2.3. Техногенные динамические нагрузки

Ткблица 4. Характеристика транспортных источников динамических нагрузок (Локшин, 1987; Жигалин, Локшин, 1991)

Среди рельсовых транспортных средств трудно однозначно выделить источник динамической нагрузки наибольшей интенсивности, т. к. диапазоны изменения параметров вызываемых ими колебаний грунтов в различных условиях достаточно широки (табл. 4), особенно для метрополитена. В относительно узких пределах изменяются лишь преобладающие частоты воздействия: 10-70 Гц для железной до­ роги, 20-45 Гц для трамвайной линии и 30-60 Гц для метрополитена. Частота же, на которой наблюдаются максимальные амплитуды колебаний, в значительной мере зависит от свойств грунта. Кроме того, разные типы рельсового транспорта имеют и разное распространение, что тоже влияет на их значимость как источников дина­ мических нагрузок. В одинаковых инженерно-геологических условиях метрополитен оказывает приблизительно вдесятеро больший суммарный эффект, чем трамвайная линия, в связи с большей общей длительностью воздействия его на грунт в данном месте (Жигалин, Локшин, 1991). Автомобильный транспорт генерирует в целом более низкочастотные (10-20 Гц) и существенно менее интенсивные колебания: уровень вибрации вблизи автомагистрали (табл. 4) может достигать 65-70 дБ лишь при очень большом транспортном потоке (8-10 тыс. транспортных единиц в час) (Жигалин, Локшин, 1991) при амплитудах колебаний поверхности грунта от 0,05 до 0,36 мм (Ершов, Романов, 1960).

Транспортные источники динамических нагрузок различаются и по зоне вли­ яния на сооружения и грунты. Размеры этой зоны определяются, во-первых, типом и скоростью движущегося транспорта, во-вторых, величиной транспортного пото­ ка (числом транспортных средств в единицу времени), и в-третьих, свойствами грунтов. Однако в пределах зоны влияния уровень динамического воздействия на грунты и сооружения может существенно варьироваться. Поэтому предлагается (Локшин, 1987) выделять подзоны низкого, среднего и высокого уровня дей­ ствия вибрации. В качестве пороговых значений уровня динамического воздействия выбраны 46 дБ, что соответствует транспортному потоку в 300 тр. ед./ч, при ко­ тором оно становится квазистационарным процессом, и 73 дБ, что соответствует минимальному уровню динамического воздействия, который может вызвать до­ полнительные осадки сооружений в результате разупрочнения грунтов основания (Савинов, 1979).

Реальные транспортные магистрали представляют собой суперпозицию разных источников и генерируют колебания с непрерывным спектром в некоторой полосе частот, что позволяет представить их в виде импульсных излучателей (Локшин и др., 1987). При этом преобладает вертикальная составляющая колебаний. А более

часть их энергии переносится к сооружениям поверхностными волнами Рэлея, быстро затухающими с глубиной. Приблизительно до этих отметок заглубляются фундаменты большинства зданий и городские коммуникации. Кроме того, наиболее низкочастотные составляющие транспортных динамических нагрузок часто близки к собственным частотам большинства сооружений, которые обычно лежат в полосе 2-8 Гц (Жигалин, Локшин, 1991). Вследствие этого сооружения, расположенные вблизи магистралей с большим транспортным потоком, могут испытывать большие осадки, чем находящиеся вне зоны влияния последних или на ее периферии. Так, в пределах зон воздействия метрополитена иногда наблюдается дополнительная осадка зданий на 50-200 мм (Горшков, 1982).

Динамические нагрузки от машин разного типа вследствие их локального рас­ пределения распространяются сравнительно недалеко от источника и, как правило, влияют на свойства грунтов только в основании самих установок. Многие машины, использующиеся в промышленности, имеют большую массу (5-500т), и по услови­ ям эксплуатации требуют установки на отдельных фундаментах. Другие, например, различные станки, могут устанавливаться на фундаменте предприятия или це­ ха. Обычно необходимые сведения о динамичности машин и передаваемых ими на фундамент нагрузках приводятся в их заводском паспорте (или могут быть найде­ ны расчетом по указанным паспортным данным). Определяющее влияние на работу фундамента машины оказывает соотношение частоты возбуждения (рабочей час­ тоты машины) с собственной частотой колебаний всего сооружения на грунтовом основании.

