СПОСОБ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ ФУНДАМЕНТОВ СООРУЖЕНИЙ
METHOD OF SEISMIC INSULATION OF STRUCTURAL FOUNDATIONS

Изобретение относится к строительству, в частности предназначено для снижения колебаний, сообщаемых зданию, сооружению, возводимым в сейсмоопасном районе, при внешнем воздействии от землетрясений и техногенных колебаний грунта, и может быть использовано при проведении экспериментальных исследований.
Известен способ, включающий разработку котлована, отсыпку подушки на часть глубины котлована, размещение на подушке фундаментных блоков, засыпку пазух котлована (см. Авторское свидетельство СССР N 675137, кл. E02D 27/34, 1978).
Недостатком этого способа сейсмоизоляции фундаментов сооружений являются недостаточные сейсмоизолирующие свойства последней.
Известен также способ сейсмоизоляции фундаментов сооружений, включающий разработку котлована, поверхности дна которого придают уклон, равный 0,005-0,01, формирование на дне котлована дренажной системы, связанной с водоотводящей сетью, отсыпку подушки на часть глубины котлована, размещение на подушке фундаментных блоков и засыпку пазух котлована (см. патент РФ №2081246, МПК E02D 27/34, 1997 г.). Сейсмоизолирующий фундамент состоит из опорной жесткой части и слоя из сыпучего материала, который обладает свойством переуплотнения, большой пористостью, деформируемостью и малым сцеплением, уложенного на основание. Сыпучий слой является демпфером, в котором происходит явление рассеивания части энергии (диссипация). В демпфере из-за возникновения сухого и вязкого трения происходит уменьшение амплитуд колебания (смещения, скорости, ускорения), что приводит к снижению силы колебаний от 0,5 до 2,7 баллов.
Однако данное решение не обеспечивает надежной сейсмозащиты зданию (сооружению) без вероятности чрезмерных издержек на реализацию сейсмозащиты, поскольку не учитывает региональные особенности такого параметра, как сейсмоопасность.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является обеспечение надежной сейсмозащиты зданию (сооружению).
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в оптимизации рабочего диапазона «гашения сейсмических колебаний» в соответствии с их конструктивными параметрами (толщиной подушки и крупностью используемого материала), что позволяет (с учетом региональных особенностей такого параметра, как сейсмоопасность, включающую информацию о верхнем уровне прогнозируемой сейсмоопасности) максимально ограничить сейсмическое воздействие на сам объект, удерживая его на уровне минимального, «включающего» сейсмогашение для конкретного типа сейсмогасящей подушки, и исключает возможность воздействия на сооружение опасных для него интенсивных сейсмоколебаний.
Поставленная задача решается тем, что способ сейсмоизоляции фундаментов сооружений, включающий разработку котлована, поверхности дна которого придают уклон, равный 0,005-0,01, формирование на дне котлована дренажной системы, связанной с водоотводящей сетью, отсыпку подушки на часть глубины котлована, размещение на подушке фундаментных блоков и засыпку пазух котлована, отличается тем, что выявляют нижний уровень прогнозируемой сейсмоопасности места заложения фундамента, после чего при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 4 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из крупнозернистого песка с толщиной подушки 0,5-2,0 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 4,5 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из гравийно-галечникового грунта с толщиной подушки 0,5 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 5,0 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из щебня крупностью до 20 мм с толщиной подушки 0,1-0,15 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 5,4 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из щебня крупностью до 20 мм с толщиной подушки 0,2-0,3 м, при этом верхний уровень свойства гашения колебаний для используемого типа подушки устанавливают не ниже верхнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности, соответствие которому для формируемого фундамента сооружения устанавливают на основе записей сейсмограмм по разнице значений двух уровней колебаний (нижний и верхний) в системе "основание-подушка-фундамент" от диссипации энергии сейсмической волны при прохождении через подушку из сыпучего материала.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «…выявляют нижний уровень прогнозируемой сейсмоопасности места заложения фундамента…» позволяют оптимизировать рабочий диапазон «гашения сейсмических колебаний» в соответствии с их конструктивными параметрами (толщиной подушки и крупностью используемого материала).
Признаки «…при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 4 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из крупнозернистого песка с толщиной подушки 0,5-2,0 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 4,5 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из гравийно-галечникового грунта с толщиной подушки 0,5 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 5,0 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из щебня крупностью до 20 мм с толщиной подушки 0,1-0,15 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 5,4 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из щебня крупностью до 20 мм с толщиной подушки 0,2-0,3 м…» позволяют, с учетом информации о верхнем уровне прогнозируемой сейсмоопасности, максимально ограничить сейсмическое воздействие на сам объект, удерживая его на уровне минимального «включающего» сейсмогашение для конкретного типа сейсмогасящей подушки.
Признаки «…верхний уровень свойства гашения колебаний для используемого типа подушки устанавливают не ниже верхнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности…» исключают возможность воздействия на сооружение опасных для него интенсивных сейсмоколебаний.
