СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ФУНДАМЕНТОВ
METHOD TO IMPROVE SEISMIC RELIABILITY OF FOUNDATIONS

Изобретение относится к области строительства, а именно к обеспечению сейсмостойкости фундаментов зданий, сооружений, возводимых в сейсмоопасных районах, и может быть использовано при проведении экспериментальных исследований.
Известна конструкция свайных фундаментов с промежуточной подушкой, которая снижает передачу на сваи горизонтальных нагрузок от верхних конструкций при сейсмических воздействиях, поэтому при проектировании фундаментов из свай горизонтальные сейсмические нагрузки не учитываются (см. Рекомендации по проектированию свайных фундаментов с промежуточной подушкой для зданий и сооружений, возводимых в сейсмических районах. - Кишинев, Изд-во ЦК КПСС Молдавия, 1974. - 20 с.).
В известном способе отсутствуют количественные показатели оценочных параметров процесса затухания колебаний, рассеивания энергии в промежуточной подушке с гарантированными свойствами на весь период эксплуатации объекта (срок не менее 50 лет), особенно при обводнении грунтов основания.
Вторым, наиболее близким техническим решением к заявленному, является способ повышения сейсмической надежности фундаментов, включающий использование сейсмоизоляции из сыпучих материалов, содержащей сейсмоизолирующую подушку под фундаментом и засыпку пазух котлована, в котором фундамент возводят, для чего осуществляют взрыво-сейсмические воздействия на фундамент и регистрируют колебания грунта основания и фундамента (см. патент РФ №2081246, опубликовано 16.08.91, БИ №16). 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), что приводит к снижению силы колебаний от 0,5 до 2,7 баллов.
Однако учесть всю работу системы «основание-сейсмоизоляция-фундамент», то есть неоднородность основания и промежуточной подушки, разнообразие конструкций фундаментов, инерционные и динамические свойства и т.д., моделировать математическим расчетом очень сложно. Этот способ не позволяет оптимизировать рабочий диапазон «гашения сейсмических колебаний» в соответствии с их конструктивными параметрами (толщиной подушки и крупностью используемого материала). Кроме того, он не позволяет выявить оптимальный конструктивный вариант фундамента для соответствующей сейсмоопасности в районе возведения фундамента.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение надежной сейсмозащиты зданию (сооружению) при снижении капитальных и эксплуатационных затрат.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении полного подобия моделируемой конструкции фундамента, реальной и более точного соответствия сейсмических параметров взрыва, моделируемому сейсмическому воздействию на модель фундамента, что позволяет путем нескольких испытаний выявить оптимальный конструктивный вариант фундамента, соответствующий сейсмоопасности в районе возведения фундамента.
Поставленная задача решается тем, что способ повышения сейсмической надежности фундаментов, включающий использование сейсмоизоляции из сыпучих материалов, содержащей сейсмоизолирующую подушку под фундаментом и засыпку пазух котлована, в котором фундамент возводят, для чего осуществляют взрыво-сейсмические воздействия на фундамент и регистрируют колебания грунта основания и фундамента, отличается тем, что в котловане соответствующей глубины, воспроизводят фрагмент фундамента и элементов сейсмоизоляции, выявляют заданные в процессе проектирования предельные значения амплитуд скоростей колебаний фундамента, допустимые по условиям сохранения его прочности, после чего проектируют параметры взрыва из расчета получения средних амплитуд скоростей колебаний фундамента на уровне равном предельным, для чего используют выражение
L
2
V=Vxyz=11.776 X, при R=0,815,
L
Σст
нпц
2
где V - векторная скорость колебаний средних амплитуд составляющих (x,y,z) скоростей, передаваемые грунтом основания через слой сыпучего материала фундамента,  приведенная масса заряда, кг; R - коэффициент парной корреляции (значений скорости и приведенной массы заряда); r - расстояние от эпицентра взрыва до места регистрации колебаний, м; h - глубина центра заряда в скважине, м; Q - масса заряда в ступени взрыва, кг; К - коэффициент, учитывающий геологические и рельефные условия, изменяется от 1,0 до 3,0, причем после проведения взрывных работ оценивают уровень гашения сейсмического воздействия и при значении этой характеристики меньше 2,7 балла увеличивают толщину подушки и/или подбирают состав ее материала, при этом испытания повторяют до обеспечения значения амплитуд скоростей колебаний фундамента условиям сохранения его прочности.
