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

(6.18)

где:  - сопротивление сдвигу при (причем - ускорение ко­ле­баний при данной возмущающей силе, a - начальное ускорение, до вели­чины которого не происходит еще изменений сопротивления сдвигу);

₀ - сопротивление сдвигу при статических нагрузках;

 - 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 (когда при вибрациях еще не преодолеваются структур­ные связи в точ­ках контакта грун­товых частиц и не снижается соп­ротивление грунта сдвигу) линейно зависит от величины внешнего дав­ления на грунт, возрастая с его уве­личением.

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 (6.19)

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

№	Тип грунта	J
1	Крупнозернистые пески	0,55 – 0,80
2	Среднезернистые пески	0,58 - 0,60
3	Мелкозернистые пески	0,80 - 0,82
4	Шлак	0,40 - 0,50

Рис.6.11. Зависимость коэффициента пористости песка  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:

(6.20)

где: _д – динамический коэффициент пористости, соответствующий вибро-уплотнению грунта при действии внешней нагрузки;

_max и _min 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  0) уплотнения грунтов практически не воз­никает лишь до некоторой критической величины уско­рения ; при большей же величине ускорения [для пес­ков больше (0,1 - 0,4)g] имеет ме­сто виброуплотнение, кото­рое при дальнейшем увели­чении ускорения стабили­зи­руется до некоторой пористо­сти _д, соответствующей коэффициенту динами­ческого уплотнения J.

Опыты профессоров А. Казагранде, Т. Сида и О. Олсона на одноосное, трех­осное сжатие и сдвиг глинистых грунтов показали, что их динамическая проч­ность R_д (при времени нагружения 0,02 сек.) гораздо больше статичес­кой R_ст , причем для относительно слабых глин R_д  2 R_ст и для плот­ных глин R_д  1,5 R_ст .

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.