Навігація
Головна
 
Головна arrow Географія arrow Грунтознавство
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

ДИНАМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ

Динамічними властивостями називається група фізико-механічних властивостей ґрунтів, що визначають їх реакцію на дію динамічних навантажень. Питання динамічної нестійкості грунтів важливі при вирішенні практичних завдань, пов'язаних зі зниженням жорсткості і міцності грунтів при динамічних навантаженнях різного походження. Землетруси, що рухається транспорт, вибухові роботи, робота важких машин, вітрові та хвильові навантаження часто призводять до пошкоджень будівель і інших інженерних споруд в результаті значних і нерівномірних осад, зсувів порід на схилах, руйнування насипів.

Найбільш небезпечними з динамічних дій є землетруси. Щорічно реєструється більше кількох сотень тисяч землетрусів, 100 з них є руйнівними. Землетруси супроводжують освіту Рифт в серединно-океанічних хребтах і на континентах (рис. 8.75), але там вони, на відміну від ситуацій стиснення в зонах субдукції, відбуваються в умовах геодинамічного зсуву або / і розтягування [67].

Поширення поясів сейсмічності на земній кулі

Мал. 8.75. Поширення поясів сейсмічності на земній кулі: райони сейсмічної активності позначені червоними кружками, райони вулканічної активності - трикутниками (wuw.geol. Binghamton. Edu / faculty / jones)

Динамічні випробування грунтів проводяться для визначення показників властивостей, що виявляються при змінних навантаженнях в наступних випадках:

  • • при будівництві в сейсмічних районах з балльностью 6 балів і більше (з урахуванням збільшення балів за даними сейсмомікрорайонірованія);
  • • при можливих динамічних впливах, пов'язаних з будівництвом і експлуатацією споруд;
  • • при товщині льоду (але столітнім спостереженнями) більше 0.2 м;
  • • при можливості швартування і навалу великотоннажних суден.

Динамічні випробування можуть не проводитися, якщо розрахункові динамічні навантаження не перевищують статичні більш ніж на 5% [113]. Всі спостережувані форми поведінки грунтів при динамічних навантаженнях можуть бути зведені до кількох варіантів, представлених на рис. 8.76, також мають велике практичне значення. Однак природа динамічної нестійкості різних грунтів визначається різними механізмами.

Термін "динамічні властивості ґрунтів", що використовується в спеціальній літературі, неоднозначний. З одного боку, динамічні властивості ґрунтів характеризують їх як середовище поширення коливань (пружні, демпфирующие, фільтруючі властивості), а ті інший - це різні форми реакції грунтів на динамічні навантаження або їх динамічна нестійкість, під якою розуміється збільшення деформованості і зниження міцності грунту при динамічному навантаженні в порівнянні зі статичними умовами.

Форми поведінки грунтів при динамічних навантаженнях

Мал. 8.76. Форми поведінки грунтів при динамічних навантаженнях

Для кількісної характеристики динамічних властивостей ґрунтів застосовуються дві досить широких групи показників. При характеристиці властивостей ґрунтів як середовища поширення хвиль напружень терміни вживаються в такому величини:

  • 1) ряд динамічних модулів грунту - модуль Юнга, динамічний модуль зсуву, динамічний модуль загальної деформації та ін .;
  • 2) коефіцієнт Пуассона;
  • 3) характеристики загасання хвиль напружень в грунтах.

Для оцінки динамічної нестійкості грунтів в залежності від поставленого завдання можуть застосовуватися:

  • 1) характеристики разжіжаемості грунтів: ставлення циклічних напружень, деформація розрідження і надмірне поровое тиск;
  • 2) параметри сдвиговой міцності в залежності: а) від кількості циклів впливу; б) швидкості деформування; в) силових і часових параметрів динамічного навантаження (амплітуди напруг, частоти, тривалості);
  • 3) параметри міцності на розрив, зріз, одновісний, вигин і кручення (при втомних випробуваннях скельних грунтів);
  • 4) розподіл напружень і деформацій в обсязі моделі, загальний характер і швидкість її руйнування або деформування.

Для визначення перерахованих показників використовуються як польові, так і лабораторні методи динамічних випробувань грунтів і фізичних моделей підстав і земляних споруд, а також математичне моделювання.

