Динамика грунта и охраняемых сооружений при погружении свай

УДК 624.154

ДИНАМИКА ГРУНТА И ОХРАНЯЕМЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ СВАЙ

Е.К. Борисов, А.Г. Усов

Начало строительства в центрах городов связано с необходимостью формирования свайных полей под фундаменты зданий. Этот процесс связан с погружением в грунт свай ударным способом, что генерирует динамические поля. Последние могут представлять опасность для уже существующих зданий и сооружений, техническое состояние которых во многих случаях вызывает сомнение в их сохранности. В настоящей работе приводятся результаты оценки безопасных режимов погружения свай в грунты III категории, полученные с помощью анализа натурных экспериментальных работ методами статистической динамики сооружений, и рекомендации по безопасным расстояниям при выполнении условий действующих нормативов.

The beginning of construction works in the city centers is connected with necessity of shaping ofpile fields under the bases of buildings. This process is connected with plunging of silts in a priming coat by jolting that oscillates dynamic fields. The latter can represent hazard to already existing buildings and buildings which technical condition is doubtful in terms of its safety. The results of the research of safe conditions of stilts plunging in the priming coats of III class gained by the analysis offull-scale experimental operations by methods of statistical dynamics of buildings, as well as recommendations on safe passing distances according to the conditions of operating standards are given in the article.

Для России в настоящее время характерно проведение уплотняющей застройки городских центров зданиями повышенной этажности. Как правило, формирование их оснований производится путем ударного погружения свай, что вызывает вполне обоснованные опасения собственников жилья, расположенного вблизи таких сооружений.

В связи с тем что погружение свай производится на близких к охраняемым сооружениям расстояниях (до 10-15 м), застройщикам еще на стадии проектирования необходимо иметь надежный прогноз по предполагаемой опасности проведения работ, что в некоторых случаях может привести к необходимости изменения типа фундамента.

Действующие СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов» предусматривают несколько вариантов решения этого вопроса:

— безопасные расстояния устанавливаются исходя из следующего условия: расчетная скорость вертикальных колебаний фундамента не должна превышать предельно допустимого значения для данного здания или сооружения, которое устанавливается в зависимости от конструктивных особенностей здания или сооружения и категории их состояния;

— допустимые значения скорости колебаний могут быть определены по СП 50-102-2003;

— в необходимых случаях безопасные расстояния должны уточняться на основе инструментальных измерений параметров колебаний грунта и сооружения при пробном погружении свай.

Самым простым и надежным, на наш взгляд, является проведение экспериментальных измерений динамики систем «свая - грунт - фундамент - охраняемое сооружение» и последующее сопоставление полученных результатов с нормативно-допустимыми или прогнозирование уровня динамики на основе статистического обобщения уже выполненных измерений, учитывающих грунтовые условия, тип и конструкцию охраняемых сооружений, их пространственную ориентацию по отношению к месту проведения сваебойных работ. Исследования такого рода были выполнены в Южно-Сахалинске (1990) с целью определения безопасности проведения работ для близкорасположенных жилых зданий.

Измерения динамики при пробных погружениях свай проводились на грунте (рис. 1), четырехэтажном панельном здании серии I-464C и пятиэтажном панельном здании серии I-464AC-15 с габаритными размерами в плане 56,9 х 11,5м. Первое здание имело монолитный железобетонный фундамент, второе - ленточный с подфундаментной щебеночной подушкой мощностью около 1,5 м.

При осмотре по всей высоте четырехэтажного здания были обнаружены тонкие сплошные трещины по вертикальным швам. Цементные маячки, установленные на швах, после поступления от жильцов жалоб на высокий уровень вибрации при сваебойных работах были срезаны. Однако о причинах данного явления не было однозначного мнения, поскольку еще при строи-

тельстве происходили настолько большие неравномерные осадки здания, что его заселение было задержано.

А.Д

Ь-Б

С-С

- — —

8А _л 6А _УЮА

— _Т 5А -

_Т4А

»7А * ІА » 9А

\тттпт7т Г7777Т 7777Т УГГЛГ 77Щ

/'/// ЛУРЯ

ъ-ъ

' 5Ь г

гЗЬ

Ч »2Ь Ь "»Л ////»>/'/

5эт

5эт

1эт

77777,

Рис. 1. Ситуационная схема измерений: а - план полигона, б - расстановка аппаратуры по высоте зданий; © - измерения на грунте; ©,  - четырехэтажное и пятиэтажное здания;  - точки измерения динамики

Грунты в районе исследования (изыскания Сахалинского отделения ДальТИСИЗ) представлены гравийно-галечниковыми отложениями с песчано-глинистым заполнением при установившемся уровне грунтовых вод от 3,6 до 5,7 м.

Сваебойные работы были выполнены на сваях СУ7-30 дизель-молотом С-996 с энергией удара 54 000 Дж. Измерения на грунте производились для глубин погружении свай в диапазонах 0-2, 2-3 и 3-4 м. При глубине погружения около 4 м наступал проектный отказ свай. Анализ осциллограмм перемещений (рис. 2) был выполнен в традиционном детерминированном варианте.