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 «…в котловане соответствующей глубины воспроизводят фрагмент фундамента и элементов сейсмоизоляции…» обеспечивают полное подобие моделируемой конструкции фундамента реальной.
Признаки «…выявляют заданные в процессе проектирования предельные значения амплитуд скоростей колебаний фундамента, допустимые по условиям сохранения его прочности…» обеспечивают моделирование экстремальных условий работы моделируемого фундамента в условиях сейсмовоздействия.
Признаки «…проектируют параметры взрыва из расчета получения средних амплитуд скоростей колебаний фундамента на уровне, равном предельным…» обеспечивают приложение к модели фундамента, моделированной взрывом, экстремальной сейсмической нагрузки.
Указание, что для в качестве математического выражения, используемого для расчета получения средних амплитуд скоростей колебаний фундамента на уровне, равном предельным, используют выражение:
L
2
V=Vxyz=11.776 X, при R=0,815,
L
Σст
нпц
2
где V - векторная скорость колебаний средних амплитуд, составляющих (x,y,z) скоростей, передаваемые грунтом основания через слой сыпучего материала фундамента,  приведенная масса заряда, кг; R - коэффициент парной корреляции (значений скорости и приведенной массы заряда); r - расстояние от эпицентра взрыва до места регистрации колебаний, м; h - глубина центра заряда в скважине, м; Q - масса заряда в ступени взрыва, кг; К - коэффициент, учитывающий геологические и рельефные условия, изменяется от 1,0 до 3,0 - обеспечивает более точное соответствие сейсмических параметров взрыва моделируемому сейсмическому воздействию на модель фундамента.
Признаки «…после проведения взрывных работ оценивают уровень гашения сейсмического воздействия и при значении этой характеристики меньше прогнозных по проекту увеличивают толщину подушки и/или подбирают состав ее материала, при этом испытания повторяют до обеспечения значения уровня допустимых амплитуд скоростей колебаний фундамента условиям сохранения его прочности…» - путем нескольких испытаний обеспечивают оптимальный конструктивный вариант фундамента, соответствующий сейсмоопасности в районе возведения фундамента.
Общепринятым критерием сейсмической опасности для любых объектов является векторная скорость колебания грунтов основания (см/с). Эта скорость ближе всего соответствует характеру повреждения охранных объектов. Параметр - скорость колебаний - в меньшей степени зависит от геологического строения пород основания, кроме того, скорость является характеристикой энергии взрыва и имеет прямое отношение к условиям повреждения с учетом категории технического состояния охранного объекта.
На фиг.1 показана сейсмограмма записи двух промышленных взрывов 04 декабря 2007 года в карьере «Северный» ВБЩЗ; на фиг.2 - сейсмограмма записи взрыва 24 апреля 2008 года в карьере «Пограничный» и на фиг.3 - сейсмограмма записи взрыва 06 сентября 2008 года на площадке строительства автодорожного тоннеля.
