- •Часть I
- •Динамическая неустойчивость грунтов (понятие и предмет исследования)
- •1.1. Понятие о динамической неустойчивости грунтов
- •1.2. Зарождение и развитие современной динамики грунтов
- •Характеристика динамических нагрузок разного происхождения
- •2 1. Основные виды динамических нагрузок и особенности их распространения
- •2.2. Динамические нагрузки природного происхождения
- •2.3. Техногенные динамические нагрузки
- •Обзор современных методов динамических испытаний грунтов
- •3.1. Лабораторные методы динамических испытаний грунтов
- •3.2. Лабораторные динамические испытания физических моделей
- •3.3. Полевые методы динамических испытаний грунтов
- •Сейсмоакустические методы
- •Геотехнические методы
- •Динамические пенетрационные испытания
- •Другие геотехнические методы
- •Заключение
- •Часть II
- •Энергетический подход к оценке динамической неустойчивости грунтов
- •4.2. Энергетический подход:
- •преимущества и практические критерии оценки динамической неустойчивости грунтов
- •4.3. Феноменология динамической неустойчивости грунтов
- •Динамическая дилатансия несвязных грунтов
- •5.1. Феноменология динамической неустойчивости несвязных грунтов
- •5.2. Энергетика динамической дилатансии песков
- •Тиксотропия и квазитиксотропия связных грунтов
- •6.1. Феноменология динамической неустойчивости глинистых грунтов
- •6.2. Энергетика тиксотропных превращений в дисперсных системах
- •Дилатантно-тиксотропные явления в слабосвязных грунтах
- •7.1. Феноменология динамической неустойчивости слабосвязных грунтов
- •8.1. Общие закономерности усталостного разрушения грунтов и высокопрочных материалов
- •8.2. Разогрев грунтов и материалов при динамических нагрузках
- •8.3. Теории усталости
- •8.4. Усталость как форма динамической неустойчивости грунтов (энергетика процесса)
- •Часть III
- •Динамика фундаментов мелкого заложения
- •Динамика заглубленных фундаментов
- •Динамика свайных фундаментов
- •Фундаменты машин на грунтовых основаниях
- •12.1. Режимы работы фундаментов машин на грунтовых основаниях
- •12.2. Особенности работы фундаментов машин разного типа
- •12.3. Виброизоляция фундаментов и гашение колебаний
- •Список цитированной литературы
- •Оглавление
12.3. Виброизоляция фундаментов и гашение колебаний
Для уменьшения передачи колебаний грунтам основания и прилегающим сооружениям, а также для получения желаемого режима колебаний фундамента широко используются различные виброгасящие элементы. Их конструкция и вид различаются в зависимости от характера опирания машины на фундамент.
Вслучае сплошного опирания могут применяться следующие гасители:
1)Плиты из натуральной пробки. Обычно имеют толщину 6см, динамический модуль упругости порядка 15-23 МПа (зависящий от частоты) и декремент затухания 0,05-0,2 в зависимости от направления. Наибольшее допустимое давление 0,2 МПа.
2)Резиновые плиты, армированные тканью. Размер 25 х 25 см, толщина 2,5-12 см. В них содержится несколько слоев хлопчатобумажных жгутов сечением 1-2см2, идущих в разных направлениях. Предназначены для подшаботных про кладок. Динамический модуль .упругости 25-50 МПа, а наибольшее допустимое давление — около 4 МПа.
3)Прессованный (кузнечный) войлок. Используется также для подшаботных
прокладок, имеет толщину 2-4 см и при необходимости укладывается в несколь ко слоев. Динамический модуль упругости 50-150 МПа, допустимая нагрузка — до 6 МПа.
При опирании машин в отдельных точках применяются:
1)Стальные винтовые пружины. Могут устанавливаться в кожухе машины еще до сооружения фундамента. Эффективность такой виброизоляции определяется отношением частоты возмущающей силы к частоте собственных колебаний виброизолированной системы. С этой точки зрения желательно иметь крайне низкую частоту собственных колебаний. Пружины обладают очень небольшим внутренним неупругим сопротивлением (декремент затухания около 0,05).
2)Резиновые элементы. При опирании в отдельных точках применяются, как правило, только мягкие сорта резины с динамическим модулем упругости около 3-7 МПа, декрементом затухания 0,16-0,41. Наибольшее напряжение не должно превышать 1 МПа.
При ударных нагрузках на фундамент целесообразно введение в систему небольшого демпфирования, чтобы уменьшить амплитуду колебаний тела, вос принимающего удар, и ускорить их затухание. Так, для устройства оснований под шаботами кузнечных молотов часто используется дерево, обычно укладываемое
внесколько слоев. Динамический модуль упругости древесины сильно зависит от направления: для хвойных пород, например, он составляет 750 МПа поперек волокон и 150 000 МПа — вдоль.