Признаки, указывающие, что соответствие верхнего уровня свойства гашения колебаний для используемого типа подушки верхнему уровню прогнозируемой сейсмоопасности для формируемого фундамента сооружения «устанавливают на основе записей сейсмограмм по разнице значений двух уровней колебаний (нижний и верхний) в системе «основание-подушка-фундамент» от диссипации энергии сейсмической волны при прохождении через подушку из сыпучего материала…», обеспечивают надежную сейсмозащиту здания (сооружения).
На фиг.1 показана модель сейсмоизолированного ленточного фундамента. На чертеже показаны дно 1, которое планируют с уклоном i 0,005-0,01, дренажные канавки 2, выравнивающий слой 3, пол подвала 4, дренажные трубы 5, подушка 6 (сейсмоизоляция), фундаментный блок 7, прифундаментный сейсмопояс 8 и защитный слой 9 (асфальт, бетон).
MAX
3
4
1
2
1
2
На фиг.2 и 3 показана динамика изменения амплитуд колебаний основания и фундамента на промежуточной подушке из галечника; на фиг.4 и фиг.5 - ситуационная схема (план) и разрез А-А исследования фрагмента подпорной стенки (ПС) в песке, где I - это элемент подпорной стенки, II - скальный грунт, III - обратная песчаная засыпка, IV - бордюрный камень; 10; 11; 12; 13; 14; 15 и 16 - точки измерения; на фиг.6 - приведена осциллограмма движения фрагмента подпорной стенки от взрыва; на фиг.7 - сейсмограмма колебания свай (сигнал 17; 20; 21) и грунта (сигнал 17; 18; 22); на фиг.8 - смещение грунта основания и здания по высоте (по A); на фиг.9 - запись колебаний куста №2 (сигнал 23, 24, 25, 26, 27, 28) при контрольных взрывах K и K; на фиг.10 - запись колебаний куста №6 (сигнал 29, 30, 31, 32, 33, 34) при сериях взрывов C и C; на фиг.11 - запись колебаний куста №7 (сигнал 35, 36, 37, 38, 39, 40) при сериях взрывов C и С.
Предлагаемый способ сейсмоизоляции фундаментов зданий и сооружений осуществляют следующим образом. Известным образом выявляют количественные показатели (в баллах) верхнего и нижнего уровней прогнозируемой сейсмоопасности места заложения фундамента, например, используя карты общего сейсмического районирования (ОСР-97) территории по этому параметру. Конструктивный тип подушки (материал для засыпки пазух и отсыпки подушки) выбирают в зависимости от нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности места заложения фундамента. При соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 4 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из крупнозернистого песка с толщиной подушки 0,5-2,0 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 4,5 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из гравийно-галечникового грунта с толщиной подушки 0,5 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 5,0 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из щебня крупностью до 20 мм с толщиной подушки 0,1-0,15 м, кроме того, при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний 5,4 балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из щебня крупностью до 20 мм с толщиной подушки 0,2-0,3 м. При этом толщину подушки принимают тем большей, чем выше верхний уровень прогнозируемой сейсмоопасности места заложения фундамента.
Отрывают котлован (см. фиг.1), дно 1 которого планируют с уклоном i 0,005-0,01, причем на дне котлована выполняют дренажные канавки 2 с последующим образованием дренажной системы 3 путем покрытия дна котлована (5-15 см) защитным слоем 4 из выбранного материала (дренажная обсыпка), укладывания в канавки дренажных труб 5, принимающих воду из фильтрующей постели; дренажные трубы соединяют с отводящей сетью и смотровыми колодцами (на чертеже не показаны), после чего отсыпают подушку 6 из фильтрующего материала, выбранного в зависимости от выявленного нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности места заложения фундамента. Затем устанавливают фундаментные блоки 7, по верху которых укладывают прифундаментный сейсмопояс 8 и производят заполнение пазух из того же материала, что и подушка, в котором пространство между обломками пород не заполнено либо заполнено не более чем на 20% песком, супесью, а по верху подушки укладывают защитный слой 9 (асфальт, бетон).
Сейсмоизоляция в виде промежуточной подушки с дренажом основывается на принципе создания конструктивного барьера, препятствующего распространению волновой энергии сейсмических колебаний от грунта на конструкции здания, расположенной выше подушки. В основу предлагаемой сейсмоизоляции положен общий принцип демпфирования за счет микросдвига/проскальзывания в подушке/, что резко увеличивает диссипацию энергии и приводит к ограничению амплитуд смещения /скоростей, ускорений/ колебания и сокращению продолжительности интенсивных колебаний по сравнению с той, которая была бы в случае отсутствия демпфирующей подушки.
Применение способа сейсмоизоляции зданий и сооружений снижает материальные затраты и повышает сейсмостойкость объекта в целом, что подтверждается примерами применения и натурными замерами на различных типах фундаментов, будь то ленточные, плитные или свайные.
Примеры исполнения способа.
Пример №1 - Оценка свойств сейсмоизоляции в системе «грунт - подушка - фундамент», в которой подушка (h=0,5 м) из скатного гравийно-галечникового материала с примесью мелкого среднезернистого и крупного песка до 30% выполнена между грунтом основания и подошвой фундамента, включая обратную засыпку пазух фундамента из того же материала, что и подушка.
