- •Конспект лекцій з навчальної дисціпліни “механіка грунтів”
- •1. Природа грунтів і їх фізичні властивості
- •1.1 Основні закономірності механіки грунтів
- •1.1.1. Стисливість грунтів. Закон ущільнення
- •1.1.2. Водопроникність грунтів. Закон ламінарной фільтрації
- •1.1.3. Контактний опір грунтів зсуву. Умови міцності
- •1.1.4. Структурно-фазова деформація грунтів
- •1.2. Особливості фізико-механічних властивостей структурно нестійких грунтів
- •2. Визначення напруг у грунтовій товщі
- •2.1. Розподіл напруженнь у разі просторової задачі
- •2.2. Розподіл напруг у разі плоскої задачі
- •2.3. Розподіл тиску по підошві споруд, що спираються на грунт (контактна задача)
- •3. Теорія граничного напруженого стану грунтів
- •3.1. Фази напруженого стану грунтів при навантаженні
- •3.2. Рівняння граничної рівноваги для сипких і зв'язних грунтів
- •3.3. Критичні навантаження на грунт
- •3.4. Стійкість масивів грунту при зсувах
- •3.5. Деякі питання теорії тиску грунтів на огорожі
- •4. Деформації грунтів і розрахунок осідань фундаментів
- •4.1. Види деформацій грунтів і причини, що їх обумовлюють
- •4.2. Пружні деформації грунтів і методи їх визначення
- •4.3. Одновимірна задача теорії компресійного ущільнення (консолідації) грунтів
- •4.4. Розрахунок осідань фундаментів методом пошарового сумування
- •4.5. Розрахунок осідань фундаментів по методу еквівалентного шару грунту
- •5. Реологічні процеси в грунтах
- •5.1. Релаксація напруженнь і тривала міцність зв'язних грунтів
- •5.2. Деформації повзучості грунтів і методи їх опису
- •5.3. Врахування повзучості грунтів при прогнозі осідань споруд
- •6. Динаміка дисперсних грунтів
- •6.1. Загальні відомості про динамічні дії на грунт
- •6.2. Хвильові процеси в грунтах при динамічних діях
- •6.3. Зміни властивостей грунтів при динамічному впливі
- •6.4. Дія вибуху в грунтах
- •6.5. Врахування динамічних властивостей грунтів при розрахунку фундаментів
6. Динаміка дисперсних грунтів
6.1. Загальні відомості про динамічні дії на грунт
Динамічні навантаження, що виникають при роботі неврівноважених машин, порушують коливання фундаментів, на які вони встановлені. Останні у свою чергу стають джерелами струсів, які розповсюджуючись на значні відстані крізь ґрунт, передаються навколишнім будівлям і спорудам. Коливання фундаментів машин можуть робити шкідливий вплив на роботу самих машин, на здійснювані з їх допомогою технологічні процеси і на організм обслуговуючого персоналу. Під впливом струсів нерідко посилюється розвиток осідань будівель і споруд, а також деформація конструкцій. Тому врахування динамічних навантажень при проектуванні фундаментів машин в є необхідним.
Періодичні навантаження можуть бути гармонійними або полічастотними; перші виникають при роботі турбоагрегатів, моторгенераторів і інших машин з частинами, що обертаються, другі - при роботі машин з кривошипно-шатуними механізмами (наприклад, поршневих компресорів). Неперіодичні навантаження відносяться до розряду імпульсних, подібних виникаючим при роботі ковальських молотів, але можуть носити і складніший характер (мал. 6.1).
Рис. 6.1. Зміни неврівноважених сил інерції у часі при роботі машин: а - періодичні навантаження (1 - гармонічні; 2 - полічастотні); б - неперіодичні навантаження - імпульсні (3 - прості; 4 - складні).
Сейсмічні дії. Як відомо, земна кора неоднорідна і складається зі скельних масивів, розділених тріщинами; ці масиви різні о механічних властивостях. Повільні відносні зміщення масивів приводять до накопичення деформацій, які через нерівномірність сягають граничного стану на локальних ділянках або у вогнищах землетрусу. Тут відбуваються розриви земної кори; при цьому звільнюється потенційна енергія деформації, яка переходить у кінетичну енергію пружних хвиль, розповсюджуючись по всій земній кулі і, що виявляються на земній поверхні у вигляді короткотермінових інтенсивних коливань званих землетрусом.
Виникаючі при землетрусі сили взаємодії між грантом, що коливається, і будовами представляють сейсмічний вплив, при якому в конструкції споруд з'являються інерційні зусилля («інерційні сейсмічні навантаження»); ці зусилля можуть викликати пошкодження або навіть руйнування. Для визначення сейсмічної дії у загальному випадку необхідно знати зсув, швидкість і прискорення коливального руху.
