ВЫЧИСЛЕНИЕ ОСАДКИ ФУНДАМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ВИБРОПОЛЗУЧЕСТИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

Данное исследование посвящено взаимодействию грунтовой среды и фундаментов при вибрационных и циклических нагрузках, возникающих от действия динамических машин промышленных зданий и сооружений. В работе представлен механизм по определению поведения песчаного грунта при циклических нагрузках на примере испытания в приборе трехосного сжатия с возможностью создания динамического нагружения. В ходе заключительного этапа испытаний были получены значения дополнительных деформаций образца вследствие действия вертикальной динамической нагрузки заданной частоты в условиях консолидированно-дренированного (КД) трехосного сжатия. Получен коэффициент виброползучести, который дает возможность определить пониженный модуль деформации, что позволяет применять его в расчетах осадок методом послойного суммирования. Приведены график зависимости модуля деформации от давления всестороннего обжатия и график зависимости вертикальной деформации от количества циклов «нагрузка –разгрузка». Представлена возможность получения коэффициента вибропозучести для разных типов песчаных грунтов в табличной форме.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ОСАДКИ ФУНДАМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ВИБРОПОЛЗУЧЕСТИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании промышленных зданий и сооружений важным фактором является учет циклических и вибрационных воздействий, передаваемых на основания и фундаменты промышленного оборудования различных конструкций, например, фундаменты кузнечных молотов, оборудования копровых бойных площадок, дробилок, мельничных установок и многие другие машины, вызывающие данный вид нагрузок.

Проектирование фундаментов машин с динамическими нагрузками связано с характером возникновения сил, которые оказывают сложное механическое воздействие на основание, так как они изменяются во времени по величине и направлению, вызывая в грунтах сложное напряженно-деформированное состояние (НДС).

Из опыта строительной практики известно, что для динамического оборудования существует необходимость устраивать отдельные фундаменты с различными демпфирующими устройствами. Такое конструктивное решение позволяет снизить влияние на здание в целом, но существуют случаи, в которых к осадкам фундамента под динамической установкой предъявляются повышенные требования. К таким видам установок относятся, например, турбины гидроэлектростанций. Таким образом, данная задача является актуальной при проектировании оснований и фундаментов промышленных зданий.

Отечественные и зарубежные нормы проектирования, такие как — СП 22.13330 «Основания и фундаменты зданий и сооружений», СП 26.13330 «Фундаменты машин с динамическими воздействиями» и ЕN 1997-1: Eurocode 7 «Геотехническое проектирование» [2-4] предписывают: производить расчет длительных дополнительных осадок от совместного действия статических и динамических нагрузок (виброползучесть – накопление объемных и сдвиговых деформаций в дисперсных грунтах при длительных вибрационных нагрузках). Этот расчет допускается производить, принимая при этом уменьшенные значения модулей деформации грунтов, которые должны определяться, как правило, по результатам испытаний. Данная методика проста для применения в инженерной практике и доступна широкому кругу специалистов. По мнению авторов, данная методика подходит для предварительного анализа виброползучести грунтов, однако трудность её использования заключается в необходимости определения пониженных значений модуля деформации при помощи лабораторных испытаний образцов грунта для каждого случая.

Целью данной работы является демонстрация возможности получения табулированных усредненных коэффициентов для различных типов грунтов, которые позволят получить пониженные модули деформации для расчета по 2-му предельному состоянию. Это является достаточно удобным способом для получения предварительных осадок без трудоемких испытаний.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Данная работа посвящена исследованию грунтовой среды при вибрационных и циклических нагрузках, с точки зрения механики деформированного твердого тела она является достаточно сложной, т.к. свойства грунтов и воздействия на них не могут быть заданы заранее, следовательно, невозможно прогнозировать сложившиеся по различным обстоятельствам исходные и результативные напряженно- деформированные состояния грунтовой толщи.

Общие вопросы по исследуемой в настоящей работе тематике рассматривались в трудах многих отечественных и зарубежных авторов: Вознесенский Е.А. [5], Иванов П.Л. [6], Соболев Е.С. [7], Тер-Мартиросян З.Г. [8], Тер-Мартиросян А.З. [9], Лушников В.В. [10], Цытович Н.А. [11], Ishihara K. [12], Seed H.B. [14], Idriss I.M. [13], и многих других.

В работах перечисленных выше ученых разработаны основы описания механических свойств грунтов в допредельном и в предельном состояниях при статическом и циклическом воздействиях, отмечается важность количественной оценки дополнительных деформаций грунтов при различных циклических воздействиях.

