Устойчивость грунтов оснований при динамических воздействиях

Источники колебаний грунта.Основными источниками колебаний являются: работа стационарно установленных неуравновешенных машин и механизмов, движение различных видов транспорта, механизирован­ное выполнение строительных работ, взрывные работы, сейсми­ческие воздействия, порывы ветра, удары волн.

Большая часть источников колебаний характеризуется удар­ным воздействием. Одиночный ударный импульс вызывает сво­бодные колебания системы «грунт–сооружение», периодические импульсы – вынужденные колебания. По мере распространения колебаний в грунте происходит их затухание, которое принято оценивать коэффициентом относительного демпфирования.

Характер и интенсивность колебаний при движении транс­порта зависит от состояния дорожного покрытия или рельсо­вого пути.

Значительные колебания возникают в грунте при выполне­нии строительных работ (забивка свай, шпунта, применение шар- или клин-молота для разработки мерзлого грунта или разрушения старых фундаментов). Такие колебания не только неприятны для проживающих в соседних домах, но могут при­водить к дополнительной осадке зданий, в результате чего в конструкциях появляются трещины, происходят вывалы кирпи­чей, перемычек и сборных элементов, имеющих малую глубину опор. обычно допускается забивать сваи не ближе 20 м от существующих зданий.

Наибольшую, а главное постоянную, неприятность достав­ляет работа неуравновешенных машин и механизмов, которые передают колебания через грунт на значительные расстояния. Такая вибрационная нагрузка даже сравнительно небольшой интенсивности иногда может вызвать значительные колебания отдельных конструкций и даже всего сооружения. Это объяс­няется возникновением явления резонанса при совпадении частоты возмущающей силы с частотой собственных колебаний этих конструкций или всего сооружения.

Явления, происходящие в грунте при динамических воздействиях.Известно, что наличие в любой сплошной среде источ­ника колебаний вызывает возникновение вокруг него продоль­ных и поперечных волн. Строителей эти волны интересуют, в частности, в отношении их распространения в грунтовой среде.

В пределах массива грунта и скальных пород импульсный источник колебаний вызывает возникновение продольных волн (сжатия и растяжения), создающих колебания частиц среды в направлении распространения волн и поперечных волн, или волн сдвига, создающих колебания частиц среды в направлении, перпендикулярном направлению распростране­ния волн. Кроме того, возникают поверхностные волны, перемещающиеся параллельно поверхности земли преимущест­венно в поверхностном слое. Такие волны иногда называют волнами Рэлея. Следовательно, в качестве одного из явле­ний, происходящих в грунте при динамических воздействиях, можно отметить распространение волн от источников ко­лебаний.

Если бы грунты были идеально упругими телами, то волны от источников колебаний распространялись бы в них на значи­тельное расстояние. Однако, как показывают эксперименты, ко­лебания грунта по мере удаления от источника колебаний за­тухают. Наиболее интенсивное затухание колебаний наблю­дается в сухих и маловлажных грунтах. При насыщенных во­дой пылевато-глинистых грунтах процесс затухания существен­но слабее, и волны могут распространяться на большие расстоя­ния. Интенсивность затухания колебаний зависит также от ча­стоты возмущающей силы: при высокой частоте затухание ко­лебаний происходит более интенсивно.

Результатом передачи грунтом колебаний на сооружение являются колебательные движения отдельных конструкций и сооружения в целом. В большинстве случаев эти колебания не­значительны. Амплитуда их измеряется микронами и даже до­лями микрона. Однако человеческий организм остро восприни­мает такие колебания и болезненно реагирует на них. Если же отдельная конструкция или сооружение испытывают резонанс, то возникают значительные колебания, амплитуда которых мо­жет достигать нескольких миллиметров. При колебаниях кон­струкций с амплитудой даже в десятые доли миллиметра создаются условия, недопустимые для организма человека. Это необходимо учитывать при проектировании фундаментов источников колебаний, в частности фундаментов под ма­шины.

Рис. 5.2. Распространение колебаний в массиве грунта

Ранее уже отмечалась способность песков уплотняться при динамических воздействиях. При определенной их интенсивности возможны нежелательные последствия в виде дополнитель­ной осадки фундаментов. Уплотнение грунта при постоянной интенсивности динамических воздействий носит затухающий ха­рактер. Фундаменты, расположенные на неодинаковом рас­стоянии от источника колебаний, будут получать различную осадку.

Кроме того, колебания вызывают в грунте напряжения, ко­торые вместе с напряжениями от статических нагрузок могут привести к увеличению зон сдвигов под существующими фунда­ментами и вызвать дополнительные осадки вследствие выдав­ливания грунта из этих зон в стороны. Наконец, при опреде­ленной интенсивности динамических воздействий происходит разжижение насыщенных водой песков. Это яв­ление нередко приводит к полной потере устойчиво­сти грунта основания. В таком случае возможны провальные осадки сооружений.