а б в

Рис. 2. Типовые осциллограммы динамики грунта

Грунт. Регрессионные линии между параметрами перемещений грунта по продольной (Х) и вертикальной (2) составляющим достаточно близки и могут быть обобщены. Сводные числовые результаты обработки приведены в табл. 1 и на рис. 3.

Таблица 1

Усредненные детерминированные оценки динамики грунта при погружении свай

Параметры динамики грунта Удаление точки измерения от места погружения сваи, м Глубина погружения свай, м

6 12 24 48

Составляющие

X У 1 X 1 X 1 X 1

Частота, Гц 14,7 13,5 17,4 15,2 13,0 13,0 11,3 13,0 1,3 0-2

Амплитуда, мк 85,6 64,6 37,5 38,1 19,2 10,4 10,0 3,3 5,0

Скорость, мм/с* 8,0 5,4 4,2 3,6 1,6 0,8 0,7 0,3 0,4

Скорость волны, м/с - - - 590 390 840 780 1100 910

Частота, Гц 14,5 11,9 15,0 13,0 14,4 13,0 11,8 12,8 11,3 2-3

Амплитуда, мк 86,6 80,0 37,1 52,3 16,6 10,4 8,3 3,3 4,1

Скорость, мм/с* 8,1 5,8 3,6 4,3 1,5 0,8 0,6 0,3 0,3

Скорость волны, м/с - - - 670 223 910 520 990 640

Частота, Гц 16,7 17,2 15,8 13,0 11,8 13,0 10,8 13,0 11,8 3-4

Амплитуда, мк 68,6 19,2 32,9 24,3 12,5 11,2 7,5 3,3 3,8

Скорость, мм/с* 7,4 1,8 3,2 2,0 0,9 0,9 0,5 0,3 0,3

Скорость волны, м/с - - - 650 390 900 780 1092 820

* Расчетная величина.

Уравнения обобщенных регрессий имеют следующий вид:

— для перемещений

X = 1279Д15, 2 = 298Я-11,

для скоростей

Ух = 125Я4’6, Кг = 33ВТ1’2

где Я - расстояние от точки измерения до места погружения сваи, м.

Частоты колебательных процессов по всем составляющим лежат в диапазоне 10-17 Гц, соответствует частотам, определенным по «хвостам» осциллограмм.

что

о

Л

§

о

2 •

\

\ * 1

\\

3

20

Расстояние,

40

60

Рис. 3. Зависимость скоростей колебаний грунта по 2 при удалении от точки погружения свай на 1, 2 и 3-й стадиях погружения

Четырехэтажное здание. Основные результаты дискретной обработки записей, приведенные в табл. 2, показывают, что частоты определяющих амплитуд в 1,5-2 раза превосходят частоты поперечных собственных колебаний зданий такого типа, т. е. колебания являются вынужденными.

Фазовые линии перемещений

- в основном «качанием». Большие перемещения концевых сечений определяются наличием крутильных колебаний, вызванных несовпадением центров масс и жесткостей здания и нецентральным подходом волн деформаций грунта.

Таблица 2

Оценки основных параметров динамики четырехэтажного дома

0

м

Точки измерения 1 2 3 4

Составляющие X У 1 X У 1 X У 1 X У 1

Частота, Гц Амплитуда, мк Скорость, мм/с* 12,2 5,4 0,41 12,2 5,8 0,44 9,6 8,3 0,50 11,2 1,7 0,12 12,2 0,4 0,03 12,2 3,8 0,29 10,0 0,1 0,01 11,6 1,2 0,09 11,0 4,6 0,32 10,1 0,1 0,01 12,2 1,3 0,10 11,0 4,8 0,33

Точки измерения 5 6 7 8 9 10

Составляющие X У 1 X У 1 У У У У

Частота, Гц - 11,2 11,2 6,7 4,8 11,2 12,7 10,2 12,7 11,3

Амплитуда, мк - 1,4 3,8 0,8 1,8 3,8 1,3 2,5 1,1 3,1

Скорость, мм/с* - 0,10 0,27 0,03 0,05 0,27 0,10 0,16 0,10 0,22

* Расчетная величина.

Перемещение, Мк Перемещение, мк

а б

Рис. 4. Перемещение конструкций четырехэтажного здания

Для среднего сечения (В) по поперечной составляющей между перемещениями грунта и фундамента имеется расхождение почти в 8,2 раза, что является вполне нормальным для высокочастотных (зарезонансных для здания) колебаний, генерированных в грунте заколачиванием свай [3].

Пятиэтажное здание. В отличие от четырехэтажного здания волны деформаций подходят с торца. Это приводит к преобладанию перемещений нижней части здания по сравнению с верхней (рис. 4, б), что уже отмечалось нами при динамической калибровке зданий торцевыми взрывными импульсами [4]. Уменьшение амплитуды продольных колебаний при переходе от грунта к фундаменту составляет примерно 2,1 раза. В остальном общая ситуация принципиально не отличается от установленной для четырехэтажного здания.