В лабораторных условиях исследования реологических и виброреологических свойств грунтов на различного рода динамические нагрузки воспроизводятся путем применения различных установок, например, вибростабилометров, вибростолов и др.

Применяемый в данной работе механизм по определению поведения образца песка при циклических нагрузках в приборе трехосного сжатия был показан Сидом и Ли (Seed, Lee, 1966). В своем опыте они уплотняли водонасыщенный грунт обжимающим давлением и прикладывали ряд циклических нагрузок с постоянной амплитудой колебаний до возникновения осевых деформаций. В результате они получали увеличение давления поровой воды, которое достигало начального обжимающего давления, что приводило к развитию осевой деформации (разжижение).

Так же в рамках данной работы проанализированы российские и зарубежные строительные нормы и правила, в которых отдельным пунктом прописана необходимость учета динамических нагружений от машин промышленных зданий и применение их в расчетах по второму предельному состоянию (расчет осадок) [2,4].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Оборудование применяемое для проведения эксперимента: сервогидравлическая нагрузочная рама, камера трехосного сжатия типа «А» (для образцов высотой 140 мм и диаметром 70 мм), блок управления сервогидравлическим приводом, блок обработки данных, поступающих с датчиков давлений и перемещений, блок управления давлением воздуха, разделитель сред и управляющий компьютер (измеряющий следующие величины: вертикальное осевое усилие (датчик силы на штоке поршня), вертикальное перемещение верхнего штампа (LVDT- датчик на штоке), давление в камере (блок управления давлением воздуха), давление поровой жидкости (датчик давления в нижнем штампе).

Принятый порядок проведения испытания: образцы песчаного грунта заданной плотности сухого грунта (1,67 г/см3), близкой к природной, помещались в камеру трехосного прибора, после чего производилось их полное водонасыщение дистиллированной водой.

После завершения водонасыщения к образцу прикладывалось всестороннее давление, равное бытовому на заданной глубине (2,7м, 5,4м, 8,1м) и проводился этап консолидации в условиях открытого дренажа. Давление всестороннего обжатия для каждого образца грунта равнялось – 50, 100, 150 кПа.

После приложения девиатора статической нагрузки принятой 50 кПа (что соответствует давлению под подошвой фундамента) и стабилизации деформаций к образцу прикладывалась вибрационная нагрузка с частотой 100 Гц (такие колебания характеры для некоторых типов турбоагрегатов) и количеством циклов «нагрузка – разгрузка» 15000.

В ходе заключительного этапа испытания были получены значения дополнительных деформаций образца вследствие действия вертикальной динамической нагрузки заданной частоты в условиях консолидированно-дренированного (КД) трехосного сжатия.

После обработки данных, полученных в ходе испытаний, были получены значения коэффициента виброползучести (Kвп) на этапе вибрационного нагружения для каждого образца при одной частоте нагружения.

Расчет ввелся с учетом следующих зависимостей: для учёта виброползучести грунтов используется добавочный коэффициент (Квп) [7], снижающий величину статического модуля общей деформации. Этот подход к прогнозу виброползучести грунтов может быть назван квазистатическим, так как он осуществляется в рамках обычных статических методов расчёта осадок оснований сооружений. Значения коэффициента виброползучести для исследуемых грунтов, вычислялись по следующей зависимости:

где Δεс и Δεg — приращения деформации от статического и динамического нагружения в заданном диапазоне напряжений, д.е.; Модуль деформации грунта с учётом деформации виброползучести можно определять по формуле: Eвп = Kвп ×Eс , где Eвп = σz β/(εс + εв) ; Ес = (σz/ εс)∙β; Ec – модуль деформаций по результатам статических испытаний, кПа; Eвп – скорректированное значение модуля деформации по результатам динамических вибрационных испытаний грунтов, кПа; Kвп – коэффициент виброползучести, д.е. β – безразмерный коэффициент, учитывающий отсутствие бокового расширения грунта при определении осадок, в соответствии с рекомендациями [2] принимается равным 0,8.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты динамических испытаний трех образцов, представлены на рисунках 1, 2. Кроме того, по результатам испытаний составлена сводная таблица полученных в ходе испытаний и расчетов параметров (см. табл. 1).