Фоновая сейсмичность площадки оценивается в 9 баллов, однако было предусмотрено создание воздействия силой в 5; 6; 7; 8 и 9 баллов. В процессе опытных работ выполнено 15 взрывов. Взрывная зона состояла из 2-х групп, первая из 3-х скважин, расположенных со стороны торца здания, вторая из 8 скважин, расположенных вдоль дворового фасада. При взрывах первой группы скважин была достигнута интенсивность колебаний грунта по векторной составляющей
равная 4,0÷9,4 балла, при второй - 5,3÷7,6 балла (фиг.2). Длительность колебаний основания при одиночных взрывах достигла 0,7-1,47 с, а от серии взрывов 1,8-3,92 с.
В вынужденной фазе по составляющим x, y, z колебания изменялись:
- амплитуда смещения основания в диапазоне 0,5÷4,21; 0,18÷1,74; 0,28÷5,11 мм с торца здания, а с дворового фасада в интервалах 0,93÷2,82; 0,84÷2,16; 0,8÷1,42 мм;
- скорость частиц основания составляла 37÷196,6; 15,5÷79,8; 19,9÷208,6 мм/с с торца здания, а с дворового фасада - 56,1÷103,1; 50,9÷98,5; 35,2÷61,6 мм/с;
- частота колебаний основания, в среднем, равна 8,9±2,2; 10,5±2,5; 8±1,8 Гц, а при свободных колебаниях 6,8±1,1; 7,5±1,5; 7,5±0,8 Гц, то есть по составляющим X, Y меньше на 24%, а по оставляющей Z на 6%;
- частота колебаний фундамента по x, y, z составляла, в среднем, 10,3±3,1; 9,2±4,1; 9,3±3,26 Гц, а в свободном режиме колебаний 6,5±1,81; 6,0±1,9; 7±0,76 Гц. Среднее значение частот в свободном режиме колебаний равно: основания - 6,8; 7,5; 7,5 Гц; фундамента - 6,5; 6,1; 7,0 Гц. Следовательно, частоты колебаний основания и фундамента в разных фазах были достаточно близки по величине:
- амплитуда смещения фундаментов в свободной фазе колебаний по составляющим x, y, z изменялась: с торцевой части здания в пределах 0,0865÷1,1246; 0,0145÷0,1527; 0,1124÷1,3841 мм, а с фасадной - 0,4325÷0,7353; 0,3926÷0,9889; 0,3027÷0,692 мм;
- скорость фундамента по х, y, z изменялась с торца здания в пределах 5,9÷56,5; 1,1÷14,5; 9,2÷46,9 мм/с, а с фасадной стороны - 24,4÷32,3; 18,5÷43,8; 19,4÷38,7 мм/с.
XYZ
X
Z
Y
На фиг.2 и фиг.3 показано синхронное изменение амплитуд колебаний основания и фундамента в процессе роста и снижении интенсивности. Из сравнения этих чертежей четко просматривается качественная и количественная роль сейсмоизоляции в гашении (спадании) сейсмического воздействия. В варианте взрывов с торца здания, при нарастании векторной скорости V основания с 6 до 12 см/с (взрывы 1-4), передача колебаний на фундамент через сейсмоизоляцию достигала 1-2 см/с. Такое снижение в 6 раз объясняется как проявлением диссипации в слое подушки (за счет внешнего затухания, зависящего от сопротивления среды, например воздуха) и силы внутреннего затухания, зависящего от вязкости материала подушки (внутреннего - сухого трения, например, в опорах жестких частях фундамента). При возрастании скорости колебания основания с 12 до 24,3 см/с (взрывы 5-9) фундамент от сейсмовзрывных воздействий испытывал колебания от 6,2 до 7,4 см/с. Снижение в 1,94-3,28 раз скоростей колебаний фундамента (взрывы 10-15) в основном происходило за счет диссипации в слое подушки и за счет трения (микросдвига) фундамента по галечнику. Аналогичная картина на графиках просматривается и для варианта воздействия (нагружения) с фасада. При возрастании амплитуд колебаний скорости с 8,4 до 14,8 см/с, со стороны фасада здания, значения величин скорости колебаний фундамента достигали 2,7-5,7 см/с, то есть происходило гашение воздействия в 2,6-3,1 раза. При снижении уровня сейсмовзрывного воздействия с 14,8 (8,2 балла) до 9,0 см/с (7,5 балла) величина гашения практически оставалась на прежнем уровне. Особенностью такой картины изменения колебаний является то, что по составляющим колебаний V и V на сейсмограммах просматривается зависимость воздействия волны сжатия, вызванной взрывом, а величина поперечной составляющей V зависит от воздействия волны растяжения, направленной на преодоление сил сцепления в слое промежуточной подушке. На начальном этапе при малых скоростях колебаний от взрывов 1-4 (4-5 баллов) происходит частичное переуплотнение за счет микросдвигов в слое подушки, а при мощных взрывах (7 баллов и более) происходит, в основном, смещение частиц и процесс микросдвига (преодоление трения фундамента по галечнику). Изменения значения средних амплитуд скоростей колебаний фундамента, переданные (грунтом основания) через слой галечника (h=0,5 м) от параметра приведенной массы заряда Х=Кнпц  определялись по зависимости
2
V=11,776X, при R=0,815,
2
Σст
где R - коэффициент корреляции парных значений скорости и массы заряда; r - расстояние от места регистрации колебаний до эпицентра взрыва (м); h - глубина заложения заряда в скважине (м); Q - масса ступени заряда (кг); Кнпц=3 - коэффициент, учитывающий геологические и рельефные условия, изменяется от 1,0 до 3,0.
