М.16. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ

М.16.1. Чем вызываются динамические воздействия на грунты?

Динамические воздействия связаны с вибрацией вследствие дейст5 вия машин и механизмов, особенно их неуравновешенных вра5 щающихся частей, с ударными воздействиями, со взрывами, с перемещающимся транспортом, с сейсмическим воздействием, дейст5 вием фильтрационных потоков и др.

М.16.2. Как можно подразделить динамические воздействия на грунты?

Динамические воздействия можно подразделить на слабые, ко5 торые могут действовать относительно длительное время, и сильные, которые могут действовать кратковременно и даже однократно (удар, взрыв). По времени действия усилия подразделяются на длительно действующие и кратковременные.

Ударные нагрузки в виде импульсов (рис. М.16.2, а) возникают при работе машин периодического действия, например падающая часть молота пресса. Эти импульсы повторяются через заданные промежутки времени. Возникающие при этом в конструкции фундаментов и грунте основания собственные колебания показаны на рис. М.16.2, б. Амплитуда собственных колебаний А после каждого импульса нагрузки постепенно затухает.

При равномерном вращении движущихся частей машин и ме5 ханизмов в грунте возникают колебания, близкие к гармоническим ко5 лебаниям (рис. М.16.2, в), которые описываются следующим урав5 нением:

s(t) = A sin(ωt + φ),

где s(t) – отклонение тела от начального положения; А – амплитуда колебаний (см); ω – частота колебаний (с51);

t – время (с);

φ – начальная фаза.

Амплитуда гармонических колебаний А, постоянная и не затухает во времени.

При действии на грунты комбинации динамических нагрузок амплитуда колебаний может иметь сложный характер (рис. М.16.2, г).

152

При ускорениях колебаний до одного "g", как показали опыты, угол внутреннего трения практически не изменялся. Удельное сцепление после действия динамических нагрузок также может уменьшиться, однако, как правило, незначительно, но для этого нужны достаточно интенсивные динамические воздействия, разрушающие цементацион5 ные связи. Причинами слабого уплотнения маловлажных глинистых грунтов являются наличие большой связности у частиц и, как следствие, относительно высокая прочность агрегатов частиц грунта.

М.16.4. В чем заключается разжижение песчаных грунтов?

Разжижение песчаного грунта заключается в том, что с ростом час5 тоты колебаний он начинает "течь" как вязкая жидкость. Разжижение начинается после преодоления порога колебаний, т.е. по частоте. До разжижения при меньшей частоте колебаний до этого порога проявляется виброползучесть. Чаще всего разжижаются водонасы5 щенные мелкие и пылеватые пески. Чем больше пористость грунта, тем при меньших динамических воздействиях начинается разжижение. Отсутствие в грунте напряжений именно переменного знака исключает возможность разжижения песчаного грунта. Статическая нагрузка не только снижает возможность разрушения структуры грунта, но и уменьшает уплотняемость несвязных грунтов при динамической нагрузке.

М.16.5. Что представляет собой виброуплотнение грунта?

Виброуплотнение − это уменьшение пористости грунта при динамическом воздействии на него. При отсутствии внешней при5 грузки уплотнение сыпучих грунтов − песков – начинается при любых, даже слабых динамических воздействиях, и при этом может быть достигнуто почти полное их уплотнение.

154

М.16.7. Для каких целей применяются взрывы в строительстве?

Взрывы в строительстве применяются для рыхления грунтов при их разработке, а также для их уплотнения, например при предварительном замачивании лессовидных просадочных грунтов или мелких и пылеватых рыхлых песков. Взрывы используются в скважинах для их расширения при устройстве набивных свай и опор. Применяются также направленные взрывы для перемещения земляных масс − это взрывы на выброс. Таким образом можно создавать дамбы и земляные плотины.

М.16.8. Какие виды грунтов наиболее опасны при наличии сейсмических воздействий?

Сейсмические колебания могут вызвать потерю устойчивости во5 донасыщенных несвязных грунтов и их переход в разжиженное состояние. Относительно наименее опасными являются скальные, полускальные и крупнообломочные плотные грунты. Более опасны все виды песков − плотные и средней плотности, маловлажные и влажные, а также глинистые грунты с малыми значениями показателя текучести

ивеличиной коэффициента пористости. Наиболее опасными являются рыхлые пески независимо от их влажности и крупности, а также глинистые грунты с большой пористостью и водонасыщенностью.

М.16.9. Чем характеризуется интенсивность колебаний при сейсF мических воздействиях?

Интенсивность колебаний характеризуется коэффициентом сейс5 мичности − отношением величины сейсмического ускорения к величине ускорения силы тяжести. Она зависит также от дина5 мичности и формы собственных колебаний сооружения.

М.16.10. Какие воздействия на грунты оказывает перемещающийся транспорт?

Сотрясение грунта, обусловленное движением транспорта, обычно значительно слабее сейсмических воздействий. Однако если действия этих нагрузок отличаются длительностью и если они имеют большую интенсивность, то могут служить причиной развития незатухающих осадок и даже вибротекучести грунтов.

М.16.11. Какие виды волн возникают в грунте при действии динамических и сейсмических нагрузок?

Вгрунте возникают два вида волн: продольные и поперечные. Продольные волны возбуждаются в результате попеременного сжатия

ирасширения грунта. Поперечные волны распространяются в направлении, нормальном к направлению распространения колеба5 тельной волны.

155

Скорость распространения продольных и поперечных волн определяется по формулам:

М.16.12. Как определяются упругие продольный и поперечный модули деформации?

Эти модули определяются путем испытания образцов грунта в стабилометре. Для этого используется специальная конструкция стаби5 лометра, в котором в верхний нагрузочный штамп и основание вставлены пьезокерамические датчики, которые обладают способно5 стью генерировать упругую волну при изменении силы тока (рис. М.16.12, а).

Рис. М.16.12, а. Испытания грунта с использованием пьезокерамических датчиков:

1 – элемент, генерирующий упругую волну; 2 – элемент, принимающий упругую волну; 3 – штамп; 4 – образец; 5 – поперечная волна; 6 – основание; 7 – генератор;

8 – осциллограф; 9 – генерируемый сигнал; 10 – измеряемая амплитуда колебаний

Скорость прохождения волны через образец грунта с известной вы5 сотой определяют из записанной амплитуды колебаний (рис. М.16.12, в), как зафиксированное время t (на рис. М.16.12, б, t = 0,514 мс ),

156

поделенное на высоту образца грунта; обычно она равна 76 мм ( vпоп = h/t ). Далее находят динамический упругий модуль сдвига:

GД = ρvпоп2 ,

а через него и динамический упругий продольный модуль, используя следующее выражение из теории упругости:

где υД – динамический коэффициент Пуассона.

Рис. М.16.12, б. Пример измерения поперечной волны в образце глины

М.16.13. Что называется затуханием или демпфированием коF лебаний?

Уменьшение амплитуды колебаний вследствие сопротивления грунта движению его частиц называется затуханием или демпфи5 рованием колебаний. Затухание колебаний показано на рис. М.16.12,б и М.16.13.

157