Следует отметить, что грунты района исследований являются слабыми водонасыщенными (III категории по сейсмическим свойствам). При начале формирования свайного поля это привело к тому, что сваи «тонули» в грунте. В результате проектировщики решили заменить свайный фундамент ленточным с подфундаментной щебеночной подушкой. Основные результаты дискретной обработки приведены в табл. 3.

Таблица 3

Оценки основных параметров динамики пятиэтажного дома

Точки измерения 1 2 3 4

Составляющие X У 1 X У 1 X У 1 X У 1

Частота, Гц 11,2 12,2 13,4 11,2 12,8 11,2 9,7 11,3 10,5 13,6 - 10,5

Амплитуда, мк 2,1 1,5 2,9 1,0 1,1 1,7 1,3 0,8 1,7 0,1 - 1,8

Скорость, мм/с* 0,15 0,11 0,25 0,07 0,08 0,11 0,08 0,06 0,11 0,01 - 0,11

Точки измерения 5 6

Составляющие X У 1 X У 1

Частота, Гц 10,2 - 10,2 - - 10,2

Амплитуда, мк 0,1 - 2,5 - - 2,4

Скорость, мм/с* 0,01 - 0,16 - - 0,15

* Расчетная величина.

Анализ безопасности. В соответствии с отечественными и зарубежными публикациями допустимая скорость колебаний грунта от импульсных воздействий в основании панельных зданий

высотой до пяти этажей с различной конструкцией фундаментов и различными грунтами в основании лежит в диапазоне 5-15 мм/с, что существенно выше зарегистрированных аппаратурой.

С другой стороны, по СП 50-102-2003 допустимая величина вертикальной скорости на фундаменте охраняемых панельных зданий (У10) в зависимости от грунтов основания лежит в диапазоне 5-30 мм/с, что хотя и достаточно хорошо коррелируется с данными литературных источников, тем не менее в два раза превышает рекомендуемые ими допустимые величины.

Это объясняется тем, что даже при отсутствии виброгасящих систем в основании охраняемых сооружений при переходе от грунта к фундаменту происходит фильтрация импульсного воздействия контактной зоной грунт - фундамент, что хорошо иллюстрируется передаточными функциями ф0(/) - соотношениями спектров выходного SFd(f)y (на фундаменте) и входного SFd(f)y (на грунте) процессов:

фо(/) = SFd(f) у/SFd(f) у.

Частота, Гц а

О

8

о

э-

Частота, Гц в

Частота, Гц б

Частота, Гц

г

Рис. 5 Спектры импульсных воздействий для грунта

Известно, что спектры импульсных процессов имеют максимум на основной частоте, в связи с чем энергия колебания на всех остальных составляющих частотах незначительна [5]. Поскольку при прохождении силовых потоков в линейных системах редуцирования частот не происходит, можно считать, что соответствующее изменение произойдет и со скоростными параметрами импульса. Судя по передаточным функциям (рис. 5) для исследованных зданий, амплитуда колебаний составляющей с основной частотой импульса (~ 12 Гц) уменьшается примерно в 1,5 раза.

С учетом вышесказанного допустимая скорость вертикальных колебаний грунта для обследованной ситуации может быть определена как

[У2] = У2с>/фо(/) - Бу.

При значении передаточной функции фо(/’) = 0,64 и среднеквадратичном отклонении для регрессии Бу = 0,4, величина [У2] = 2,9-9,6 мм/с, а безопасное расстояние в соответствии с установленным регрессионным соотношением равно соответственно 7,6 и 2,9 м.

Результаты настоящего исследования были успешно использованы для оценки безопасности формирования свайного поля под 26-этажное здание во Владивостоке.

Литература

1. Заключение об уровне динамики и вибрации двух жилых домов и грунта в районе их расположения в Южно-Сахалинске при погружении свай: Отчет о НИР // ДальНИИС Госстроя СССР. - Владивосток, 1990. - 22 с.

2. Заключение об уровне динамики и вибрации жилого дома и грунта на площадке строительства по ул. Селедцова в Партизанске при погружении свай: Отчет о НИР // ДальНИИС Минстрой России, НПЦ «Сейсмозащита». - Владивосток, 1993. - 34 с.

3. Борисов Е.К., Славгородский М.В. Экспериментальная динамика сооружений. Безопасность зданий в сейсмической зоне промышленных взрывов. - Владивосток: МГУ им. Г.И. Невельского, 2003. - 132 с.

4. Славгородский М. В. Особенности динамики трехэтажного здания при взрывных воздействиях с фасада и торца // Тр. ДВГТУ. Вып. 134. - Владивосток: ДВГТУ, 2003. - С. 38-42.

5. Харрис С.М., Крид Ч.И. Справочник по ударным нагрузкам. - Л.: Судостроение, 1980. - 360 с.