3.7 Динамическая устойчивость водонасыщенных грунтовых массивов намытых территорий при сейсмических воздействиях

Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. (КГАСУ, г. Казань, РФ)

На территории города Казани прогнозируются землетрясения с интенсивностью до 7,0 баллов по шкале MSK 64 с ускорением 143 см/сек². Площадка строительства сложена водонасыщенными песками на глубину до 12 м. На основании результатов лабораторных динамических исследований грунтов при сценарных землетрясениях проведена оценка виброразжижаемости водонасыщенных песчаных грунтов основания.

The territory of Kazan is possible seismoactive. Earthquake will be intensity 7 point. It is necessary score vibrodilution stability.

Ground of base are water-saturated sands to a depth of 12 m. The score of seismoactive is implementing for f scale MSK 64 with acceleration 143 sm/s².

Analis of design, geology and results of experimental researches show, that ground basis are not vibrodilution.

Строительство Куйбышевского водохранилища привело к поднятию уровня грунтовых вод и подтоплению ряда территорий города Казани, в том числе правобережья реки Казанка.

В 80-х годах прошлого столетия территория правого берега реки Казанка была намыта песчаными грунтами, мощность которых составляет от 3 до 12 метров, в результате чего погребенными оказались слои слабых водонасыщенных заторфованных грунтов. Эти техногенные грунты стали основанием фундаментов самого молодого и крупного района города – Ново-Савиновского.

Поднятие уровня грунтовых вод и наличие тектонических разломов спровоцировали увеличение уровня сейсмической активности территории г. Казани. В соответствии с новой картой сейсмического районирования ОСР-97 на территории г. Казани прогнозируются землетрясения с интенсивностью 7 баллов на средних грунтах, и как результат, требуется применение антисейсмического усиления при проектировании и возведении сооружений, а также оценка динамических свойств грунтов оснований при изысканиях.

В соответствии с концепцией проведения Универсиады – 2013 планируется размещение объектов вдоль большого Казанского кольца, в том числе на правом берегу реки Казанка.

Указанная территория сложена водонасыщенными песками на глубину до 12 метров, которые могут быть чувствительными к сейсмическим воздействиям, проявляя разжижаемость или тиксотропные свойства. Наличие таких грунтов может также обусловить необходимость повышения сейсмической бальности отдельных площадок размещения сооружений по результатам сейсмического микрорайонирования.

Результаты работ по сейсмическому микрорайонированию площадки строительства [3] показывают, что сейсмическая активность площадки при данных грунтах основания оценивается как 7,0 баллов по шкале MSK 64 с ускорением = 143 см/сек² при коротких и средних периодах колебаний (рисунок 1).

Для исследования динамической устойчивости слоя водонасыщенных песков с позиции оценки возможности их разжижения при сейсмических воздействиях, соответствующих проектной сейсмической активности площадки, выполнены лабораторные исследования.

При моделировании условий, в которых находится грунт при сейсмическом воздействии, перед циклическим нагружением проводится расчет ожидаемой сейсмической нагрузки. Используется методика определения ее величины, предложенная Г.Б. Сидом и И. Идрисом [2, 5]. В соответствии с этой уже ставшей общепринятой методикой сейсмическую нагрузку принято характеризовать величиной приведенных циклических напряжений сдвига (CSR) при землетрясении заданной повторяемости:

,

(1)

где – среднее значение ожидаемых циклических напряжений сдвига при данной магнитуде;

– вертикальное обжимающее напряжение.

Рисунок 1 - Расчетные акселерограммы землетрясения

(М=5,0, R=55 км) и его спектры реакции

Рисунок 2: а) Напряженное состояние грунта в полевых условиях во время землетрясения;

б) Нерегулярный характер изменения сдвиговых напряжений при землетрясении

Реальное динамическое нагружение грунта при землетрясении носит случайный характер (рисунок 2), и в практических расчетах приводится к эквивалентному в силовом отношении регулярному (обычно синусоидальному) закону.

Изменение во времени касательных напряжений, вызванных вертикальным прохождением сейсмических сдвиговых волн через массив грунта с ровной поверхностью, будет непериодическим и разнонаправленным при рассмотрении в горизонтальной плоскости. Для количественной оценки характеристик разжижения слоев водонасыщенных песков в сложных условиях нагружения, как правило, вводится несколько поправочных коэффициентов для циклической прочности, полученной при регулярном циклическом нагружении ( и ) [2, 5].

Таким образом, в практических расчетах для оценки потенциала разжижения водонасыщенного песчаного грунта средние значения сдвиговых напряжений, вызванных землетрясением на глубине , определяется из выражения:

.

(2)

Величина принимается согласно акселерограммы землетрясения по пиковым горизонтальным ускорениям для горизонтальных составляющих колебаний [3].

Пиковые вертикальные ускорения при сценарном землетрясении значительно меньше горизонтальных составляющих и могут не приниматься во внимание при оценке разжижаемости грунтов [3] .

