CC BY
50
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА НА ПЛОЩАДКАХ, РАСПОЛОЖЕННЫХ ВБЛИЗИ ТРАНСПОРТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ
В.Г. Козьмодемьянский, Д.В. Щерба, А.В. Гинзбург, Р.Р. Бахронов
ГАСИС
В больших городах во многих случаях из-за недостатка свободных площадей строительство жилых и общественных зданий производится вблизи линий метрополитена, железных дорог и больших автомагистралей. Такие здания, как правило, испытывают повышенное вибрационное воздействие, и в соответствии с требованиями строительных и санитарных норм должны быть защищены от проникающих вибраций.
Автомагистрали, железнодорожные пути и линии метрополитена являются одними из основных источников вибраций зданий и сооружений, расположенных в черте городской застройки.
Во многих случаях эти колебания значительно превышают допустимые с точки зрения физиологического воздействия на людей и нормальной работы высокоточного оборудования.
Для некоторых типов зданий, особенно старой постройки, расположенных вблизи транспортных магистралей, колебания, возбуждаемые при движении большегрузных автомобилей или товарных составов, могут влиять на прочность и деформативность конструкций, провоцируя появление и развитие трещин в несущих и ограждающих конструкциях.
Это связано, главным образом, с медленно затухающими осадками на слабых водо-насыщенных грунтах при постоянном действии довольно значительных вибраций. Такая картина наблюдается, в частности, в зданиях, расположенных вблизи Окружной железной дороги (ОЖД).
В 1975-1990 гг. кафедрой «Техническая эксплуатация зданий» МГСУ и институтом МОСЖИЛНИИПРОЕКТ были проанализированы данные технических отчетов по обследованию более 1000 зданий постройки 1900-1970 гг., расположенных в различных округах г. Москвы вблизи автомобильных магистралей. Оценивалось наличие дефектов: появление трещин, сколов, разрушение защитного слоя бетона и т. п. в стенах, перекрытиях, фундаментах. Анализ существующих колебаний не проводился.
В различных округах разрушение фундаментов и подземных стен составили соответственно 15-20% и 50-80%, что существенно выше, чем в аналогичных зданиях, расположенных внутри кварталов.
Реакция здания и его элементов зависят не только от уровня и спектрального состава колебаний, передающихся через грунт, но и от динамических характеристик несущих и ограждающих конструкций, главным образом частот собственных горизонтальных колебаний зданий и вертикальных колебаний элементов перекрытий, вида грунта и др. К настоящему времени проведено значительное число обследований колебаний зданий, расположенных вблизи транспортных магистралей. Определялись уровни и характер колебаний поверхности грунта и строительных конструкций. Фиксировались повреждения конструкций и оценивался их характер.
Однако большинство из этих исследований относятся к конкретным объектам и не ставили цель - дать общие рекомендации по прогнозу колебаний и их возможных последствиях.
3/2009 ВЕСТНИК
Исключение составляют достаточно многочисленные исследования колебаний поверхности грунта и зданий, расположенных вблизи линий метрополитена. Эти обследования проводились, как правило, в рамках решения актуальной и важной инженерной проблемы - виброзащиты зданий от воздействий, возбуждаемых поездами метро. Организациями, имеющими большой опыт создания и устройства систем виброзащиты, являются ЦНИИСК им.Кучеренко и НТЦ Вибросейсмозащита.
При оценке уровня колебаний зданий, расположенных вблизи магистралей, степени и характера повреждений должен учитываться полный перечень факторов, а именно: вид транспортных средств, частотный спектр возбуждаемых колебаний, тип грунта, расстояние до магистрали, конструктивные особенности зданий и их частотные характеристики.
Важность и актуальность общей проблемы - изучение влияния вибраций от транспортных средств на основания, здания и сооружения. Правильная оценка и учет возможного влияния вибраций может избавить от многих нежелательных ситуаций и дать значительный экономический эффект при освоении городских территорий вблизи магистралей с интенсивным движением.
Остановимся на некоторых особенностях вибрации поверхности грунта и конструкции зданий, характерных для отдельных видов транспортных средств. Предварительно остановимся на общих задачах инструментальных обследований колебаний, типов виброизмерительной аппаратуры и основных зависимостях, позволяющих оценивать уровни колебаний на различных расстояниях от источников.
Характер и уровни колебаний, возбуждаемых при движении автомобильного транспорта связано с двумя факторами - с кратковременным воздействием близким к ударному, при прохождении колеса через препятствие и с воздействиями близкими к гармоническим, связанными с собственными колебаниями автомобилей.
