98

6. 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.