Предлагаемый способ повышения сейсмической надежности фундаментов осуществляют следующим образом. Отрывают котлован, на дне котлована выполняют дренажную систему, которую укрывают слоем из сыпучих материалов, затем по верху слоя (подушки) устраивают фундамент здания или сооружения, производят заполнение пазух из того же материала, что и подушка. Выявляют заданные в процессе проектирования предельные значения амплитуд скоростей колебаний фундамента, допустимые по условиям сохранения его прочности, после чего проектируют параметры взрыва из расчета получения средних амплитуд скоростей колебаний фундамента на уровне, равном предельным, для чего используют выражение
L
Σст
нпц
2
где V - векторная скорость колебаний средних амплитуд составляющих (x,y,z) скоростей, передаваемые грунтом основания через слой сыпучего материала фундамента,  приведенная масса заряда, кг; R - коэффициент парной корреляции (значений скорости и приведенной массы заряда); r - расстояние от эпицентра взрыва до места регистрации колебаний, м; h - глубина центра заряда в скважине, м; Q - масса заряда в ступени взрыва, кг; К - коэффициент, учитывающий геологические и рельефные условия, изменяется от 1,0 до 3,0. Выполняют контрольные взрывы с разной массой заряда и по записи сейсмограмм затухающих колебаний определяют собственный период грунта основания, необходимый для производства серийных взрывов, моделирующих землетрясения с последующей регистрацией колебаний грунтов основания и фундамента. Взрывы в сериях проводятся с максимально удаленного от объекта ряда, причем все скважинные заряды одной ступени (ряда), взрываются одновременно, временной интервал между взрывами в ступенях (рядах) назначается равным собственному периоду массива колебания грунта, являющимся несущим основанием объекта. Варьируя числом скважинных зарядов в ступени (в ряде), величиной заряда в скважинах и временным интервалом между последовательными взрывами, получим расчетное моделируемое сейсмическое воздействие (например, в интервале 3-9 баллов), которое по длительности, амплитудному смещению, скорости, ускорению и частотному спектру, уровню интенсивности соответствует характеристикам природного землетрясения. Снижение уровня интенсивности колебаний в системе «грунт - подушка - фундамент» определяется путем разницы между интенсивностью колебаний основания и фундамента здания (сооружения), регистрируемых путем измерения записи колебаний сейсмоприборами в виде сейсмограмм.
После проведения взрывных работ оценивают уровень гашения сейсмического воздействия и, при значении этой характеристики меньше прогнозных значений по проекту, увеличивают толщину подушки и/или подбирают состав ее материала, при этом испытания повторяют до обеспечения значения амплитуд скоростей колебаний фундамента условиям сохранения его прочности.
Примеры исполнения способа.
В основу методики сейсмических исследований реакции охранных объектов в расчетах приняты расчетная формула (1), предлагаемая авторами технического решения, которая получена на основе результатов измерения амплитуд смещений, скоростей колебании грунтов, служащих в качестве основания охранных объектов (ОО) при короткозарядных взрывах (КЗВ) скважинных зарядов массой от 2 до 1000 кг на расстояниях от 2 до 800 м в основном внутри квартальной застройки с учетом собственных колебаний грунтов, являющимся основанием объектов, и, в качестве альтернативного варианта, формула (2) академика М.А.Садовского (см. Простейшие приемы определения сейсмической опасности массовых взрывов. - М. - Л.: Издат. АН СССР, 1946. - 29 с.)
где V - допустимая безопасная скорость колебания пород (грунтов), см/с;
К=200 - безразмерный коэффициент; ΣQ - общая масса заряда взрыва, кг;
r - расстояние от эпицентра взрыва (в м) до охранного объекта;
n - показатель степени затухания сейсмовзрывной волны (изменяемой от 1,0 до 2,0), которая основана на опытных данных в диапазоне расстояний от 50 до 10 000 м в пределах от 10 до 10 000 т с учетом величины собственных колебаний объекта.
Пример 1. Оценка уровня сейсмического воздействия массового промышленного взрыва, произведенного 04 декабря 2007 года в карьере «Северный» ВБЩЗ, на девятиэтажный крупнопанельный жилой дом по ул. Карьерная, 11 в г.Владивостоке.
ст
нпц
ΣQ=11340 кг; QΣ=972 кг; K=3; r=575 м.
Результаты теоретических расчетов и инструментальных замеров величин векторных скоростей грунтов основания охранных объектов приведены в таблице 1, а сейсмограмма записи двух промышленных взрывов 04 декабря 2007 года в карьере «Северный» ВБЩЗ показана на фиг.1.
