CC BY
33
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГЛОЩАЮЩИХ СВОЙСТВ ПЕСКА ДЛЯ РАСЧЕТОВ СООРУЖЕНИЙ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Дьяконов П.Ю.
нииэс
Строительство сооружений в сейсмических районах, необходимость учета динамических воздействий, вызываемых работой промышленного оборудования и транспортными средствами, проектирование и рациональное использование виброуплот-няющих строительных машин требуют знания упругих и поглощающих свойств грунта. Например, в СНиП II-7-81* [5] определение сейсмической нагрузки производится по известной формуле: S j = K1 К2 Qk А рi Kv ц^. Здесь р,- коэффициент динамичности определен из условия, что затухание колебаний сооружений равно примерно 0,1. Однако указанное затухание справедливо только для бетонных гравитационных плотин арочного типа. Для плотин других типов и из других материалов величина затухания может быть значительно большей [2]. Поэтому в СНиП [4] для разных типов грунтов рекомендуются свои кривые.
Из работы [1] известна зависимость для определения коэффициента pi (Ti) = , которая для случая совпадения частот собственных и вынужденных колебаний То = Ti принимает вид: pi (Ti) = = 0,798Х-1 (где: 5 - логарифмический декремент и X - затухание колебаний). По СНиП [4], например, для грунтов III
категории имеем pi(Ti) = 2,0, откуда при X ~ [0,798/ р t (Т,-) ]2 получаем: 5 = 2%к 1,0 = const. Отсюда можно сделать вывод, что поглощающие свойства грунтов не зависят от внешних воздействий.
Однако в литературе приводятся данные о зависимости коэффициента поглощения, как грунтов, так и конструкционных материалов от различных факторов динамического воздействия. Эти факторы объединены в три группы по степени важности [6]. К очень важным, применительно к чистым пескам и связным грунтам, относят: амплитуду деформаций, эффективные средние напряжения, коэффициент пористости, количество циклов воздействия. К менее важным: для песка - уровень напряженного состояния, степень водонасыщения; для связных грунтов - степень консолидации, уровень напряженного состояния частоту воздействия, тиксотропные свойства. К относительно неважным, исключающих воздействие на другие параметры, для обоих видов грунта относят их гранулометрический состав, структуру, минералогический состав, а также объем и форму образцов.
Исследования отечественных и зарубежных авторов показывают, что с ростом амплитуды сдвиговых деформаций величина коэффициента поглощения колебаний у возрастает. Это возрастание обусловлено, вероятно, накоплением остаточных деформаций. Увеличение эффективных средних напряжений приводит к уменьшению коэффициента у. Литературные данные не позволяют судить о величине и характере этого убывания. Они получены либо в очень узком диапазоне изменения средних напряжений (от 0 до 0,1 МПа), либо носят отрывочный характер (т.е. получены для разных грунтов, на разных экспериментальных установках, при разных условиях испытаний). С ростом плотности грунта и увеличением числа циклов воздействия коэффи-
1/2009 ВЕСТНИК
циент у убывает, а при 1000 и более циклов принимает постоянное значение. Исследования чистого сухого песка и связного грунта проведенные при четырех значениях касательных напряжений и постоянном гидростатическом обжатии показали отсутствие влияния уровня напряженного состояния на величину у. В диапазоне частот от 1 до 50 Гц поглощение не зависит от частоты воздействия. Влажность песка незначительно влияет на величину коэффициента поглощения. На примере конструкционных материалов показано отсутствие влияния формы и объема образца на численные значения коэффициента у.
Автором проведены исследования поглощающих свойств песка на экспериментальной установке представляющей собой стабилометр с возможностью приложения циклических колебаний, регулированием и измерением статических и циклических напряжений, главных деформаций и их амплитуд. Независимое гидростатическое обжатие образца создавалось сжатым воздухом, что позволило разместить в камере прибора тензорезисторные датчики и исключало влияние присоединенной массы, которое возникало бы при заполнении камеры жидкостью. Осевое давление задавалось воздухом через заполненные жидкостью сильфоны, что обеспечивало необходимую при циклических воздействиях жесткость нагружающей системы. Осевые гармонические синусоидальные колебания задавались вибростендом. Главные напряжения и деформации в образце, а так же их амплитуды гармонических синусоидальных колебаний, измерялись тензорезисторными датчиками, и регистрировались параллельно на осциллограф Н-117/1 и быстродействующий графопостроитель Н-306. Испытывались песчаные образцы плотностью рл = 1,68 г/см3 (относительная плотность 1=0,75), влажностью W=0,10, высотою 116 мм и диаметром 62 мм, при частоте воздействия 5 Гц. Петли гистерезиса, регистрируемые графопостроителем, имели каплевидную форму, которая могла быть обусловлена погрешностями, вносимыми экспериментальной установкой. Для проверки этого предположения проведены испытания, в которых песчаный образец заменялся резиновым, и получены петли гистерезиса овои-дальной формы, напоминающие ромб. При увеличении частоты колебаний, малая диагональ ромба увеличивалась. Отсюда можно сделать вывод, что каплевидная форма петли гистерезиса является свойством песка.