За своїм типом навантаження може бути постійною або змінною , як за величиною, так і за знаком. Змінні навантаження діляться на монотонні (зростаючі або спадаючі) і циклічні . Циклічні навантаження, в свою чергу, поділяються на одноразові і багаторазові . Під динамічною розуміється змінне навантаження, що змінюється в часі швидше, ніж загасають викликані нею в грунті хвилі напружень. А оскільки реально не існує досить тривалий час і монотонно відбувають або зростаючих зусиль, то практично всі динамічні навантаження є циклічними (однократними або багаторазовими) і являють собою коливання - чергування в часі зростання і зменшення напружень.

Відповідно до характеру такого чергування можна виділити періодичні і неперіодичні динамічні навантаження .

Періодична навантаження характеризується яким-небудь закономірним чергуванням зростання і зменшення напруги, будь поточне значення якого повторюється через постійний інтервал часу.

Неперіодичні навантаження включають три основні різновиди:

  • 1) ударні (імпульсні) навантаження часто є періодичними, проте розкладання їх в ряд Фур'є нездійсненно, так як імпульси розділені значними порівняно з тривалістю останніх "німими" інтервалами;
  • 2) майже періодичні - суми гармонійних коливань несумірних (некратних) частот, що виникають під час пуску і гальмуванні машин різного типу;
  • 3) нерегулярні, типові для багатьох техногенних і всіх природних впливів (сейсмічних, вітрових, хвильових) і характеризуються випадковим характером зміни напружень в часі. Крім того, будь-яка динамічна навантаження може бути як знакозмінної, так і знакопостоянного.

Під впливом різних техногенних і природних впливів грунт відчуває змінні навантаження в широкому діапазоні амплітудних і частотних характеристик. Загальне уявлення про співвідношення параметрів динамічних навантажень від різних джерел і про їх відносної значимості дасть рис. 8.77. Все практично значущі для інженерної діяльності навантаження знаходяться до частот 100 Гц. Джерела, які генерують коливання з частотами, близькими до власних для більшості будівель (1 ... 8 Гц), знаходяться в центральній частині діаграми. Значні деформації грунтів виникають тільки в межах зон впливу цих джерел, які суттєво різняться [50].

Характеристика динамічних навантажень різного походження [50]

Мал. 8. 77. Характеристика динамічних навантажень різного походження [50]

Амплітуда коливань грунту може змінюватися від часток міліметра (легкий автотранспорт) до часток метра (землетрусу), а частота коливань - від 50 ... 200 Гц (деякі види транспорту) до декількох герц і часткою Герца (землетрусу і Волнопрібойная впливу).

Параметри динамічного навантаження роблять визначальний вплив на ступінь динамічної нестійкості грунтів. За особливостями впливу на грунти весь спектр природних і техногенних динамічних навантажень доцільно, перш за все, розділити на дві групи - вібраційні і імпульсні.

Вібраційні навантаження - це як періодичні, так і неперіодичні впливу, які характеризуються безперервним зміною напруг в часі ( "німі" інтервали відсутні). Ці порівняно низькочастотні хвилі напружень, як правило, реєструються органами почуттів людини: при частоті 1 ... 2 Гц людина відчуває коливання з амплітудою не менше 20 мкм, а при частотах 20 Гц і вище - вже всього 1 ... 2 мкм.

Імпульсні навантаження - періодичні або неперіодичні (часто одноразові) впливу, які характеризуються:

  • 1) наявністю "німих" інтервалів між імпульсами:
  • 2) високою різкістю (третя похідна зміщення за часом) коливань і дуже крутим фронтом хвилі (тільки в безпосередній близькості від джерела);
  • 3) наявністю в спектрі високочастотних (до тисяч герц) складових - також в безпосередній близькості до джерела впливу, що не роблять, проте, істотного впливу на грунти [50].

Дослідження динамічних властивостей ґрунтів базуються на теорії поширення хвиль, де інструментами досліджень є зсувні і поздовжні хвилі (назва дано за швидкістю прибуття хвиль - " secondaryand primary wave" - s- і p-хвилі), або поверхневі хвилі релєївського типу і хвилі Лява (рис. 8.78).