Разница измерения фактических амплитуд колебаний основания и фундамента экспериментально определяет количественную оценку свойства подушки, гасит частично энергию сейсмической волны в системе «основание - сейсмоизоляция - фундамент».
0
0
Изложенное подтверждено Шикотанским землетрясением 5.10.1994 г. (М=8,0; J=9,2 б.) и 22-мя автершоками, которые вызвали сотрясения силой 5-7 баллов. Проведенное обследование трехэтажного здания с сейсмоизоляцией (слой h=0,5 м из гравийно-галечного грунта) показало: 1) на отсутствие каких-либо повреждений (трещин) в основных несущих конструкций здания; 2) в 7 квартирах имелось смещение верха перегородок до 30 мм из-за отсутствия крепления с перекрытием; 3) в дренажных колодцах отсутствовала вода, что указывает на рабочее состояние дренажной системы. В стенах колодцев трещин не обнаружено; 4) случаев гибели людей или каких-либо увечий не зарегистрировано. Степень повреждения зданий - 1 (по шкале MSK-64, сейсмическая интенсивность 6 баллов). По шкале MSK-64 смещение маятника сейсмометра, имеющего период собственных колебаний - 0,25 с, и логарифмический декремент затухания 0,5 при силе сотрясения 6 баллов составляет Х=1,1-2,0 мм, а при 9 баллах Х=8,1-16 мм. Сравнивая шкалу сейсмической интенсивности в баллах (проект одобрен Бюро МСССС при призидиуме РАН СССР 18.11.1973 г.) с результатами опытных данных по силе сотрясения, нетрудно убедиться, что разница измерений есть количественная оценка действия сейсмоизоляции и свидетельствует о высокой эффективности гравийно-галечниковой подушки в качестве конструктивной антисейсмической защиты.
Вывод: сравнительный анализ указывает, что энергия, передаваемая от основания через подушку к фундаменту, в среднем, по (x, y, z), снижается в 4,88-1,7 раз, что свидетельствует о высокой эффективности гравийно-галечниковой подушки в качестве конструктивной антисейсмической защиты. Критической скоростью для начала проявления гашения является сила сотрясения ≥4,5 балла.
Пример №2 - Оценка свойств сейсмоизоляции. Объект - фрагмент консольной подпорной стенки (ПС) уголкового типа, на подушке с обратной засыпкой пазух из крупнозернистого грунта с двумя вариантами полосовой пригрузки: с отсутствием и наличием (фиг.4 и фиг.5). Основанием подушки служат известняки. Высота секции стенки 2,32 м. Источником имитации сейсмического воздействия были взрывы в скважинах, расположение от объекта на расстоянии 7,7 и 10,7 м. В процессе исследования было выполнено 8 взрывов при отсутствии пригруза и 8 взрывов при наличии полосовой пригрузки на обратной засыпке ПС. Перед выполнением обратной засыпки ПС проведено определение частоты собственных колебаний ее вертикальной панели, которая оказалось равной ~ 10 Гц (в направлениях х), что существенно отличалось от частот собственных колебаний грунта в точке 10, 11, 16 (см. фиг.4 и фиг.5 и табл.1), определенных по хвостовой части осциллограмм (см. фиг.6).
Таблица 1
Частота собственных колебаний грунта и ПС
Значение
Частота собственных колебаний грунта в точках 10, 11, 16 (фиг.5) измерений по направлениям, Гц
10x
10y
10z
11x
16x
16y
16z
Среднее арифметическое
38,5
68,9
59,1
34,0
46,4
61,4
97,6
Среднее квадратичное отклонение
10,5
12,6
14,8
10,1
19,5
12,2
10,4
Наибольшая интенсивность в точке 10 составляла 8,3 балла, в точке 12-5,6 балла и в точке 16-6,5 балла. В среднем, отношение силы сотрясения нижней плиты ПС составляло 0,67, а основания (в точке 16) за подпорной стенкой 0,78 от интенсивности в точке 10. В пересчете на баллы, в первом случае уменьшение (гашение) произошло в среднем на 2,7 (точка 11 и 12), во втором на 1,3 (точка 16) балла. Такой результат объясняется тем, что фундаментная плита ПС отделена обратной песчаной засыпкой по горизонтали до глубины 2,0 м и уложена на подушку (h=0,5 м) по верху трещиноватых известняков, что в определенной степени демпфировало передачу колебаний со скального грунта на ПС. Очевидно, что на результаты гашения, в определенной степени, повлияли различные процессы деформации в песке от цуга фронта волны при прохождении через постель и через обратную засыпку из песка к ПС. Стабильность изменений наблюдается и в отношении между вертикальной составляющей колебаний и «векторной» величиной интенсивности, которая для точек 11, 12 и 16 в среднем достигает в 0,63; 0,43 и 0,55 раза, по сравнению с точкой 1. Аналогичное снижение колебаний происходит для смещений и скоростей по составляющим x и y в точках 11, 12, 15 и 16 по отношению к величинам, измеренным в точке 10 (табл.2).
Таблица 2
Параметры колебаний ПС по отношению к значениям в точке 10
№ взрыва
по x
по z
смещения
скорости
смещения
скорости
т.11
т.12
т.16
т.11
т.12
т.16
т.12
т.15
т.16
т.12
т.15
т.16
При отсутствии пригруза
1
0,44
-
0,09
0,39
-
0,22
0,18
0,17
0,16
0,13
0,21
0,31
2
0,43
-
0,11
0,53
-
0,23
0,10
0,34
0,24
0,15
0,36
0,35
3
-
-
-
-
-
-
0,13
0,38
0,20
0,22
0,46
0,30
4
-
-
-
-
-
-
0,24
0,59
0,84
0,45
0,41
0,61
5
1,11
-
0,17
0,98
-
0,17
0,62
-
1,06
0,54
-
0,53
6
-
-
-
-
-
-
0,06
0,11
0,07
0,12
0,18
0,12
7
-
-
-
-
-
-
0,07
0,20
0,10
0,15
0,28
0,19
8
-
-
-
-
-
-
0,09
0,20
0,09
0,14
0,30
0,10
При наличии пригруза
9
1,03
0,42
0,34
0,49
0,44
0,34
0,00
0,13
0,31
0,00
0,09
0,28
10
-
0,76
-
0,48
0,43
0,33
0,27
0,10
0,94
0,18
0,07
0,71
11
-
-
-
-
-
-
0,22
0,18
-
0,20
0,20
-
12
1,59
1,12
0,40
0,96
0,90
0,47
0,15
0,35
1,05
0,14
0,24
1,05
13
0,16
0,03
0,10
0,29
0,07
0,25
0,09
0,13
0,12
0,13
0,11
0,17
14
0,18
0,02
0,18
0,33
0,04
0,42
0,06
0,05
0,10
0,13
0,05
0,16
15
0,11
0,06
0,19
0,29
0,15
0,55
0,17
0,66
0,26
0,08
0,10
0,09
16
0,17
0,11
0,28
0,23
0,29
0,31
0,09
0,10
0,11
0,22
0,19
0,22
Среднее
0,58
0,36
0,21
0,50
0,33
0,33
0,15
0,25
0,37
0,17
0,22
0,34
Поэтому в точке 12 на нижней плите ПС, через слой обратной засыпки h=2 м и через постель (h=0,5 м) из песка, снижение колебаний происходит в большей степени (фиг.5), чем для более удаленной от эпицентра взрыва точки 16 (табл.2). При короткозамедленном взрывании (КЗВ) с интервалом замедлений 15 мс, в связи с большими диссипативными свойствами обратной засыпки песчаного слоя, ее интенсивная часть процесса колебания состояла из отдельных импульсов, через промежутки, равные временным интервалам замедления. Во всех случаях длительность активного процесса колебаний при КЗВ составляла 0,68 с (фиг.5), при периодах максимальных амплитуд колебаний 0,01-0,02 с, а собственных колебаний, в среднем, равных 0,018 с. Осциллограммы колебаний в точках 13, 14 и 12 подпорной стенки приведены на фиг.6.
Вывод. Экспериментально установлено, сейсмическая волна, передаваемая основанием через песчаную подушку, достигая конструкцию ПС, теряет часть колебательной энергии, которое, на основе записей сейсмограмм, характеризует это явление как свойство сейсмоизоляции из крупнозернистого песка h=0,5-2,0 м, снижая силу сотрясения в пределах 0,5-2,7 балла, начиная с уровня от 4,0 до 8,3 б. Критической скоростью для начала проявления гашения является сила сотрясения ≥4,0 балла.
Пример №3 - Оценка свойств сейсмоизоляции в системе «скала - слой щебня (h=10-15 см) - фундамент» жилого дома. Взрывное поле состояло из 2-х блоков (участков), расположенных по торцу здания. В первом блоке было взорвано 430 кг группами по 13-60 кг, во втором - 732 кг, группами по 13-30 кг с замедлением между ними 35 мс. Расстояние от торца здания до центра первого блока составило 83 м, второго - 44 м. Измерения динамики исследуемой системы приведены в табл.3 и позволяют сделать следующие выводы: 1) основная частота скального грунта в активной фазе движения сопоставима по всем трем компонентам и равна 40,2±9,7 Гц.
Таблица 3
Результаты динамики жилого дома на сейсмовзрывные воздействия
Параметр динамики
Результаты измерений по составляющим
№ взрыва и основные параметры
Грунт
Фундамент
3 этаж
Покрытие
х
y
z
x
y
z
y
x
y
Перемещ. мм<sup>-2</sup>
5,6
3,3
4,3
3,4
3,15
4,4
3,4
9,5
3,5
№1
Частота, Гц
41,7
58,8
37,0
37,0
5,6
20,4
52,4
29,4
29,4
ΣQ=430 кгс
Скорость, см/с
1,48
1,22
1,08
0,79
1,08
0,56
0,57
1,76
0,65
r=83 м
Декремент затухания (δ<sub>з</sub>)
0,48
0,29
0,52
0,25
0,33
0,40
0,38
0,42
0,56
J=4,9 б.
Перемещ. мм<sup>-2</sup>
24,3
21,4
27,8
15,3
10,0
7,7
10,2
18,1
11,1
№2
Частота, Гц
30,3
43,5
40,0
20,8
23,8
52,6
25,3
19,6
30,3
Q=732 кгс
Скорость, см/с
4,07
6,64
9,19
1,31
2,29
5,85
1,6
2,22
2,11
r=27,1 м
Декремент затухания (δ<sub>з</sub>)
0,35
0,36
0,64
0,23
0,21
0,60
0,32
0,22
0,35
J=7,3 б.
Примечание. При натурном обследовании стыков панелей на торцовой стенке здания при взрыве №1 трещин не обнаружено. При повторном обследовании здания после взрыва №2 обнаружены волосяные трещины в стыках панелей на торцевой стенке и в местах примыкания к перекрытию и покрытию в комнатах на 5-м этаже. В конструкциях трещин не обнаружено.
2) интенсивность колебаний основания здания при первом взрыве составила 4,9 балла, при втором - 7,3 балла, по шкале MSK - 64; 3) смещение фундамента по отношению к скале при обоих взрывах меньше. Это явление объясняется тем, что, по мере увеличения силы воздействия, щебеночная подушка (h=0,1-0,15 м), уложенная на основание, выполняет роль гасителя с уровня 4,9 балла. При низкой интенсивности основания фундамент здания практически не движется, при большей интенсивности в щебеночной подушке за счет микросдвигов происходит частичное гашение (спадание) амплитуд колебания, поэтому смещение фундамента по отношению к грунту резко снижается (фиг.6); 4) длительность колебаний основания при первой серии взрыва составляла 0,5 с, при второй серии - 0,85 с. При первой серии взрыва уменьшение скорости колебания фундамента по сравнению с основанием составило в среднем 0,75 см/с во второй - 5,6 см/с, а гашение интенсивности составило 0,8 и 2 б. соответственно.
Вывод. Свойство гашения силы интенсивности сейсмоизоляцией проявляется в процессе вибрации и осуществляется при передаче колебаний основанием через слой щебня (h=0,1-0,15 м) к фундаменту и по сравнению с основанием сила воздействия (4,9 балла) от первой серии взрыва снизилась на 0,075 см/с - от второй серии (7,3 балла) - на 5,6 см/с, т.е. гашение достигло соответственно - 0,8 и 2,0 балла. Аналогичная картина гашения в процессе колебания наблюдалось при испытании объекта по серии 114-12-124 и серии 121-013/1 ПК. Критической скоростью для начала проявления гашения является сила сотрясения ≥4,9 балла.
Таблица 4
Динамика колебаний в системе «основание - слой щебня - фундамент»
Кол-во взрывов
Сила воздействия, балл
Результаты снижения процесса колебаний сейсмоизоляцией
По смещению основания, мм
По скорости фундамента, мм/с
x
y
z
x
y
z
Кирпичные 3-этажные дома серии 114-12-124 (h=0.3 м)
9
3,2-5,3
5,38
5,09
2,20
6,32
4,39
2,73
5
5,5-5,6
4,65
5,01
3,48
5,38
5,0
4,35
8
6,1-6,4
7,16
4,48
2,68
2,79
4,53
3,03
2
6,8-7,8
4,8
5,48
-
9,06
7,29
-
Панельный 5-этажный дом серии 121-0,13/1 ПК (h=0,1-0,15 м)
2
3,1-5,6
1,41
1,27
1,22
1,61
1,25
1,41
1
6,4
3,41
1,25
1,17
1,8
1,52
1,43
1
7,9
2,14
1,59
1,57
3,18
2,92
1,21
Среднее
2,32
1,37
1,32
2,20
1,9
1,35
Примечание: x, y, z - продольная, поперечная и вертикальная составляющие колебания основания и фундамента
Из анализа табл.4 видно, что в результате передачи вибрации от основания через слой щебня от h=0,1-0,15 м до h=0,3 м при уровне сотрясения от 3,1 до 7,9 балла по составляющим смещения снижается: x - в 3,12; y - в 3,2; z - в 2,11 раза, аналогично по скорости: Х - 2.68; Y - в 2,79; Z - в 2,41 раза.
Изложенное позволяет сделать следующие выводы:
1) полевые методы исследования на данный момент остаются надежным источником информации о реальной эффективности сыпучих материалов;
2) установлено, что при передаче колебаний от основания к фундаменту, сейсмоизоляция в виде сыпучей подушки из щебня снижает уровень сотрясения на 0,5-2,7 балла, в зависимости от силы сотрясения;
3) с увеличением толщи слоя щебня в 2 раза затухание возрастает, в среднем 2,63 раза.
Использование нового способа сейсмоизоляции в практике строительства, по сравнению с известными способами, повышает экономическую эффективность капитальных вложений. Например, снижение сметной стоимости жилого дома по ТП 114-12-124 (сейсмоизоляция из щебня h=0,3 м) по сравнению с сейсмостойкой серией 92 с составляет 35,8 тыс. рублей, а жилого дома серии 121 с сейсмоизоляцией (h=0,1-0,15 м) - 87,7 тыс. рублей (в ценах до первого апреля 1991 г.).
Пример №4 - Оценка свойств сейсмоизоляции. Объект - фрагменты свайных фундаментов с промежуточной подушкой из песка. Для испытаний на полигоне подготовлены в натуральную величину свайные фундаменты трех типов: из плоскопрофилированных свай (куст 2 и 7), из пирамидальных свай (куст 6).
Куст 2. Четырехсвайный куст из свай марки ППТУ 5-30, погруженных с шагом 2×2 м; головы свай жестко заделаны в ростверк. Высота ростверка над дном котлована h=0,2 м. Глубина погружения свай в грунт 4,4 м. Нагрузка на одну сваю Р=22,5 т.
2
Куст 6. Четырехсвайный куст из свай ПС - 4/520, погруженных с шагом 1,35×1,35 м. Высота подушки над головами свай из песка h=0,6 м, давление 0,9 кг/см.
2
Куст 7. Четырехсвайный куст из свай ППТУ 5-30, забитых с шагом 1,6×0,9 м. Головы свай в кустах 6 и 7, в отличие от куста 2, не соединяются жестко с ростверком. Между ними имеется слой из песка, который значительно уменьшает сейсмические воздействия, передающие на фундамент основания. Давление в уровне низа ростверка (на верх подушки h=0,9 м), равно 1,2 кгс/см.
Моделирование (имитация) сейсмического воздействия выполнялось взрывами. На взрывном поле, размером 20×30 м, пробурено 50 скважин ⌀ 150 мм глубиной 3,5-4 м, с обсадкой их асбоцементными трубами, низ которых закрывался от заиливания деревянной пробкой. Проведено 10 контрольных взрывов разной интенсивности, 2 серии - 6-7 баллов, одна серия - 7 баллов и две серии - 7-8 баллов (табл.5). При контрольных взрывах интенсивность воздействия составила 4,7-7,5 балла, а преобладающая частота грунта собственных колебаний основания - 4,4 Гц. Колебания, при взрывании зарядов до 2,8 кг (одиночных) длились до t=2,5-3,0 с, а серийных воздействии достигала 5,6-17,3 с (в зависимости от количества временных интервалов замедлений). Колебания грунта при серийных взрывах близки к регулярному характеру: периоды по составляющим (x, y, z) изменялись в диапазоне 0,2-0,25, 0,18-0,23 и 0,2-0,3 с, а соответствующие им амплитуды в соотношении 1:1,2:2,6. Камеральная обработка записей колебаний показала, что средняя скорость распространения сейсмических волн в обводненных заиленных песчаных грунтах составляла 208 м/с. Характеристики затухания параметров колебаний грунта и фундаментов приведены в табл.5 и 6.
Таблица 5
Значения параметров колебаний грунта от взрывов
№№ взры-вов
Скорость (мм/с) колебаний грунта по составляющей
Интенсивность, балл
Длительность колебания, с
продольной
поперечной
вертикальной
Контрольные взрывы
1
2,42
2,51
5,12
3,7
0,9
2
1,9
1,49
1,8
2,6
0,8
3
7,3
5,8
6,9
4,5
0,9
4
5,7
4,9
5,8
4,4
0,85
5
3,51
3,51
6.7
4,1
1,47
6
4,97
3,56
6,9
4,2
0,85
7
4,17
3,76
4,0
3,9
0,85
8
5,17
4,19
5,89
4,2
2,5
9
8,37
6,2
7,88
4,8
6,0
10
-
-
-
3,7
4,2
Серийные взрывы
11
6,28
5,02
10,5
4,8
11,7
12
9,73
8,1
9,55
5,1
7,67
13
9,5
8,0
9,45
5,0
17,3
14
14,0
11,2
13,14
5,4
16,4
15
-
-
30,7
>6,0
3,5
Работу свайного фундамента с промежуточной подушкой нужно рассматривать самостоятельно в двух уровнях, разделенных песчаной подушкой. Формы записей колебаний на осциллограммах свидетельствуют о более регулярном характере колебаний фундамента с жестким защемлением свай в ростверке (фиг.9) по сравнению с фундаментом с промежуточной подушкой (фиг.10 и фиг.11). У фундамента с промежуточной подушкой нижняя часть (свайная) работает совместно с околосвайным грунтом, а верхняя часть (фундамент с пригрузом) зависит от поступаемого количества энергии через подушку. В слое подушки, разделяющей фундамент на нижнюю и верхнюю часть, сейсмические воздействия вызывают процесс диссипации (частичное гашение) энергии колебания, при генерировании возбуждения с собственным периодом грунта основания. Критической скоростью для начала проявления гашения является сила сотрясения ≥4,0 балла.