При периодическом же нагружении демпфирование не ухудшает работу фунда ментов, колеблющихся в дорезонансном режиме, а для виброизолированных систем сильное демпфирование вводить не следует, поскольку оно частично снижает эф фект виброизоляции. Но система все же должна обладать затуханием, достаточным, чтобы избежать сильного увеличения амплитуд колебаний в момент прохождения
через резонанс при пуске и остановке машины.
Принципиально другой метод гашения колебаний, получивший название
динамического гасителя или антивибратора, изобретен Фрамом в 1909 г. (ДенГартог, 1960). Он представляет собой упруго присоединенную к фундаменту маши ны и соответствующим образом подобранную дополнительную массу. Суть метода заключается в следующем (рис. 112). Пусть на жесткое тело с массой т , имеющее упругое основание, действует гармоническая сила Р с частотой / т . Если с этим телом в направлении действия силы упруго связать меньшую массу тп\ так, чтобы ее собственная частота при неподвижной массе ш точно совпадала с / т , то при работе машины масса m будет совершенно неподвижна. Амплитуда колебаний массы гп\
определяется из условия, что сила ее инерции в каждый момент времени уравновешивает возмущающую си лу. С помощью двух параллельно движущихся динамических гасите лей можно уравновесить также и моментную возмущающую нагрузку.
При назначении массы и жест кости динамического гасителя не обходимо выполнение двух усло вий: 1) собственная частота гасите
ля / е = \ fk fm должна точно сов падать с рабочей частотой маши ны; 2) упругие силы, возникающие при колебаниях массы т ь не долж ны вызывать недопустимых напря жений в элементах виброгасителя;
при этом упругая динамическая сила, передаваемая гибкими элементами антивибра тора, численно равна той доле возмущающей нагрузки, которая уравновешивается данным виброгасителем.
Вот таким сравнительно простым способом может быть достигнуто теорети чески полное гашение колебаний фундамента машины и предотвращение передачи колебаний грунтам основания. Кроме того, при этом практически нет потерь энер гии. Однако применение антивибратора эффективно только при полном совпадении частот, а при удалении рабочей частоты установки от частоты настройки гасителя поглощение колебаний быстро убывает, и притом тем быстрее, чем меньше масса гасителя.
В первую очередь этот метод подходит для машин со средними и высоки ми рабочими частотами, у которых при работе возможны лишь незначительные отклонения числа оборотов от средних значений. Для тихоходных машин с боль шими динамическими нагрузками антивибраторы практически неприменимы, т. к. они требуют очень больших колеблющихся масс. Для этих машин предпочтитель нее обеспечить надежный виброизоляционный режим колебаний, что технически совсем не сложно.
Конструкция самих динамических гасителей может быть различной. В качестве примеров приведем два случая.
1.Для фундаментной плиты под машину средней величины были применены гасители, расположенные по периметру фундамента. Каждый из них представлял собой консольно заделанный прут из пружинной стали, по которому может пере мещаться и закрепляться в любой точке специальный груз, имеющий возможность совершать колебания с одинаковой частотой в любом направлении в плоскости, перпендикулярной оси стержня. Передвигая груз по стержню, можно изменять частоту этих колебаний в соответствии с изменившимся числом оборотов машины (Рауш, 1965).
2.Для уменьшения поступательно-вращательных колебаний мощного пре образовательного агрегата (общий вес установки с фундаментом 992,5 т) применены динамические гасители, каждый из которых состоит из подвижной массы, подве шенной на четырех плоских пружинах. Необходимая частота колебаний гасителя
в горизонтальном направлении обеспечивается с помощью 8 винтовых пружин, а точная настройка — съемными грузами. В устройстве предусмотрено прину дительное возбуждение колебаний подвижной массы инерционным вибратором
направленного действия, приводимым во вращение через узел задания фазы, со единенного с валом машины (Кравченко, Юдин, 1977).
Развитие рассматриваемого метода привело к предложению встраивать гасите ли в машину. Кроме всего прочего, по величине наблюдаемых амплитуд колебаний масс гасителей можно судить о степени износа машины. И еще одним важным преимуществом антивибраторов является возможность установки их на уже су ществующие фундаменты работающих машин. Подбор виброгасителей разного типа в современных условиях (особенно для сложных и тяжелых машин) проводится, как правило, численными методами.
Автор выражает глубокую признательность профессору М. Новаку (Универси тет Западного Онтарио, Канада) за обсуждение некоторых специальных вопросов динамики оснований и сооружений и предоставленные им материалы, без которых данный раздел книги был бы существенно менее полным.
Экспериментальная часть работы выполнена при частичной поддержке проек тов INTAS Open 97-1493 и РФФИ №98-05-64896.