С этой точки зрения наиболее благоприятными считаются (Рауш, 1965) усло­ вия работы фундамента машины, если собственная частота колебаний благодаря большой массе и податливому основанию оказывается значительно ниже частоты возмущающей силы, т. к. динамические нагрузки, передаваемые на основание, становятся весьма малыми. Такой режим работы фундамента называется виброизоляционным или послерезонансным. Но при очень низких рабочих частотах (менее 5 Гц) обычно уже невозможно конструктивно обеспечить такой режим колебаний. Тогда фундамент проектируется таким образом, чтобы частота его собственных колебаний (вместе с машиной) была как можно выше частоты возбуждения. Это позволяет «выйти» из области резонанса и создать дорезонансный режим колеба­ ний, что обычно достигается за счет уменьшения массы фундамента и увеличения площади его подошвы (например, путем устройства фундамента из пустотелых элементов).

Динамическая нагрузка, передаваемая фундаментом на грунты основания, определяется характером работы машины. По этому признаку все машины можно разделить на три типа. Наиболее распространенными являются машины с возврат­ но-поступательным и вращательным движением масс (поршневые компрессоры, турбины, вентиляторы и др.). По частоте генерируемых возмущающих сил они под­ разделяются на три группы (Рауш, 1965): группа А — от низких до средних частот (до 500 об/мин), группа Б — от средних до высоких частот (500-1 000 об/мин), группа В — с высокими частотами воздействия (более 1000 об/мин). В маши­ нах с вращающимися частями (электродвигатели, турбины, вентиляторы) силы, возбуждающие колебания, возникают, в основном, из-за несовершенной балан­ сировки роторов. Для жестких роторов (т. е. тех, у которых первая собственная частота выше рабочей) возмущающие силы определяются как вертикальные (Pv) и горизонтальные (Рь) компоненты центробежной силы (Novak, 1987):

где m e — несбалансированная масса (обычно масса всего ротора), е — эксцентри­ ситет (типичное значение — 0,5 мм), и — круговая частота.

Наиболее характерным примером машин ударного действия являются кузнеч­ ные молоты. Обычно по условиям кузнечного производства амплитуда колебаний фундаментного блока не должна превышать 0,5 см. Особую проблему представляет возможность «подскакивания» шабота (с повреждением поверхности фундамента) или даже молота вместе с фундаментом (с отрывом его от основания) при достаточно сильном ударе. При анализе колебаний молотов не может быть применено пре­ образование Фурье — из-за необходимости добавления «немого» периода к очень кратковременной нагрузке. Исключение составляют быстро работающие молоты (до 200 и более ударов в минуту), для которых можно даже установить резонансную амплитуду. Для определения силы сопротивления основания, вызываемой отдель­ ным ударом, можно рассматривать его как баллистическое действие, поскольку удары молота отличаются весьма малой продолжительностью (около 0,01 с) и высо­ кой степенью внезапности, так что колебания фундамента практически начинаются только после окончания самого удара. Чем меньше продолжительность удара и чем ниже собственная частота, тем меньше (по сравнению с максимальным значением силы) вызываемая ударом сила упругой реакции основания. При этом короткий импульс с высоким пиковым значением силы преобразуется на выходе системы

вдлительный импульс с малым пиковым значением силы, что имеет значение для уменьшения передачи вибраций. Некоторые особенности имеют динамические нагрузки от молотов двойного (встречного) действия.

Такие машины, как насосы, дробильные и мельничные установки, генерируют весьма нерегулярные силы, которые при современном подходе обычно описываются их энергетическими спектрами.

Обзор опубликованных данных показывает, что частоты колебаний фундамен­ тов под различными промышленными установками с динамическими нагрузками

вцелом варьируются в диапазоне от единиц герц до 75 Гц при амплитудах 0,10— 0,16мм (Фундаменты..., 1975), а амплитуды, создаваемые формовочными машина­ ми при уплотнении бетонов, достигают 0,30—0,64 мм (Савинов, Лавринович, 1966). Еще большие амплитуды могут возникать при работе кузнечных молотов и прессов.

Следует, однако, учитывать, что при переходе волн напряжений от фундамента в грунт и обратно их динамические характеристики могут сильно меняться.

По параметрам генерируемых колебаний строительное оборудование можно выделить в самостоятельную группу источников динамических нагрузок. При ви­ бропогружении свай в водонасыщенные грунты возникают колебания с амплитудой смещения до 0,8-0,9 мм при основных частотах 2-6 Гц, но при прохождении остри­ ем сваи слоя более плотного грунта частота вибрации может повышаться до 10-11 Гц (Прокудин и др., 1970). В этом случае, так же, как и при забивке свай, в грунте генерируются не только вертикальные, но и горизонтальные колебания, хотя верти­ кальная составляющая всегда преобладает над горизонтальной независимо от типа грунта (Костельов, Слонов, 1981; Sarsby, 1986). Достаточно мощными источниками динамических нагрузок являются сваезабивочные машины (уровень виброскорости частиц грунта достигает 80-90 дБ, а зона влияния — 150-250 м при основных частотах 15-35 Гц), но время их действия очень ограничено.