Типи сейсмічних хвиль

Мал. 8. 78. Типи сейсмічних хвиль: а - поздовжні р-хвилі; б - поперечні або зсувні хвилі (s-хвилі): в - поверхневі хвилі Лява (L-хвилі); г - поверхневі хвилі Релея (R-хвилі) [9]

Поздовжні хвилі створюються деформаціями обсягу (компресія-розтягнення) і є найшвидшими з об'ємних хвиль, поширюються у всіх середовищах і являють собою чергування зон стискання і розтягування гірських порід.

Швидкість поширення p-хвиль знаходиться за формулою

де Е - модуль Юнга; G - модуль зсуву; р - щільність грунтів; λ - константа Ляме, що визначається через модуль об'ємного стиснення До

Поперечні хвилі є хвилями зсуву і кручення, так як при своєму поширенні зрушують частки речовини під прямим кутом до напрямку свого шляху. Вони не поширюються в рідкому середовищі, так як модуль зсуву в ній дорівнює нулю. Ці хвилі обурюють поверхню грунту як по вертикалі, так і по горизонталі.

Швидкість поперечних хвиль менше поздовжніх і визначається за формулою

Поверхневі хвилі Релея і Лява притаманні тільки твердих тіл. Коливання, викликані цими хвилями, розповсюджуються в шарі потужністю порядку довжини хвилі. L-хвилі змушують частки грунту коливатися з боку в бік у горизонтальній площині, паралельної земній поверхні, під прямим кутом до напрямку свого поширення. Хвилі Релея виникають на межі поділу двох середовищ і впливають на частки середовища, змушуючи їх рухатися по еліпсоїдального траєкторії по вертикалі і горизонталі у вертикальній площині, орієнтованої в напрямку поширення хвиль. Швидкість хвиль Релея менше, ніж хвиль Лява, вони поширюються повільніше, ніж об'ємні хвилі, і досить швидко загасають з віддаленням від епіцентру і з глибиною. Необхідно відзначити складність їх виділення при інтерпретації даних, особливо при сильній мінливості щільності грунтів верхній частині розрізу. У табл. 8.82 наведені швидкості пружних хвиль для різних грунтів.

Таблиця 8.82

Швидкості пружних хвиль (по Н І. Горяїнову, Ф.М. Ляховицкая) [58]

грунти

стан грунту

у ", м / с

v " м / с

v, / v "

галечникі

Неводонасищенное

400 ... 800

250 ... 500

0,60 ... 0,70

Піски

200 ... 500

150 ... 300

0,50 ... 0,70

супіски

250 ... 550

120 ... 280

0,45 ... 0,60

суглинки

300 ... 600

100 ... 250

0,30 ... 0,55

Глини (включаючи корінні)

400 ... 1800

100 ... 400

0.10 ... 0.35

пісковики

800 ... 4000

500 ... 2500

0,50 ... 0,70

вапняки

1000 ... 4500

500 ... 2800

0,50 ... 0,65

галечникі

водонасиченню

2000 ... 2700

250 ... 500

0,10 ... 0,20

Піски

1500 ... 2000

150 ... 300

0,07 ... 0,20

супіски

1450 ... 1800

120 ... 280

0.07 ... 0,15

суглинки

1500 ... 1900

100 ... 250

0,05 ... 0,15

Глини (включаючи корінні)

1800 ... 2500

100 ... 400

0.05 ... 0.12

пісковики

1800 ... 4500

500 ... 2500

0.40 ... 0,60

вапняки

2000 ... 5000

500 ... 2800

0,35 ... 0.55

галечникі

вологонасичення

при

/ = -3 ° С

3800 ... 4800

2000 ... 2600

0,50 ... 0,60

Піски

3400 ... 4000

1800 ... 2200

0.50 ... 0,60

супіски

2800 ... 3500

1500 ... 1900

0.45 ... 0,60

суглинки

2200 ... 2800

1200 ... 1500

0,40 ... 0,55

глини

1900 ... 2300

800 ... 1200

0,40 ... 0,50

пісковики

3600 ... 5000

1900 ... 2800

0,50 ... 0,60

вапняки

3800 ... 5500

2000 ... 3000

0,50-0,60

Швидкість поширення R- хвилі визначається за формулою

Спостерігається наступне співвідношення швидкостей:

Ставлення швидкостей поздовжніх хвиль визначається через коефіцієнт Пуассона або через модуль зсуву:

при цьому

Як характеристики поглинання застосовується декремент поглинання хвиль S , який для значних інтервалів частот або слабо залежить від частоти коливань, або зовсім не залежить від неї і визначається за формулою

де а - коефіцієнт поглинання сейсмічних хвиль, що характеризує зміну амплітуди хвилі на одиницю шляху (див -1 , м -1 ); λ- довжина хвилі.

