6. Динаміка дисперсних грунтів

6.1. Загальні відомості про динамічні дії на грунт

Динамічні навантаження, що виникають при роботі неврівноважених машин, порушують коливання фундаментів, на які вони встановлені. Останні у свою чергу стають джерелами струсів, які розповсюджуючись на значні відстані крізь ґрунт, передаються навколишнім будівлям і спорудам. Коливання фундаментів машин можуть робити шкідливий вплив на роботу самих машин, на здійснювані з їх допомогою технологічні процеси і на організм обслуговуючого персоналу. Під впливом струсів нерідко посилюється розвиток осідань будівель і споруд, а також деформація конструкцій. Тому врахування динамічних навантажень при проектуванні фунда­ментів машин в є необхідним.

Періодичні навантаження можуть бути гармонійними або полічастотними; перші вини­кають при роботі турбоагрегатів, моторгенераторів і інших машин з частинами, що обертаються, другі - при роботі машин з кривошипно-шатуними механізмами (наприклад, поршневих компресорів). Неперіодичні навантаження відносяться до розряду імпульсних, подібних виникаючим при роботі ковальських молотів, але можуть носити і складніший характер (мал. 6.1).

Рис. 6.1. Зміни неврівноважених сил інерції у часі при роботі ма­шин: а - періодичні навантаження (1 - гармонічні; 2 - полічастотні); б - неперіодичні навантаження - імпульсні (3 - прості; 4 - складні).

Сейсмічні дії. Як відомо, земна кора неоднорідна і складається зі скельних масивів, розділених тріщинами; ці масиви різні о механічних властивостях. Повільні відносні змі­щення масивів приводять до накопичення деформацій, які через нерівномірність сягають граничного стану на локальних ділянках або у вогнищах зем­летрусу. Тут відбуваються розриви земної кори; при цьому звільнюється потенційна енергія деформації, яка пере­ходить у кінетичну енергію пружних хвиль, розповсюджуючись по всій земній кулі і, що виявляються на земній поверхні у вигляді короткотермінових інтенсивних коливань званих землетрусом.

Виникаючі при землетрусі сили взаємодії між грантом, що коливається, і будовами представляють сейсмічний вплив, при якому в конст­рукції споруд з'являються інерційні зусилля («інерційні сейсмічні навантаження»); ці зусилля можуть викликати пошкодження або навіть руйнування. Для визначення сейсмічної дії у загальному випадку необхідно знати зсув, швидкість і прискорення коливального руху.

Сейсмічний ефект від вогнища землетрусу розповсюджується до споруди через його підґрунтя яке, як правило, може мати шарувату будову; наприклад, шар, на якому зводиться споруда, що стискається, підстилає нестискаємою скельною породою. На розповсюдження зсувів і прискорень на поверхні шару істотно впливає не тільки товщина шару, але також і нахил скельного фундаменту, що підстилає шар, що стискається. Наявність шару, що стискається, може як збільшувати, так і знижувати максимальні прискорення, які підходять до даної крапки по скельному підґрунті. Таким чином сейсмостій­кість може підвищуватися за рахунок вдалого використовування інже­нерно-геологічних умов даного району, що дає мож­ливість уникнути додаткових витрат при будівництві в цьому районі.

Розрахунок споруд на сейсмічну дію у випадку, коли коливання підґрунтя споруди задані акселерограмою землетрусу, представляють відомі труднощі, унаслідок чого по діючих нормах інтенсивність цих коливань характеризується так званим коефіцієнтом сейсмічності - відношення величини сейсмічного прискорення до прискорення сили тяжіння.

Динамічні властивості підґрунть споруд можуть ока­зувати істотний вплив на величину сейсмічної дії. Ці властивості враховують при мікросейсмічному районуванні забудовуваних територій з урахуванням капітальних інженерних споруд. Слід мати на увазі, що сейсмічні коливання можуть викликати втрати динамічної стійкості структури водонасичених ґрунтів і їх перехід у розріджений стан на обширних масивах, що завжди має катастрофічні наслідки для розташованих на них будівель і споруд.

Струси ґрунту, обумовлені рухом транспорту, у порівнянні із землетрусами, є вельми слабкими. Проте унаслідок тривалості дії вони можуть викликати осідання підґрунть і вібротекучість дисперсних ґрунтів, оскільки при тривалій дії і зростанні прискорення коливань опір зсуву дисперс­них ґрунтів, особливо незв'язних, значно зменшується, а зміна коефіцієнта пористості ґрунтів із зростанням коливань збільшується, обумовлюючи вибро­ущільнення ґрунтів.

Дія вибуху викликає в ґрунтах цілий ряд швидкотривалих механічних процесів: виникнення вибухової газової камери у вельми короткі проміжки часу (іноді в тисячні частки секунди), тиснучої на оточуючий її ґрунт з величезною силою (порядку сотень тисяч атмосфер), обумовлює зародження і рух вибухових хвиль, що змінюють у часі напружений стан масиву ґрунту і рух частинок його з швидкістю, змінною від декількох тисяч метрів у секунду до нуля.

Вибухові імпульси характеризуються величиною максимального тиску, часом його зростання, часом спаду до нуля і сумарним часом дії вибуху. У ґрунті при вибуху заглиблених зосереджених зарядів ВВ (вибухових речовин) виникають газові камери (порожнини). З часом газо­ва камера (порожнина в ґрунті) руйнується, але час руйнування мо­же бути вельми різним - від декількох хвилин (у пісках) до декількох місяців (у щільних глинах). При вибухах зосереджених зарядів в ґрунті виникають: нор­мальний (радіальний) тиск р, бічний (тангенціальний) тиск рх і рух частинок з швидкістю і. Визначення параметрів хвиль напруг в ґрунтах при вибухах і параметрів швидкостей їх розповсюдження проводиться шляхом проведення спеціальних польових випробувань. За наслідками встановлюють емпіричні формули для визначення параметрів вибухових хвиль в ґрунтах залежно від маси заряду, відстані до пункту вибуху і т.п.

Динамічні властивості ґрунтів залежать від виду динамічних дій; при дослідженні їх застосовують різні методи: вібраційні, сейсмічні і при інтенсивних діях (вибухах і ін.) дослідження напружено-деформованого стану при розподілі виникаючих при цих діях в ґрунтах хвиль напруг.

Основними характеристиками динамічних властивостей ґрунтів є: характеристики пружних і поглинаючих властивостей при динамічних навантаженнях малої інтенсивності (не перевищуючих межі пружності) - модуль пружності, коефіцієнт Пуассона, коефіцієнт загасання коливань, а також інші, еквівалентні їм дина­мічні характеристики, наприклад, швидкість розповсюдження і коефіцієнт поглинання пружних хвиль;

узагальнені коефіцієнти жорсткості підґрунть при рівномір­ному і нерівномірному стисненні, рівномірному і нерівномірному зсуві і відповідні коефіцієнти загасання, що використовуються у розрахунках коливань жорстких масивних фундаментів на пружних підґрунтях;

характеристики стисливості ґрунтів при динамічних навантаженнях значної інтенсивності (перевищуючих межу пружності) - діаграми «напруга - деформація», модулі деформації при навантаженні і розвантаженні;

динамічні характеристики опірності деформаціям фор­мозмінення (зсуву) і граничного стану (міцності) ґрунтів, а також оцінка стійкості їх структури при переході у розріджений стан.