В качестве единых площадных очагов техногенных динамических нагрузок следует рассматривать территории крупных промышленных предприятий, где основ­ ными источниками сейсмических волн являются работающее технологическое обо­ рудование (металлообрабатывающие станки, компрессоры и др.), а также внутриза­ водской транспорт (рельсовый и колесный). В таких случаях фон промышленных

Вибрационное поле крупных городов. Территория любого крупного города явля­ ется, по сути, единым очагом техногенных динамических нагрузок в силу наложения волн напряжений от всех вышеперечисленных источников. По некоторым данным

ния частиц грунта порядка десятков микрометров на частотах 20-30 Гц. Основной вклад в это постоянно существующее и меняющееся в течение суток «вибрацион­ ное поле» вносит движущийся транспорт. Меньшее значение (в силу локальности распространения) вносят строительные и промышленные машины. И уж совсем малое вибрационное воздействие (влияющее лишь на технологические условия точ­ ных производств) оказывается большим количеством вентиляционных установок и кондиционеров. Их скопления создают вибрации пола с частотами 8,6-26 Гц и пиковыми значениями виброскоростей частиц грунта основания 0,05-1,10 мм/с на производствах полупроводниковых приборов и микросхем (Максимов, 1984).

Широкий спектр и заметная изменчивость во времени динамических характе­ ристик сейсмических волн (в течение суток, недели, сезона, года) требует особой тщательности при их измерении на территории городов, а также накладывает опре­ деленные ограничения на выбор аппаратурных средств, особенно датчиков, которые должны быть широкополосными.

Взрыв как источник динамических нагрузок. Динамическую нагрузку от взрыва в грунте следует рассматривать как кратковременное и практически однократное воздействие, почти вся энергия которого сконцентрирована в первом — самом интенсивном — импульсе. Продолжительность действия взрывных волн составляет от единиц до сотен миллисекунд. Взрыв представляет собой мгновенное сгорание вещества (или цепную реакцию деления радиоактивного топлива), сопровождаю­ щееся выделением огромного количества тепловой энергии. При этом вся масса взрывчатого вещества (ВВ) превращается в скачкообразно расширяющиеся продук­ ты детонации, под давлением которых в окружающей среде образуется сферическая ударная волна.

Объем, занимаемый продуктами детонации заглубленных зарядов ВВ в грун­ тах, называется газовой камерой или полостью. Вокруг нее формируется зона разрушения и растрескивания грунта, далее — область необратимых, а за ней — обратимых деформаций. Одновременно с расширением газовой камеры продукты детонации проникают в поры прилегающего к ней грунта и вытесняют из них воду. Более того, высокое давление и температура в тонком слое окружающих камеру пород приводит к их разрушению, дроблению минеральных зерен и даже к фазовым переходам и изменению кристаллического строения твердой компоненты грунта (Ляхов, 1974). Подземные взрывы, которые не вызывают видимых последствий на поверхности, называются камуфлетными. Они имеют место при заложении сосредоточенного заряда массой Q кг на глубину h ^ 2Q1/3 м.

Взрывная волна характеризуется следующими основными параметрами: макси­ мальными значениями давлений, временем нарастания напряжений до максимума, временем действия волны, максимальными значениями смещения, скорости и уско­ рения частиц, а также импульсом волны. Все эти параметры существенным образом зависят от свойств грунта. В частности, в водонасыщенных грунтах заметную роль играют даже небольшие колебания содержания защемленного воздуха (Ляхов, 1974).

Взрывные волны в грунтах не всегда являются ударными: не всегда происходит скачок напряжения на фронте волны, особенно в неводонасыщенных дисперсных грунтах, т. к. сжимаемость грунта как многокомпонентной системы меньше сжи­ маемости его скелета, и эти различия в разной степени проявляются на разных фазах сжатия. Поэтому волна в грунте часто является ударной только на близких

детонации — величиной заряда ВВ, глубиной его заложения и характером контакта с грунтом.