Достаточно четко такой характер воздействий был выявлен в аэропорту Домодедово при инструментальном обследовании колебаний перекрытий над подземными помещениями с шагом колонн в среднем около 15 м при проезде пассажирских автобусов и маршрутных такси. Были зарегистрированы колебания с частотами около 6 Гц и 9 Гц.
Первые собственные частоты колебаний перекрытий составляли 6 Гц. Такие низкие значения частот связаны, в том числе, с наличием продольных трещин в верхних зонах плит на уровне колонн.
Как уже отмечалось нет достаточно общей схемы обследований уровней колебаний площадок, которая учитывала бы большинство из указанных выше факторов. Поэтому далее мы приведем результаты отдельных обследований, которые содержат, главным образом значения преобладающих частот и уровни колебаний, по результатам нескольких инструментальных обследований площадок, предназначенных для строительства, можно выделить характерные параметры колебаний поверхности грунта. Главным образом, это относится к частотам вынужденных колебаний, поскольку значения уровней колебаний зависит от многих факторов, в том числе, вида грунта, конструкции покрытия дороги, расстояния до проездной части. Практически при всех обследованиях влияние указанных факторов не оценивалось.
По видимому наиболее полная информация по результатам обследования содержится в отчете лаборатории динамики ЦНИИСК им Кучеренко. Площадка для строительства многоцелевого комплекса находится на Автозаводской ул. (вл. 14-16) напротив завода ЗИЛ (Третье транспортное кольцо).
Обследование проводилось в период времени от 12 часов до 16.30. Была сделана 31 запись, каждая продолжительностью от 5 до 15 мин. Регистрация колебаний проводи-
лась с помощью виброизмерительного комплекса «Октава» 101-ВМ». Датчики устанавливались на расстоянии 5 и 17 м от проезжей части и в котловане на глубине около 5 м примерно на расстоянии 30-35 м по горизонтали от проезжей части.
Анализ результатов исследований показал, что наиболее высокий уровень вертикальных колебаний был зарегистрирован в октавной полосе 31.5 Гц. Следует отметить также незначительное снижение уровня вертикальных колебаний в котловане по сравнению с уровнем колебаний на поверхности. Уровень горизонтальных колебаний существенно ниже. Подобный характер колебаний с наибольшими амплитудами и в октав-ных полосах 16; 31,5; 63 Гц был зарегистрирован также в Протопоповском пер.
Максимальные значения ускорений колебаний грунта при обследовании площадки вблизи Садового кольца (пр. Мира, д. 5, стр. 4) были зарегистрированы в октавных полосах 8 и 16 Гц и соответственно составили 82,1 дБ (1,3 см/с2) и 79,1 (0,9 см/с2). На Космо-дамианской наб. в районе Дома Музыки при движении грузового транспорта ?0,4 см/с2 при вертикальных колебаниях и около 0,8 см/с2 при горизонтальных на частоте 12,5 Гц.
При движении трамваев по Протопоповскому пер. уровень вертикальных колебаний (ускорений) в полосах среднегеометрическими значениями частот 31,5; 63 Гц составили соответственно 4,3 см/с2 и 3,5 см/с2, горизонтальных 2,0 см/с2 и 1,3 см/с2 соответственно в поясах 31,5 Гц и 16 Гц. Близкие значения уровней колебаний были получены на площадке строящейся Мечети на углу улиц Дурова и Щепкина.
Общий характер динамических воздействий от железнодорожного транспорта по общему характеру близок к воздействиям при движении автомобильного транспорта. Колебания, передающиеся через грунт, возбуждаются как при колебании дорожного полотна, связанного с прохождением колесных пар через стыки, так и в результате колебаний самих вагонов. При прохождении составов регистрируются как высокочастотные составляющие, так и колебания типа биений с частотами близкими к частотам собственных колебаний вагонов.
Обобщая результаты 5-ти обследований колебаний грунтов на площадках, расположенных вблизи железных дорог - на ул. Кульнева 1993 г. (отв. исп. М. А. Дашевский), на грунте и фундаментной плите строящегося торгового центра в г. Обнинске в 2008 г.; вблизи станции Петровско -Разумовская (в 1996 - 1998 гг.) в районе Окружного проезда 1999 г. следует отметить.
