициента вибровязкости наблюдается у сухих и полностью водонасыщенных песков и при некоторой величине влажности (в данном случае 14%) имеет место максимум вибровязкости. Подобные же результаты были получены и для слабых глинистых грунтов, супесей и суглинков. Приведенные данные показывают, что наиболее успешно погружение шпунтов, свай и т. п. конструкций будет в случае песчаных грунтов - сухих и водонасыщенных. Производственные испытания [17] показывают, что скорость погружения в грунт свай с помощью высокочастотных вибраторов (особенно с подрессоренной нагрузкой) достигает нескольких метров в минуту. Рис.6.9. Зависимость коэффициента вибровязкости песка от влажности Как пример на рис. 6.10 приведен график погружения вибрированием металлического шпунта в песчаные грунты на глубину около 13 м, на что потребовалось менее 6 мин времени [17]. Рис.6.10. График вибропогружения металлического шпунта в песчаный грунт В настоящее время виброметод находит широкое применение в фундамен-тостроении, при прокладке магистральных трубопроводов в грунтах под искусственными и естественными препятствиями, при установке свай и анкерных устройств и в других случаях погружения трубчатых конструкций в грунт. Виброуплотнение. Под действием вибраций рыхлые отложения грунтов, особенно не обладающие сцеплением, могут давать значительные осадки, обусловленные изменением пористости грунтов в процессе их вибрирования. Иногда осадки оснований соседних с работающими машинами фундаментов достигают нескольких десятков сантиметров, что влечет за собой недопустимые деформации промышленных объектов. По данным Д. Д. Баркана, на одном заводе от вибраций, вызванных работой кузнечного молота (с весом падающего молота в 4,5 тc), возникли настолько значительные осадки грунтов основания соседнего кирпичного здания, расположенного на расстоянии 6 м от фундамента молота, что постепенно привели здание к разрушению [1]. Как показывают соответствующие исследования, между коэффициентом пористости грунтов (изменения которого и обусловливают осадки оснований) и ускорением колебаний существует зависимость, подобная компрессионной зависимости, называемая виброкомпрессионной кривой грунтов (рис.6.11). Полученные О.В. Савиновым численные значения коэффициента динамического уплотнения песчаных грунтов при вибрационных воздействиях, представлены в таблице 6.2 [17]. Таблица 6.2
Рис.6.11. Зависимость коэффициента пористости песка e от отношения n ускорения колебаний к ускорению силы тяжести Функциональные зависимости у плотнения сухого среднезернистого песка представлены на рис. 6.12. Рис.6.12. Кривые уплотнения сухого среднезернистого песка в зависимости от параметра n и интенсивности внешней нагрузки: 1 – р = 0; 2 - р = 4 Н/см2; 3 - р = 8 Н/см2; 4 - р = 10 Н/см2. На этих графиках по оси абсцисс отложена величина относительного уско-рения грунта n, а по оси ординат величина коэффициента динамического уплотнения:
где: eд – динамический коэффициент пористости, соответствующий вибро-уплотнению грунта при действии внешней нагрузки; emax и emin максимальное и минимальное значения коэффициентов пористости в самом плотном и самом рыхлом состояниях песка без пригрузки. Из рассмотрения результатов опытов по виброуплотнению грунтов можно сделать следующие выводы. 1. При отсутствии внешней нагрузки (р = 0) уплотнение сыпучих грунтов начинается при любых слабых вибрациях и всегда завершается уплотнением, близким к полному (J» 1), причем это уплотнение достигается для сухих песков при ускорении вибраций от 0,2 до 1,2 g, для водонасыщенных от 0,5 до 2g и для влажных - при 2g. 2. При действии внешней нагрузки (р ¹ 0) уплотнения грунтов практически не возникает лишь до некоторой критической величины ускорения Опыты профессоров А. Казагранде, Т. Сида и О. Олсона на одноосное, трехосное сжатие и сдвиг глинистых грунтов показали, что их динамическая прочность Rд (при времени нагружения 0,02 сек.) гораздо больше статической Rст , причем для относительно слабых глин Rд» 2 Rст и для плотных глин Rд» 1,5 Rст. Сопротивление сдвигу глинистых грунтов в условиях закрытой системы также возрастает с увеличением скорости нагружения до 1,5 - 2,5 раз по сравнению с сопротивлением сдвигу при статической нагрузке. Сравнивая прочность грунтов при кратковременных (но неразрушающих) импульсах с прочностью при длительных вибрациях, можно придти к заключению, что эти два вида динамических воздействий сказываются противоположно на механических свойствах грунтов - сопротивление грунтов при кратковременных импульсах значительно больше, чем сопротивление их при длительно действующей вибрации. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|