Сейсмічний ефект від вогнища землетрусу розповсюджується до споруди через його підґрунтя яке, як правило, може мати шарувату будову; наприклад, шар, на якому зводиться споруда, що стискається, підстилає нестискаємою скельною породою. На розповсюдження зсувів і прискорень на поверхні шару істотно впливає не тільки товщина шару, але також і нахил скельного фундаменту, що підстилає шар, що стискається. Наявність шару, що стискається, може як збільшувати, так і знижувати максимальні прискорення, які підходять до даної крапки по скельному підґрунті. Таким чином сейсмостійкість може підвищуватися за рахунок вдалого використовування інженерно-геологічних умов даного району, що дає можливість уникнути додаткових витрат при будівництві в цьому районі.
Розрахунок споруд на сейсмічну дію у випадку, коли коливання підґрунтя споруди задані акселерограмою землетрусу, представляють відомі труднощі, унаслідок чого по діючих нормах інтенсивність цих коливань характеризується так званим коефіцієнтом сейсмічності - відношення величини сейсмічного прискорення до прискорення сили тяжіння.
Динамічні властивості підґрунть споруд можуть оказувати істотний вплив на величину сейсмічної дії. Ці властивості враховують при мікросейсмічному районуванні забудовуваних територій з урахуванням капітальних інженерних споруд. Слід мати на увазі, що сейсмічні коливання можуть викликати втрати динамічної стійкості структури водонасичених ґрунтів і їх перехід у розріджений стан на обширних масивах, що завжди має катастрофічні наслідки для розташованих на них будівель і споруд.
Струси ґрунту, обумовлені рухом транспорту, у порівнянні із землетрусами, є вельми слабкими. Проте унаслідок тривалості дії вони можуть викликати осідання підґрунть і вібротекучість дисперсних ґрунтів, оскільки при тривалій дії і зростанні прискорення коливань опір зсуву дисперсних ґрунтів, особливо незв'язних, значно зменшується, а зміна коефіцієнта пористості ґрунтів із зростанням коливань збільшується, обумовлюючи виброущільнення ґрунтів.
Дія вибуху викликає в ґрунтах цілий ряд швидкотривалих механічних процесів: виникнення вибухової газової камери у вельми короткі проміжки часу (іноді в тисячні частки секунди), тиснучої на оточуючий її ґрунт з величезною силою (порядку сотень тисяч атмосфер), обумовлює зародження і рух вибухових хвиль, що змінюють у часі напружений стан масиву ґрунту і рух частинок його з швидкістю, змінною від декількох тисяч метрів у секунду до нуля.
Вибухові імпульси характеризуються величиною максимального тиску, часом його зростання, часом спаду до нуля і сумарним часом дії вибуху. У ґрунті при вибуху заглиблених зосереджених зарядів ВВ (вибухових речовин) виникають газові камери (порожнини). З часом газова камера (порожнина в ґрунті) руйнується, але час руйнування може бути вельми різним - від декількох хвилин (у пісках) до декількох місяців (у щільних глинах). При вибухах зосереджених зарядів в ґрунті виникають: нормальний (радіальний) тиск р, бічний (тангенціальний) тиск рх і рух частинок з швидкістю і. Визначення параметрів хвиль напруг в ґрунтах при вибухах і параметрів швидкостей їх розповсюдження проводиться шляхом проведення спеціальних польових випробувань. За наслідками встановлюють емпіричні формули для визначення параметрів вибухових хвиль в ґрунтах залежно від маси заряду, відстані до пункту вибуху і т.п.
Динамічні властивості ґрунтів залежать від виду динамічних дій; при дослідженні їх застосовують різні методи: вібраційні, сейсмічні і при інтенсивних діях (вибухах і ін.) дослідження напружено-деформованого стану при розподілі виникаючих при цих діях в ґрунтах хвиль напруг.
Основними характеристиками динамічних властивостей ґрунтів є: характеристики пружних і поглинаючих властивостей при динамічних навантаженнях малої інтенсивності (не перевищуючих межі пружності) - модуль пружності, коефіцієнт Пуассона, коефіцієнт загасання коливань, а також інші, еквівалентні їм динамічні характеристики, наприклад, швидкість розповсюдження і коефіцієнт поглинання пружних хвиль;
узагальнені коефіцієнти жорсткості підґрунть при рівномірному і нерівномірному стисненні, рівномірному і нерівномірному зсуві і відповідні коефіцієнти загасання, що використовуються у розрахунках коливань жорстких масивних фундаментів на пружних підґрунтях;
характеристики стисливості ґрунтів при динамічних навантаженнях значної інтенсивності (перевищуючих межу пружності) - діаграми «напруга - деформація», модулі деформації при навантаженні і розвантаженні;
динамічні характеристики опірності деформаціям формозмінення (зсуву) і граничного стану (міцності) ґрунтів, а також оцінка стійкості їх структури при переході у розріджений стан.