Характер и уровень колебаний площадок существенно зависят от видов составов (электрички, товарные и пассажирские поезда), их скорости и массы вагонов с грузами, которые и определяют частоты собственных колебаний.
К сожалению, как и при обследованиях площадок вблизи автомобильных магистралей, не указывалось и не анализировалось влияние грунтовых условий и уровней магистралей относительно площадок.
Приведем достаточно общие выводы, касающиеся, главным образом, характера колебаний, возбуждаемых при движении различных видов составов.
Преобладающие частоты колебаний, возбуждаемые при движении товарных поездов и электричек 5-10 Гц и 10-14 Гц при прохождении пассажирских поездов и до 16 Гц при прохождении экспрессов.
Наибольшие зарегистрированные при обследовании уровни вертикальных колебаний на грунте вблизи железнодорожных путей, на фундаментах и фундаментной плите зданий ориентировочно составляет «0,10-0,15 см/с2 при прохождении скорого поезда и электричек при преобладающих частотах соответственно 6,3 и 8 Гц (г. Обнинск).
При прохождении железнодорожных составов по окружной железной дороге в районе ул. Кульнева и Окружного проезда максимальные зарегистрированные уровни уско-
3/2009 ВЕСТНИК
рений вертикальных колебаний на расстояниях 12-16 м от полотна составили до 14-16 см/с2 при частотах 8-9 Гц.
В зданиях на Окружном проезде наблюдались слабые незатухающие осадки.
Динамические воздействия, возбуждаемые при движении поездов метрополитена и определяемые взаимодействием состава и пути, трансформируются, проходя через отделку тоннеля и толщу грунта на поверхность.
Записи колебаний тоннеля в створе разомкнутого и сплошного стыков показали, что основным видом динамического воздействия является удар при прохождении стыка колесом. Возникающие при этом собственные колебания тоннельной обделки затухают к моменту прохода через стык второго класса тележки. На это воздействие накладывается вибрационный фон, возникающий при качении по рельсу некруглого колеса. Основным с точки зрения реакции поверхности грунта является ударный характер воздействия на путь на фоне поличастотного воздействия с максимумом в зоне частот 25-30 Гц, преобладающей частотой в спектре излучения будет первая частота колебаний верхнего строения пути (ВСП).
Возмущения на этой частоте усиливаются, если она близка к частоте собственных колебаний обделки. Таким образом, преобладающие частоты колебаний поверхности грунта, главным образом, определяются частотой собственных колебаний обделки. В результате преобладающие частоты, передающиеся на поверхность грунта могут составлять от 20 - 30 Гц на краснопресненской линии до 55-70 Гц на Люблинской линии.
Выводы.
При движении железнодорожных составов, особенно тяжелых товарных, уровень колебаний достаточно высок. Эти колебания могут провоцировать дополнительные осадки зданий, находящихся на расстояниях до 100 м. Возможно возбуждение в околорезонансных режимах горизонтальных колебаний зданий и вертикальных колебаний перекрытий пролетом более 7-8 м (при собственных частотах 8-14 Гц), а также стандартных перекрытий в жилых зданиях с частотами 15-25 Гц.
На площадках, расположенных над линиями метрополитена при преобладающих частотах в полосах16 и 31.5 Гц уровни как вертикальны, так и горизонтальных колебаний могут быть весьма значительными, провоцируя развитие незатухающих или слабозатухающих осадок.
В этом же диапазоне частот могут возбуждаться резонансные или околорезонансные колебания перекрытий с типовыми для жилых зданий пролетами перекрытий с пролетами до 5м и собственными частотами 20-25 Гц и выше.
Список литературы
1. Дашевский М. А., Миронов Е. М. Защита окружающей среды от динамического воздействия поездов метрополитена// Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2000. №4. -С.36-39.
2. Инструкция по расчету несущих конструкций промышленных зданий и сооружений на динамические нагрузки. М.: Стройиздат, 1970.
3. Красников Н.Д. Динамические свойства грунтов и методы их определения. Л.: Стройиз-дат, 1970.
4. Пятецкий В.М., Александров Б.К., Савинов О.А. Современные фундаменты машин и их автоматизированное проектирование. - М: Стройиздат. 1993.
5. Рекомендации по определению устойчивости структуры и уплотняемости несвязных грунтов при динамических деформациях одноосного сжатия. Л.: ВНИИГ, 1978.
6. Чернов Ю. Т. Вибрации строительных конструкций - М.: Изд-во АСВ, 2006.
Рецензент: профессор, д.т.н. М.Ю. Абелев