Количество циклов нагружения в лабораторном эксперименте, моделирующем сейсмическое воздействие, зависит от длительности землетрясения, а следовательно, от магнитуды землетрясения и представлено в [1, 2, 4, 5]. Описанный выше расчет дает максимальную величину ожидаемых циклических напряжений сдвига при землетрясении , которая при проведении трехосных динамических испытаний соответствует половине осевой динамической нагрузки.

Лабораторные исследования водонасыщенных песчаных грунтов проведены на стабилометре СТП-76/38, входящем в состав измерительно-вычис-лительного комплекса АСИС, модернизированном для проведения испытаний в условиях трехосного циклического нагружения по специально разработанной методике, предусматривающей наложение на статическое напряженное состояние образцов грунтов динамических напряжений, амплитуда, частота и продолжительность действия которых эквивалентны расчетному сценарному сейсмическому воздействию. Испытания проведены в соответствии с методикой ГОСТ 12248-2010 по недренированной схеме с контролем напряжений, порового давления, вертикальных и радиальных деформаций.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить закономерности развития деформаций при эквивалентном циклическом нагружении и характер усталостного разрушения образцов.

Характер изменения деформаций при эквивалентных циклических нагружениях представлен на рисунке 3. На графиках наглядно показано нарастание деформаций при циклических нагружениях при постоянных значениях максимальной вертикальной нагрузки .

Рисунок 3: а) График зависимости изменения линейных деформаций от роста величины вертикальных напряжений после 30 циклов при режиме циклического нагружения, эквивалентном расчетному сценарному землетрясению с интенсивностью 7,0 баллов; б) График зависимости изменения линейных деформаций от роста величины вертикальных напряжений при разрушении (более 30 циклов) при режиме циклического нагружения, эквивалентном расчетному сценарному землетрясению с интенсивностью более 7,0 баллов; в и г) Внешний вид образца грунта после испытания

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что при циклическом трехосном сжатии образцов песчаного водонасыщенного грунта при параметрах, эквивалентных сейсмическому нагружению с интенсивностью 7,0 баллов, происходит развитие деформаций с различной интенсивностью. На начальном этапе развитие деформаций происходит интенсивно за счет доуплотнения образца, затем деформации стабилизируются.

Называть критерий разжижения в виде некоторого числового параметра не представляется возможным. В связи с этим используется инженерный метод оценки разжижаемости.

Механизм начала разжижения водонасыщенного песчаного грунта определяется по поведению стандартного образца грунта, к которому в приборе трехосного сжатия прикладывается циклические напряжения с постоянной амплитудой колебаний в недренированных условиях до возникновения определенной осевой деформации.

Согласно типичным результатам циклического трехосного испытания [1, 2, 4, 5], при приложении циклического осевого напряжения давление поровой воды постоянно увеличивается и достигает величины, равной начальному обжимающему давлению. Это приводит к развитию осевой деформации около 5%. Такое состояние можно назвать начальным разжижением или просто разжижением.

Следовательно, возникновение 5% осевой деформации при трехосном циклическом нагружении может служить критерием для определения состояния циклического разуплотнения или разжижения водонасыщенных песчаных грунтов.

В результате исследований Л.Р. Ставницера [4] установлено, что основной величиной, характеризующей разжижение водонасыщенных песчаных грунтов, является коэффициент порового давления .

Критерием разжижения является условие ; если , сопротивление разжижению обеспечено.

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что осевые деформации грунта на стадии уплотнения уменьшаются по мере увеличения количества циклов нагружения. Если в какой-то момент времени начинается обратное увеличение деформаций (т.е. увеличение ширины петли гистерезиса), то этот момент условно можно принимать за начало процесса разжижения, т.е. , хотя при этом предельное сопротивление не достигнуто.

Если , то сопротивление разжижению обеспечено, т.е.

Во всех образцах, испытанных при режиме циклического нагружения, эквивалентном расчетному сценарному землетрясению с интенсивностью 7,0 баллов, величина осевых деформаций не превышает 3,5 мм (4,6%) (рисунок 3а), коэффициент порового давления 0,3, отношение . В процессе испытаний не установлены внешние признаки достижения предельного сопротивления (образование бочки и наклонной плоскости сдвига).

При испытании образцов на циклическое нагружение с величинами параметров заведомо больше заданного расчетного землетрясения с интенсивностью 7,0 баллов (рисунок 3б) развитие деформаций происходит с различной интенсивностью в зависимости от величины динамических напряжений . На начальном этапе происходит интенсивное развитие деформаций за счет доуплотнения грунта, затем происходит замедление и стабилизация деформаций. В дальнейшем, если достигается предел сопротивления разжижению, начинается разуплотнение грунта и, как следствие, происходит обратное увеличение величины деформаций за цикл нагружения.

Результаты испытания второй серии образцов показывают, что начальное виброразжижение начинается при высоких значениях динамических напряжений, превышающих значения динамических напряжений, соответствующих расчетным сценарным землетрясениям с интенсивностью 7,0 баллов от 3,0 до 5,7 раза.

Заключение

Проведенные лабораторные исследования динамической устойчивости виброразжижению водонасыщенных песчаных грунтов оснований показывают, что при прогнозных землетрясениях с интенсивностью 7,0 баллов по шкале МСК 64 грунты рассмотренной площадки являются динамически устойчивыми.