При анализе действия взрыва на грунты их поведение описывается моделями сплошных идеальных и неидеальных баротропных сред. Баротропность означает, что изменение температуры среды, связанное с тепловыми потерями при рас­ пространении волн, не влияет на вид уравнений движения среды (Ляхов, 1974). Поскольку напряжения в грунтах меняются пренебрежимо мало при реально воз­ можных изменениях температуры в связи с прохождением в них взрывных волн, то допущение об их баротропности существенно упрощает решение волновых задач. Кроме того, обычно принимается упрощающее предположение, что грунт не обла­ дает вязкостью, то есть его деформационные и прочностные свойства не зависят не только от температуры, но и от скорости деформирования. Для описания непре­ рывного нелинейного изменения плотности с давлением и наличием остаточных деформаций предложено три характерных вида диаграмм сжатия грунта (рис. 18):

1. К. Лэмпсона (1954): скорость волн нагружения зависит от интенсивности передаваемого давления, и меньшие давления распространяются быстрее. Поэтому при нагружении такой среды постепенно возрастающей нагрузкой (а на большом расстоянии от источника — и при любой форме волны нагружения) распростра­ няются непрерывные волны сжатия (что соответствует реальной волновой картине взрыва). Ветвь нагрузки на диаграмме сжатия выгнута в сторону оси напряжений, а ветвь разгрузки — к оси деформаций (рис. 18, а).

2. X. А. Рахматуллина и др. (1964): как ветвь нагрузки, так и ветвь разгруз­ ки на диаграмме сжатия обращены выпуклостью к оси деформаций (рис. 18,6). Процесс считается либо необратимым, либо частично обратимым. В таких средах (в отличие от случая 1) большие давления распространяются быстрее. Следова­ тельно, при мгновенном нагружении (а на больших расстояниях от источника — и при действии непрерывно возрастающей нагрузки) в таких средах распространя­ ются ударные волны нагружения.

3. В более общем виде модель грунта как упругопластической среды, пред­ ставляющая собой синтез двух рассмотренных выше, была предложена С. С. Гри­ горяном (1959, 1960). Им принята динамическая диаграмма сжатия (рис. 18, в)

светвью нагрузки, при малых напряжениях (до точки В) обращенной выпуклостью

коси давлений, а при более высоких — к оси деформаций. Диаграмма сжатия может иметь начальный линейно-упругий участок, при дальнейшем же увеличении давления и плотности часть объемной деформации протекает упруго, а другая часть — пластически. Разгрузка сопровождается только обратимыми изменениями

плотности (объема), причем вся ветвь разгрузки выпукла к оси деформаций. Те­ оретически при очень больших давлениях пористость может быть ликвидирована, тогда ветви нагрузки и разгрузки совпадут. Таким образом, сдвиговая деформируе­ мость в допредельном состоянии соответствует поведению линейно-упругой среды, а в предельном — схеме Прандтля—Рейса с условием пластичности Мизеса— Шлейхера—Боткина.

Показано (Баренблатт, 1956), что в таких средах при их мгновенном нагру­ жении на разных расстояниях от источника могут наблюдаться волны нескольких типов:

•устойчивые ударные волны вблизи источника, где а>аз (рис. 18,г);

•волны смешанного типа с начальным непрерывным участком и последующим

резким скачком напряжений — в области со средними интенсивностями

а < (Т\ — на значительном удалении от источника;

Глава 2. Характеристика динамических нагрузок

Рис. 18. Динамические диаграммы сжатия для моделей грунта:

К.Лэмпсона (а) и Н. А. Рахматуллина {б) — при непрерывном нелинейном законе изменения плотности р с давлением; в — С. С. Григоряна; г — условия возник­ новения волн разного типа на различном расстоянии от источника для модели С. С. Григоряна (по Н. Д. Красникову, 1970)

•чисто упругие волны — при очень малых давлениях, не превышающих предела упругости грунта а0.

Кроме указанных моделей, для описания поведения мягких грунтов при взрывных динамических нагрузках предлагались соотношения теории конечных упругопластических деформаций, эквивалентных соотношениям нелинейной теории упругости (Рахматуллин и др., 1964), различных реологических моделей — вязкой жидкости, обобщенной модели упруго-вязкой среды, упруго-вязко-пластической среды (Ляхов, Полякова, 1967), многокомпонентной среды со скелетом, деформиру­ ющимся как упругое (Френкель, 1944) или упруго-пластическое тело (Эйслер, 1968).

4. Наиболее общей является динамическая модель Л. А. Эйслера (1968) — многокомпонентной взаимопроникающей среды со скелетом, деформирующимся как упруго-пластическое тело. При определенных упрощениях из нее могут быть по­ лучены модели Био—Френкеля, Ляхова, Григоряна и др., в том числе и те, которые еще не получили экспериментального обоснования и практического применения (Красников, 1970).