Амплітуда хвилі на різних удалениях від джерела коливань при спільній дії факторів розбіжності і поглинання визначається за формулою

де А (х) - амплітуда хвилі на відстані х від деякої початкової точки; Ао - амплітуда хвилі в початковій точці; г - показник розбіжності, враховує загасання хвиль, обумовлене геометричним розбіжністю хвильового фронту і їх взаємодією з межами розділу.

Знаючи швидкості поширення хвиль, можна визначити динамічні характеристики деформаційних властивостей.

Динамічні модулі деформації Е і зсуву G використовують для вирішення спеціальних завдань (розрахунку фундаментів при динамічних навантаженнях і ін.) І обчислення статичних характеристик грунту. Динамічний модуль деформації обчислюють по залежності:

Модуль зсуву визначається за формулою

де р - щільність грунту; v v - середня швидкість поширення зсувної хвилі, яку можна отримати з відносини

де L - відстань між джерелом і приймачем s-хвилі; - час, за яке хвиля долає цю відстань.

Модуль зсуву залежить від щільності ґрунту, амплітуди деформацій, ефективних напружень, а також від типу грунту (зв'язний, незв'язних) і ступеня водонасичення. Максимальне значення модулів зсуву Gmax спостерігається при рівні зсувних деформацій в діапазоні 10 ... 10 'д. Од., Що відповідає умовам пружною роботи скелета грунту і може бути отриманий за величинами швидкостей поширення поперечних хвиль v s при геофізичних дослідженнях і ультразвуковому зондуванні грунтів. Константа Ляме λ визначається з формули

Коефіцієнт Пуассона μ можна отримати з формули

або або

де модулі Е і G отримані в результаті тестів на кручення.

Об'ємний модуль К визначається за формулою

При сейсмічному мікрорайонуванні ділянок будівництва нормальні амплітудні характеристики коливань грунту, уточнені за рахунок даних про сейсмотектонічних обстановці і сейсмічному режимі в пункті будівництва, коригуються додатково з урахуванням місцевих інженерно-геологічних умов з використанням показника сейсмічної жорсткості грунту pv s .

Поправка задається у формі коефіцієнта К </, що модифікує розрахункові значення амплітуд переміщень, швидкостей і прискорень ґрунтової товщі, що визначає сейсмічну дію на спорудження. Коефіцієнт на динамічні властивості ґрунтової товщі визначається за формулою

де pv s - сейсмічна жорсткість грунту розрахункової товщі. т / м 2 с; р - щільність грунту, т / м 3 ; V, - швидкість поперечних сейсмічних хвиль в розрахунковій товщі, м / с.

Якщо розрахункова товща грунту складається з декількох шарів, то в цьому випадку приймається до уваги середньозважена сейсмічна жорсткість пачки шарів , що визначається за формулою

де hi - товщина / -го шару пачки, м; pi, v "- сейсмічна жорсткість / -го шару пачки, т / м 2 с, щодо поперечних сейсмічних хвиль.

Для попередньої оцінки впливу ґрунтових умов на сейсмічність ділянок будівництва споруд підвищеної відповідальності поправочний коефіцієнт на динамічні властивості однорідної товщі грунту Kj допускається приймати рівним:

  • • 0,5 - для скельних порід невивітрілі і слабовивітрілі;
  • • 1,0 - для скельних порід виветрелих і сильновивітрілих, великоуламкових відкладень, піщаних і глинистих ґрунтів з умовним опором осьовому стиску R 0 > 0,25 МПа (2,5 кгс / см 2 );
  • • 2,0 - для піщано-глинистих ґрунтів з умовним опором осьовому стиску R < 0,25 МПа (2,5 кгс / см 2 ).

У тих випадках, коли розрахункова товща грунту неоднорідна але структурі, коефіцієнт К, / знаходять як середнє значення випадкової величини [81].

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук