Некоторые аспекты изучения применения траншейных барьеров для уменьшения энергии поверхностных волн в грунте

ВЕСТНИК

УДК 624.134

В.В. Орехов, Х. Негахдар

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАНШЕЙНЫХ БАРЬЕРОВ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН В ГРУНТЕ

Рассмотрены результаты параметрических расчетных исследований эффективности работы волновых барьеров, выполненных в виде траншей в основании, при защите сооружений от динамических воздействий.

Ключевые слова: динамическое воздействие, волновой барьер, параметрические исследования.

Для защиты строительных конструкций от повреждений, вызванных динамическим воздействием от землетрясений или от человеческой деятельности, существуют различные методы, относящиеся к экранирующим вибрацию системам [1—3]. При этом эффективной защитой от негативного воздействия упругих волн могут служить вибрационные экраны в виде барьеров, которые осуществляют перехват, рассеивание и преломление поверхностных волн. Эти волновые барьеры могут представлять из себя незаполненные траншеи, траншеи, заполненные бентонитовым раствором, древесными опилками, песком и т.д., а также стены в грунте из бетона, шпунта или свай.

В последние десятилетия был выполнен ряд экспериментальных и расчетных исследований для изучения проблемы экранирования вибрации. При этом, в отличие от полномасштабных модельных исследований, результаты которых трудно экстраполировать на прототипы, расчетные методы могут быть эффективно использованы для глубокого изучения проблемы виброизоляции

[4—7].

В связи с этим в настоящей работе были проведены параметрические исследования (табл. 1) для изучения предполагаемой эффективности волновых барьеров, включающие изучение влияния геометрических размеров барьера-траншеи (глубины В и ширины Ж), типа системы-барьера (материалы стены и заполнителя траншеи), расстояния от барьера до источника возмущения X и расстояния от барьера до сооружения L (рис. 1). Источником динамического воздействия являлась вертикальная ударная нагрузка Р = 1,0 МН.

Табл. 1. Геометрические параметры барьера-траншеи

Параметры Принятые значения, м

1 3,0; 25,0 и 50,0

X 3,0; 8,0 и 16,0

В 5,0; 10,0; 15,0; 20,0 и 25,0

Ж 0,5

Рис. 1. Схема виброизоляционной системы и ее геометрические параметры

Для проведения расчетных исследований были разработаны математические модели, работающие в условиях плоской деформации. При численном моделировании использовалась процедура явного динамического анализа.

В математических моделях принималось, что траншея-стенка, сооружение и грунт являются изотропными, упругими и однородными (табл. 2). Грунтовое основание моделировалось как полупространство. Традиционное каркасное здание шириной 10 м и высотой 15 м располагалось справа от барьера, как показано на рис. 1. Отметка фундамента находилась на глубине 1 м от поверхности земли. Фундамент представлял собой фундаментную плиту, толщиной 1 м.

Табл. 2. Свойства материалов системы грунт — траншея — здание

Материал Массовая плотность, кг/м3 Сдвиговой модуль G, Па ТО8 Объемный модуль K, Па Т08

Полупространство 1865 0,288 0,625

Бетон 2400 104 138,8

Сооружение (бетон)* 432* 18,8* 25,2*

*Приводное значение.

Эффективность волновых барьеров оценивалась по наблюдаемым перемещениям (скоростям или ускорениям) при наличии вибрационного барьера или в его отсутствии. Коэффициент уменьшения перемещений Ar в точке на заданном пути мониторинга может быть получен нормированием максимальной горизонтальной компоненты амплитуды после установки траншеи (Ah)After по максимальной горизонтальной компоненте амплитуды до установки траншеи (Ah)Before, измеренных на поверхности грунта по формуле

A = ) After

" (Ah) Before

ВЕСТНИК

МГСУ-

На основе анализа результатов выполненных параметрических расчетов (см. табл. 1) рассмотрим влияние конструкции волнового экрана и его расположения на эффективность защиты сооружения.

На рис. 2 приведены типичные результаты для незаполненной и заполненной траншеи глубиной от 5 до 20 м (наблюдаемые острые пики располагаются под краями фундамента здания).

глубина траншеи (£>) = 5.0 м -•-тубина траншеи (О) = 10.0м глубина траншеи (Д) = 1-5.0 м

— глубина траншеи (О) = 20.0 м

- - глубина трап и ¡ей (£>) = 25.0 м траншеи

8м.

20 30 40 50

Расстояния от источника вибрации, м б

Рис. 2. Влияние глубины волнового барьера на коэффициент уменьшения перемещений за барьером (Ь = 25 м, Х = 8 м, Ж = 0,5 м): а — незаполненная траншея; б — заполненная траншея бетоном

а

Как видно из полученных результатов, при использовании в качестве волновых барьеров незаполненных траншей в большинстве случаев (при разных глубинах траншеи) не происходит ослабления колебаний за барьером и такая защита не может быть признана эффективной.

При заполнении траншеи различными материалами эффективность ее работы увеличивается. Так при заполнении траншеи бетоном коэффициент уменьшения перемещений не превышает значения 0,2.

Также на эффективность работы волнового барьера оказывает его расположение относительно источника динамического воздействия и защищаемого здания (рис. 3).

Расстояния от источника вибрации, м

а

Расстояния от источника вибрации, м б

Рис. 3 (начало). Нормализованное движение грунта при расстоянии волнового барьера до сооружения L = 3 м в траншее на расстоянии от источника воздействия х, м: а — 3,0; б — 8,0

ВЕСТНИК

МГСУ-

Рис. 3 (окончание). Нормализованное движение грунта при расстоянии волнового барьера до сооружения L = 3 м в траншее на расстоянии от источника воздействия х, м:

в — 16,0

С увеличением расстояния до барьера увеличивается геометрическое демпфирование, что приводит к большему затуханию сгенерированных поверхностных волн. Однако, как было показано на рис. 3, б, в незаполненных и некоторых заполненных траншеях, когда расстояние от источника возмущения до волнового барьера составляет 3 или 8 м, барьер работает в обратном направлении и нормализованные перемещения частиц после барьера увеличиваются.

Этот факт может быть объяснен тем, что в данном случае на волновое поле в основании оказывает влияние сооружение, так как результаты анализа работы барьера без сооружения показывают, что нормализованные перемещения частиц после барьера в этом случае уменьшаются (рис. 4).

е?

£

5,5 5 4.5 А 3,5

г

2,5 2 1,5 1 0.5 О

! ! ! !

—незаполненные ¡раншен нн расстоянии Х= 3.0 м • •  незаполненные траншеи на расстоянии Х= £-0 м

\

траншея

и • *

1 *

г-"**"1 .......

10

20 30 40 50 60

Расстояния от источника вибрации, м

70

в

Рис. 4. Нормализованное движение грунта при отсутствии сооружения в незаполненной траншее (Б = 10 м) на расстоянии Х, равном 3,0 и 8,0 м от источника воздействия

Таким образом, выполненные параметрические исследования показали, что эффективность работы волновых барьеров зависит от множества факторов и для каждого конкретного случая должна быть обоснована расчетом.

Библиографический список

1. Мусаев В.К. Решение задачи дифракции и распространения упругих волн методом конечных элементов // Строительная механика и расчет сооружений. 1990. № 4. С. 74—78.

2. Musayev V.K. Structure design with seismic resistance foundations // Proceedings of the ninth European conference on earthquake engineering. Moscow : TsNIISK, 1990. V 4A. Pp. 191—200.

3. Кузнецов С.В., НафасовА.Э. Горизонтальные сейсмические барьеры для защиты от сейсмических волн // Вестник МГСУ 2010. Вып. 4. С. 131—134.

4. Кузнецов С.В. Сейсмические волны и сейсмические барьеры // Акустическая физика. 2011. Вып. 57. C. 420—426.

5. Musayev V.K. Problem of the building and the base interaction under seismic loads // Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineering. 2741. Auckland: University of Canterbury, 2000. Pp. 1—6.

6. Мусаев В.К. Оценка влияния взрывов на объекты геотехники с помощью полостей // Геотехнические проблемы мегаполисов : тр. Междунар. конф. по геотехнике. М. : ПИ «Геореконструкция», 2010. С. 1733—1740.

7. Мусаев В.К. О достоверности результатов численного метода решения сложных задач волновой теории упругости при ударных, взрывных и сейсмических воздействиях // Ученые записки Российского государственного социального университета. 2009. № 5. С. 21—33.

Поступила в редакцию в феврале 2013 г.

О б а в т о р а х : Орехов Вячеслав Валентинович — доктор технических наук, профессор кафедры механики грунтов оснований и фундаментов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, orehov@rambler.ru;

Негахдар Хассан — аспирант кафедры механики грунтов оснований и фундаментов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, hassan_ negahdar@yahoo.com.

Д л я ц и т и р о в а н и я : Орехов В.В., Негахдар X. Некоторые аспекты изучения применения траншейных барьеров для уменьшения энергии поверхностных волн в грунте // Вестник МГСУ 2013. № 3. С. 98—104 .

V.V. Orekhov, H. Negahdar

PARTICULAR ASPECTS OF RESEARCH INTO APPLICATION OF TRENCH BARRIERS AIMED AT REDUCTION OF THE ENERGY OF SURFACE WAVES IN THE SOIL

Soil vibration represents a problem endangering buildings and structures. Waves propagate through the soil and interact with buildings. Their interaction may cause damage to nearby structures. Horizontal Rayleigh waves or any other waves generated by dynamic loads are considered in this paper. The soil medium is assumed to be linear, elastic, homogeneous and isotropic. The energy associated with any surface waves can

ВЕСТНИК

be absorbed and damped by the barriers due to geometric and material damping. Application of wave barriers as a method of isolation of structures and foundations from vibrations transmitted in the soil enjoys moderate success. In this research, various open and in-filled trenches used as wave barriers are studied. For this purpose, an extensive parametric analysis has been completed using FLAC-2D software. The findings have proven the efficiency of wave barriers if used in the presence of the structure and applied to suppress the effect of impulse loading on the soil surface. The findings demonstrate that the proposed system composed of the in-filled trench and the structure performs well, as it efficiently reduces the energy of surface waves, although the findings have some exceptions. The discrepancy between the findings of the authors and other researchers may be explained by a different type of load and the presence of a structure.

Key words: vibration reduction, wave barrier, soil response, wave propagation.

References

1. Musaev V.K. Reshenie zadachi difraktsii i rasprostraneniya uprugikh voln metodom konechnykh elementov [Resolving the Problem of Diffraction and Propagation of Elastic Waves Using Method of Finite Elements]. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzheniy [Structural Mechanics and Analysis of Structures]. 1990, no. 4, pp. 74—78.

2. Musaev V.K. Structure Design with Seismic Resistance Foundations. Proceedings of the Ninth European Conference on Earthquake Engineering. Moscow, TsNIISK Publ., 1990, no. 4A, pp. 191—200.

3. Kuznetsov S.V., Nafasov A.E. Gorizontal'nye seysmicheskie bar'ery dlya zashchity ot seysmicheskikh voln [Horizontal Seismic Barriers as Protection from Seismic Waves]. Vestnik MGSU [Proceeding of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 4, pp. 131—134.

4. Kuznetsov S.V. Seysmicheskie volny i seysmicheskie bar'ery [Seismic Waves and Seismic Barriers]. Akusticheskaya fizika [Acoustic Physics]. 2011, no. 57, pp. 420—426.

5. Musaev V.K. Problem of the Building and the Base Interaction under Seismic Loads. Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineering. 2741. Auckland, University of Canterbury, 2000, pp. 1—6.

6. Musaev V.K. Otsenka vliyaniya vzryvov na ob"ekty geotekhniki s pomoshch'yu po-lostey [Using Cavities to Assess Influence of Explosions on Objects of Geotechnics]. Geo-tekhnicheskie problemy megapolisov. Tr. Mezhdunar. konf. po geotekhnike [Geotechnical Problems of Megalopolises. Works of the International Geotechnics Conference]. Moscow, PI «Georekonstruktsiya» Publ., 2010, pp. 1733—1740.

7. Musaev V.K. O dostovernosti rezul'tatov chislennogo metoda resheniya slozhnykh zadach volnovoy teorii uprugosti pri udarnykh, vzryvnykh i seysmicheskikh vozdeystviyakh [On Reliability of Results Generated Using the Numerical Method of Resolution of Complex Problems of the Wave Theory of Elasticity in the Event of Impacts, Explosions and Seismic Loads]. Uchenye zapiski Rossiyskogo gosudarstvennogo sotsial'nogo universiteta [Academic Works of the Russian State Social University]. 2009, no. 5, pp. 21—33.

About the authors: Orekhov Vyacheslav Valentinovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Soil Mechanics, Beddings and Foundations, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; orehov@rambler.ru;

Negahdar Hassan — postgraduate student, Department of Soil Mechanics, Beddings and Foundations, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; hassan_negahdar@yahoo.com.

For citation: Orekhov V.V., Negahdar H. Nekotorye aspekty izucheniya primeneniya tran-sheynykh bar''erov dlya umen"sheniya energii poverkhnostnykh voln v grunte [Particular Aspects of Research into Application of Trench Barriers Aimed at Reduction of the Energy of Surface Waves in the Soil]. Vestnik MGSU [Proceeding of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 98—104.