В таблице 1 представлены значения для трех динамических испытаний, при разных давлениях всестороннего обжатия. Первая и вторая строки соответственно приращения деформации от статического и динамического нагружения в заданном диапазоне напряжений, д.е (Δεс и Δεg), третья строка – модуль деформаций по результатам статических испытаний, кПа, четвертая – коэффициент вибропозучести, вычисленный по формуле (1), пятая — скорректированное значение модуля деформации по результатам динамических вибрационных испытаний грунтов с помощью коэффициента ползучести по формуле (2).

Табл.1. Сводная таблица результатов динамических трехосных испытаний

Ниже представлен график зависимости статического и динамического модулей деформации от давления всестороннего обжатия. На рис. 1 видно, что с увеличением давления всестороннего обжатия растет модуль деформации. Также на графике представлена зависимость динамического модуля деформации, полученная по формуле (2).

Далее представлен график зависимости вертикальной деформации от количества циклов «нагрузка – разгрузка», при трех различных значениях всестороннего давления (рис. 2).

На графике видно, что при увеличении циклов «нагрузки- разгрузки» растет вертикальная деформация, что подтверждает наличие виброползучести.

Результаты исследований показывают, что с увеличением всестороннего давления на образец грунта дополнительные деформации виброползучести уменьшаются. Это демонстрируется уменьшением крутизны графиков зависимости «вертикальная деформация – количество циклов» с увеличением величины всестороннего обжатия.

ВЫВОДЫ

Анализируя результаты проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

• с увеличением всестороннего обжатия образца грунта увеличивается модуль деформации;
• с увеличением количества циклов «нагрузка – разгрузка», при динамическом нагружении увеличивается вертикальная деформация, этот факт подтверждает, что грунт обладает виброползучестью;
• из-за ограниченного числа испытаний не удалось установить достоверные зависимости между давлением всестороннего обжатия и коэффициентом виброползучести;
• из проведенных лабораторных экспериментов видно, что модуль деформации с учетом коэффициента виброползучести уменьшается в среднем на 15%;
• полученное значение коэффициента виброползучести (Квп) и уменьшенного модуля деформации можно применить для данного типа грунта в расчетах осадок методом послойного суммирования.

Основным выводом по результатам проведенных исследований следует отметить, что существует возможность получения коэффициента вибропозучести для разных типов песчаных грунтов в табличной форме (см. табл. 1). Выполнив подобные исследования для прочих разновидностей песчаных и пылевато-глинистых грунтов можно создать табулированные значения для получения пониженного модуля деформации и как следствие упростить расчет предварительных осадок фундаментов от вибрационных и циклических нагрузок промышленных зданий и сооружений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

• СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах
• СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооруженийм
• СП 26.13330.2012 Фундаменты машин с динамическими воздействиями
• Р.Франк, К.Баудуин, Р. Дрисколл, М. Каввадас, Н. Кребес Овесен, Т. Орр, Б. Шупперн Руководство для проектировщиков к Еврокоду 7 // МГСУ. 2013. С.
• Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов М.: Издательство «Эдиториал». 264 с.
• Иванов П.Л. Разжижение песчаных грунтов. Ленинград: Госэнергоиздат. 1962. 260 с.
• Соболев Е.С. Ползучесть и виброползучесть песчаных грунтов оснований зданий и сооружений. Дисс… канд. техн. наук. Москва. 64 с.
• Тер-Мартиросян З.Г. Реологические параметры грунтов и расчёты оснований сооружений . М.: Стройиздат. 1990. 200 с.
• Тер-Мартиросян А.З. Взаимодействие фундаментов с основанием при циклических и вибрационных воздействиях с учетом реологических свойств грунтов. Дисс… канд. техн. наук. Москва. 2010. 190 с.
• Лушников В.В., Оржеховская Р.Я., Оржеховский Ю.Р. Модель упрочняющейся разномодульной грунтовой среды. Межвузовский сборник «Основания и фундаменты в геологических условиях Урала». Пермь. С. 72-78.
• Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс) / Уч. для вузов, 2-е изд. . М.: Высшая школа. 1983. 282 с.
• Ishihara K. Поведение грунтов при землетрясениях. СПб: НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект». 2006. 384 с.
• Idriss M., Seed H. B. Response of Earth Banks during earthquakes // Journal of the soil mechanics and foundations division. ASCE. 1976. №3 Vol. 93. pp. 61-82.
• Seed H. B. Consideration in the Earthquake-Resistance design of earth and rock fill dams // Geotechnique. 1979. № 3:Vol. 29. pp. 215-263.