Таблица 6
Характеристики затухания колебаний грунта и фундаментов по данным записи на сейсмограммах взрыва
Индекс воздействия
Логарифмический декремент (ε<sub>o</sub>) и коэффициент затухания колебаний (δ<sub>з</sub>)
Длительность колебания, с
составляющая колебаний
тангенцальная
радиальная
вертикальная
1. Грунты основания
К<sub>1</sub>
0,31/0,89
0,31/0,89
0,31/0,89
3,3
К<sub>2</sub>
0,32/0,91
0,29/0,83
0,28/0,80
3,3
С<sub>3</sub>
0,29/0,83
0,30/0,86
0,30/0,86
17,3
2. Конструкция свайных фундаментов
а) куст 2
С<sub>1</sub>
0,34/0,87
0,34/0,87
0,41/0,90
11,7
С<sub>2</sub>
0,27/0,69
0,29/0,74
0,36/0,92
7,67
К<sub>3</sub>
0,36/0,92
0,38/0,97
0,40/0,93
3,0
К<sub>4</sub>
0,29/0,74
0,34/0,77
0,32/0,82
1,2
б) куст 6
C<sub>1</sub>
0,38/1,09
0,50/1,43
-
11,7
С<sub>2</sub>
0,42/1,20
0,37/1,06
-
7,67
в) куст 7
C<sub>1</sub>
0,41/1,11
0,46/1,15
0,69/2,30
11,7
С<sub>2</sub>
0,43/1,28
0,52/1,50
0,59/1,97
7,67
Примечание: среднее значение параметров затухания равны: основания - δ<sub>з</sub>=0,333; ε<sub>o</sub>=0,86; 2) куст 2 - δ<sub>з</sub>=0,342; ε<sub>о</sub>=0,87; 3) куст 6 и 7 - δ<sub>з</sub>=0,477; ε<sub>о</sub>=1,36
Поэтому реакция свайных фундаментов на действие сейсмических волн от взрывов характеризуется: 1) величиной перемещений основания (около свайного грунта); 2) от количества передаваемой энергии через подушку от грунта к фундаменту.
Сопоставляя результаты наблюдений за колебаниями основания и конструкций свайных фундаментов по данным измерений (табл.6) следует отметить:
- длительность колебаний сейсмоизолированных фундаментов №6 и №7 в 1,5-2,3 раза меньше по сравнению с околосвайным грунтом;
о
- логарифмический декремент затухания (ε), характеризующий степень затухания амплитуд скорости колебаний сейсмоизолированных фундаментов №6 и №7 в 1,7 раз больше по сравнению с околосвайным массивом основания;
о
- логарифмический декремент (ε) фундаментов №6 и №7 больше в 1,6 раз по сравнению с жестким защемлением свай в кусте №2;
- в системе « грунт - подушка - фундамент» затухание амплитуд скорости колебания в слое подушки из песка, при сравнении с фундаментом с жестким защемлением свай, в среднем, изменяется: при h=0,6 м и J=4-6 баллов - на 24% при h=0,9 м и J=4-6 баллов - на 34,5%.
Учитывая, что все фундаменты находились практически в одинаковых грунтовых условиях и подвергались одному синхронному воздействию одновременно, можно предположить, что снижение амплитуд скорости зависит как от силы воздействия, так и от близости к эпицентру взрыва. Поскольку расстояние от эпицентра взрыва до фундамента с промежуточной подушкой почти в 1,2 раза больше, чем до фундамента с жестким защемлением свай, поэтому величина смещения в 2,8 раза была меньше по сравнению с фундаментом с жестким защемлением свай. Диапазон горизонтальных смещений фундамента с сейсмоизоляцией составлял 0,07÷0,17 мм (в среднем 0,1 мм), а фундамента с жестким защемлением свай 0,07÷0,52 мм (в среднем 0,28 мм). Таким образом, эксперименты подтвердили, при расчете конструкций свайного фундамента на сейсмические воздействия необходимо учитывать, как гасящие свойства сыпучих материалов, расстояние до эпицентра взрыва, так и интенсивность воздействия при любых грунтах, служащих основанием зданий и сооружений. При этом способ имитации сейсмических воздействий и оценка сейсмоизоляции фундаментов из сыпучих материалов (гравий, галька, щебень, песок и т.п.) зданий и сооружений применим и надежен при оценке сейсмоустойчивого режима эксплуатации объектов.
0
0
Апробация. Результаты воздействий Сахалинских землетрясений - 18.08.2006 г. (J=8 б.) и 02.08.2007 (J=8 б.) на объекты (4 здания), построенных с сейсмоизоляцией из песка показало, что повреждение конструкций по классификации относится к первой степени по Europen Maicroseismic Scale 1992 - Luxembourg, 1993 (Европейская Макросейсмическая Шкала 1992 / Уточненный вариант - Люксембург - 1993). Исходя из рассмотрения повреждений объектов, интенсивность была не более 7 баллов, по шкале MSK-64. Таким образом, сейсмоизоляция из песчаной подушки снизила максимальное воздействие (8 б.-7. б=1 б.), именно это обстоятельство и послужило не включение этих зданий в список объектов, подлежащих капитальному ремонту или сносу, по решению администрации Сахалинской области.