Таблица 1
Расстояние и масса заряда
Оценка векторной скорости колебаний грунтов основания, см/с
По формуле (2) М.А.Садовского
По формуле(1) изобретения
По результатам измерения
Погрешность формулы, %
(2)
(1)
r=575 м ΣQ=11340 кг Q<sub>Σст</sub>=972 кг n<sub>ст</sub>=12 (число ступеней)
V=1,545
+235,8
V=0,655
V=0,609
-7,1
Пример 2. Оценка уровня сейсмического воздействия промышленного взрыва, произведенного 24 апреля 2008 года при рыхлении горной породы в карьере «Пограничный» месторождения флюаритов ООО «Русская ГРК» на здания по ул. Ленинская в с.Вознесенка Приморского края.
ст
нпц
ΣQ=3915 кг; QΣ=475 кг; K - 3; r=475 м.
Результаты теоретических расчетов и инструментальных замеров величин векторных скоростей грунтов основания охранных объектов приведены в таблице 2, а сейсмограмма записи взрыва 24 апреля 2008 года в карьере «Пограничный» - на фиг.2.
Таблица 2
Расстояние и масса заряда
Оценка векторной скорости колебаний грунтов основания, см/с
По формуле(2) М.А.Садовского
По формуле(1) изобретения
По результатам измерения
Погрешность формулы, %
(2)
(1)
r=475 м ΣQ=3915 кг QΣ<sub>ст</sub>=340 кг n<sub>ст</sub>=12 (число ступеней)
V=1,209
+245,9
V=0,492
V=0,519
+5,6
Пример 3. Оценка уровня сейсмического воздействия массового взрыва на участке производства буровзрывных работ (БВР) на здание фуникулера, подпорной стенки и учебного корпуса ДВГТУ, произведенного 06 сентября 2008 года при производстве БВР по строительству автодорожного тоннеля мостового перехода через бухту Золотой Рог в г.Владивостоке на магистрали, связывающей Федеральную автомобильную дорогу М-60 «Уссури» (Хабаровск-Владивосток) с островом Русский. Искусственные сооружения II пускового комплекса (объект САММИТА АТЭС - 2012).
Σст
нпц
ΣQ=96 кг; Q=13,5 кг; К=3; r=30 м.
Результаты теоретических расчетов и инструментальных замеров величин векторных скоростей грунтов основания охранных объектов сведены в таблицу 3, а сейсмограмма записи взрыва 06 сентября 2008 года на площадке строительства автодорожного тоннеля показана на фиг.3.
Таблица 3
Расстояние и масса заряда
Оценка векторной скорости колебаний грунтов основания, см/с
По формуле (2) М.А.Садовского
По формуле(1) изобретения
По результатам измерения
Погрешность формулы, %
(2)
(1)
τ=30 м ΣQ=96 кг Q<sub>Σст</sub>=13,5 кг n<sub>ст</sub>=8 (число ступеней)
V=11,926
+468,4
V=2,546
V=2,644
+3,8
Сравнительный анализ двух способов расчета основан на разных методах, предлагаемая авторами формула (1) получена при сейсмоконтроле взрыва в стесненных условиях городской застройки при малых зарядах взрывчатых веществ (ВВ) с учетом величины периода собственных колебаний грунтов основания охранного объекта, а теоретический расчет М.А.Садовского основан на методике научно-исследовательских работ (НИР) сейсмической реакции объекта при больших массах зарядов ВВ с учетом собственных колебаний объекта. Поэтому результаты теоретических расчетов по формуле (2) М.А.Садовского прогнозируются в несколько раз выше, чем по формуле (1), предлагаемой авторами.
Вывод: расчетные данные, полученные по формуле, заявленной в предлагаемом техническом решении, для стесненных условий городской застройки и при малых зарядах ВВ значительно точнее, чем данные, полученные по известной формуле М.А.Садовского.
Применение предлагаемого способа повышения сейсмической надежности фундамента повышает сейсмоустойчивость объектов и в целом снижает материальные затраты.