Источники колебаний грунта. Основными источниками колебаний являются: работа стационарно установленных неуравновешенных машин и механизмов, движение различных видов транспорта, механизированное выполнение строительных работ, взрывные работы, сейсмические воздействия, порывы ветра, удары волн.
Большая часть источников колебаний характеризуется ударным воздействием. Одиночный ударный импульс вызывает свободные колебания системы «грунт–сооружение», периодические импульсы – вынужденные колебания. По мере распространения колебаний в грунте происходит их затухание, которое принято оценивать коэффициентом относительного демпфирования.
Характер и интенсивность колебаний при движении транспорта зависит от состояния дорожного покрытия или рельсового пути.
Значительные колебания возникают в грунте при выполнении строительных работ (забивка свай, шпунта, применение шар- или клин-молота для разработки мерзлого грунта или разрушения старых фундаментов). Такие колебания не только неприятны для проживающих в соседних домах, но могут приводить к дополнительной осадке зданий, в результате чего в конструкциях появляются трещины, происходят вывалы кирпичей, перемычек и сборных элементов, имеющих малую глубину опор. обычно допускается забивать сваи не ближе 20 м от существующих зданий.
Наибольшую, а главное постоянную, неприятность доставляет работа неуравновешенных машин и механизмов, которые передают колебания через грунт на значительные расстояния. Такая вибрационная нагрузка даже сравнительно небольшой интенсивности иногда может вызвать значительные колебания отдельных конструкций и даже всего сооружения. Это объясняется возникновением явления резонанса при совпадении частоты возмущающей силы с частотой собственных колебаний этих конструкций или всего сооружения.
Явления, происходящие в грунте при динамических воздействиях. Известно, что наличие в любой сплошной среде источника колебаний вызывает возникновение вокруг него продольных и поперечных волн. Строителей эти волны интересуют, в частности, в отношении их распространения в грунтовой среде.
В пределах массива грунта и скальных пород импульсный источник колебаний вызывает возникновение продольных волн (сжатия и растяжения), создающих колебания частиц среды в направлении распространения волн и поперечных волн, или волн сдвига, создающих колебания частиц среды в направлении, перпендикулярном направлению распространения волн. Кроме того, возникают поверхностные волны, перемещающиеся параллельно поверхности земли преимущественно в поверхностном слое. Такие волны иногда называют волнами Рэлея. Следовательно, в качестве одного из явлений, происходящих в грунте при динамических воздействиях, можно отметить распространение волн от источников колебаний.
Если бы грунты были идеально упругими телами, то волны от источников колебаний распространялись бы в них на значительное расстояние. Однако, как показывают эксперименты, колебания грунта по мере удаления от источника колебаний затухают. Наиболее интенсивное затухание колебаний наблюдается в сухих и маловлажных грунтах. При насыщенных водой пылевато-глинистых грунтах процесс затухания существенно слабее, и волны могут распространяться на большие расстояния. Интенсивность затухания колебаний зависит также от частоты возмущающей силы: при высокой частоте затухание колебаний происходит более интенсивно.
Результатом передачи грунтом колебаний на сооружение являются колебательные движения отдельных конструкций и сооружения в целом. В большинстве случаев эти колебания незначительны. Амплитуда их измеряется микронами и даже долями микрона. Однако человеческий организм остро воспринимает такие колебания и болезненно реагирует на них. Если же отдельная конструкция или сооружение испытывают резонанс, то возникают значительные колебания, амплитуда которых может достигать нескольких миллиметров. При колебаниях конструкций с амплитудой даже в десятые доли миллиметра создаются условия, недопустимые для организма человека. Это необходимо учитывать при проектировании фундаментов источников колебаний, в частности фундаментов под машины.
Рис. 5.2. Распространение колебаний в массиве грунта
Ранее уже отмечалась способность песков уплотняться при динамических воздействиях. При определенной их интенсивности возможны нежелательные последствия в виде дополнительной осадки фундаментов. Уплотнение грунта при постоянной интенсивности динамических воздействий носит затухающий характер. Фундаменты, расположенные на неодинаковом расстоянии от источника колебаний, будут получать различную осадку.
Кроме того, колебания вызывают в грунте напряжения, которые вместе с напряжениями от статических нагрузок могут привести к увеличению зон сдвигов под существующими фундаментами и вызвать дополнительные осадки вследствие выдавливания грунта из этих зон в стороны. Наконец, при определенной интенсивности динамических воздействий происходит разжижение насыщенных водой песков. Это явление нередко приводит к полной потере устойчивости грунта основания. В таком случае возможны провальные осадки сооружений.