Среди главных отличительных особенностей взрывов вблизи свободной по­ верхности от камуфлетных можно назвать неодномерность движения, сложность волновой картины, которая выражается в совместном действии на массив раз­ ных типов волн, а также зависимость от свойств грунта не только этой картины, но и характера перераспределения энергии между продуктами детонации и внеш­ ней средой. С приближением заряда к свободной поверхности частицы грунта при подходе к ним взрывной волны приобретают большую скорость, чем на том же расстоянии в безграничной среде. В момент подхода фронта взрывной волны от свободной поверхности вглубь массива начинает распространяться волна раз­ режения. Приход ее фронта приводит к падению давления, созданного взрывной волной, и к увеличению скорости движения частиц. В результате общий объем раз­ рушенной породы при наличии свободной поверхности, т.е. при взрыве на выброс, существенно выше, чем при камуфлетном (Ляхов, 1974). Воронка выброса в грунте появляется, если заряд расположен выше определенной глубины, и сопровождается излучением сейсмовзрывных волн. Самое заметное влияние на параметры воро­ нок оказывают прочностные свойства грунтов и их влажность. Профиль видимой воронки образован разрыхленным грунтом. Он заполняет ее, частично вследствие обрушения бортов, а частично из-за падения обратно выброшенного взрывом грун­ та. Вокруг воронки образуется навал, и ее видимый объем не соответствует объему выброшенного грунта.

Взрыв, происходящий вблизи границы раздела двух сильно отличающихся по своим свойствам сред (воздух/грунт), генерирует и в той, и в другой среде нестационарные волновые поля. При взрывах в воздухе воздушная ударная волна взаимодействует с грунтовым полупространством с возбуждением в нем волново­ го поля. Контактный поверхностный взрыв непосредственно генерирует в грунте волновое поле, на которое накладывается также возмущение от воздушной удар­ ной волны, распространяющейся вдоль свободной поверхности массива. Влияние границы раздела на волновое поле в грунте спадает с глубиной.

В случае приповерхностного (воздушного или подводного) взрыва на сейсмо­ граммах можно выделить:

а) фазу продольной волны — но только первые вступления, т. к. сразу же вслед за ней приходят колебания большой интенсивности воздушной ударной волны, искажающие запись; период P-волны составляет 0,02-0,04 с в 20-40 м от очага взрыва;

б) фазу поверхностной волны с периодом около 0,06 с, существующую только при взрывах заглубленных зарядов;

в) фазу воздушного шлепка — она возбуждается действием воздушной ударной волны на поверхность грунта при распространении ее вдоль свободной поверхности. Скорость соответствует скорости звука в воздухе — 320-340 м/с. Характер колебаний после первых вступлений проследить невозможно из-за возбуждения собственных колебаний сейсморегистрирующего канала.

При взрыве заряда над свободной поверхностью, как правило, преобладают сейсмические волны, вызванные ударной воздушной волной. Интенсивность ко­ лебаний, возбужденных воздушным шлепком, резко убывает по мере заглубления заряда. В эпицентре такого взрыва образуется продольная волна, формирующаяся

под действием ударной воздушной волны и ударного же воздействия продуктов детонации на грунт непосредственно под зарядом.

В целом, взрыв представляет собой относительно высокочастотное динамичен ское воздействие и характеризуется возникновением вблизи источника в открытом поле (вне пределов газовой камеры или воронки выброса) колебаний с частотами обычно более 40-45 Гц (иногда до 100 и более Гц) и деформациями грунтов порядка

1(Г4-1<Г3%.

Деформация грунта, %

Рис. 19. Обобщенная характеристика динамических нагрузок разного происхождения (для каждого источника указан лишь наиболее типичный диапазон параметров, харак­ терный для их спектральных максимумов)

Общее представление о соотношении параметров динамических нагрузок от разных источников и их относительной значимости дает рис. 19 (по данным (Massarch, 1993), с дополнениями). Интересно отметить практически линейный рост вызываемых относительных деформаций грунтов с уменьшением преобладаю­ щих частот колебаний от взрывов и промышленных установок к землетрясениям и морским волнам. Источники, генерирующие колебания с частотами, близки­ ми к собственным для большинства зданий (1-8 Гц), находятся в центральной части этой диаграммы. Однако значимые деформации грунтов возникают только в пределах зон влияния этих источников, которые различаются весьма существенно.