Испытания проведены в условиях сложного напряженного состояния при пяти гидростатических обжатиях о0 равных 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8МПа и постоянном уровне напряжений К=а7аг*=0,4, с предварительным нагружением по траектории «раздавливания» до уровня Я=^/о,*=0,6. Здесь: о1 и q - достигнутые и о,*- предельные напряжения, на данном уровне напряженного состояния при постоянном гидростатическом обжатии 0О, принятом для данной серии опытов. Амплитуда напряжений о1а при всех обжатиях была примерно одинаковой и достаточно малой, не допускающей развития пластических деформаций. По результатам исследований, представляющих собой серию петель гистерезиса, подсчитаны коэффициенты поглощения колебаний и построена зависимость их изменения с увеличением гидростатического обжатия. Поскольку форма петель имела каплевидную форму, вычисление значения коэффициента у было возможно только по способу, вытекающему из определения физического понятия коэффициента поглощения. Т.е. как отношение площади петли гистерезиса, характеризующей внутреннее трение в грунте, к полной энергии за один цикл упругого колебания, равной площади треугольника со сторонами соответствующими амплитудам воздействия (о1а и е1а) [3]. С ростом гидростатического обжатия коэффициент поглощения убывает от 4,5 при ос = 0,1 МПа до 1,6 при ос = 0,6 МПа.
Для получения кривых коэффициента динамичности с учетом изменения логарифмического декремента колебаний 5= у /2 выполнены расчеты по программе «Спектр». Эта программа предназначена для получения спектров ответа ускорений одномассовой упругой невесомой консольной балки, несущей груз Qj массой mj в верхней точке балки xj, заделанной в основании и подчиняющейся закону Гука. К основанию прикладывается сейсмическое воздействие, заданное в виде синтезированной аналоговой акселерограммы. Расчеты показали, что при убывании декремента колебаний от 2,25 до 1,46 расчетные кривые коэффициента динамичности % лежат ниже аналогичной кривой рекомендованной СНиП [4] для грунтов III категории, а величина максимума % не превышает 1,5.
Из изложенного видно, что современная редакция СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» недостаточно дифференцирует величину расчетной сейсмической нагрузки в зависимости от грунтовых условий.
Величина коэффициента динамичности % для песчаных грунтов может быть снижена.
Определение численных значений коэффициента динамичности % следует проводить с учетом реальных поглощающих свойств грунтов.
Для определения поглощающих свойств грунтов необходимо разработать унифицированные приборы и методики, которые позволяли бы получать достоверные данные, удовлетворяющие потребности практики расчетов сооружений на сейсмические воздействия.
Литература
1. Напетваридзе Ш.Г. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений. М., Госстройиздат,
1959,
2.Натариус ЯП. Некоторые вопросы применения динамической (спектральной) теории для расчета плотин бетонных гравитационных и из грунтовых материалов на сейсмическое воздействие. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. 1974.
3.Ржаницын А.Р.Теория ползучести. М., Стройиздат, 1968.
4.СНиП II-7-81. Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования. М., Стройиздат, 1982.
5. СНиП II-7-81*.. Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования. Госстрой России, М., 2001.
6.Hardin B.O. and Dmevich V.P. Shear modulus and damping in soil measurement and parameter effects. Proc. ASCE, vol.99, NSM 6, 1972, pp. 603-624.
Ключевые слова: декремент колебаний; коэффициент динамичности; петля гистерезиса; поглощающие свойства грунтов; сейсмическое воздействие.
Рецензент: Потапов А.Д., доктор технических наук, профессор, академик РАЕН.
