Остаточные сейсмические смещения грунта, горизонтальные воздействия на здание, сейсмостойкие свайные фундаменты

Их количество увеличивается с повышением содержания в сырьевой смеси песчано-глинистых пород. Рост прочности образцов с добавками песчано -глинистых пород происходит в результате образования более прочной микроструктуры цементирующего вещества за счет повышения плотности упаковки материала и увеличения количества новообразований. Как показано на рис. 3, количество новообразований в поре и в межпоровых стенках у контрольных образцов меньше, чем у образцов с содержанием песчано-глинистых пород. Гидрогранаты, появляющиеся в субмикрокристаллической гелевидной фазе из низко -основных гидросиликатов кальция, являются микронаполнителем. Рост средней плотности и связанное с этим формирование более плотной упаковки приводит к снижению водопоглощения. Это подтверждается тем, что образцам с максимальной средней плотностью соответствует минимальное водопоглощение.

Таким образом, вскрышные песчано-глинистые породы Архангельской алмазоносной провинции можно использовать в качестве сырья для получения окрашенных высокопустотных силикатных материалов автоклавного твердения, превосходящих извест-ково-песчаные изделия по своим физико-механическим показателям.

Замена традиционных дефицитных материалов более дешевыми, доступными и эффективными вскрышными породами Архангельской алмазоносной провинции позволит не только снизить содержание отходов в отвалах и создать благоприятные микроклиматические условия для жизнедеятельности человека, но и повысить эффективность их использования в качестве одного из источников сырья для силикатных автоклавных материалов.

Литература

1. Терещенко А.П., Лесовик В.С., Воронцов В.М., Володчен-ко А.Н. Вскрышные породы КМА - сырье для автоклавных силикатных материалов // Инф. ВНИИЭСМ. Сер. 2. Промышленность строительных материалов. М., 1985. Вып. 7. С. 10-14.

2. Кротков В.В., Кудрявцева Г.П., Богатиков О.А. и др. Новые технологии разведки алмазных месторождений / Под ред. Н.П. Лаверова. М., 2001.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова 21 июня 2006 г.

УДК 699.841

ОСТАТОЧНЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ СМЕЩЕНИЯ ГРУНТА, ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗДАНИЕ, СЕЙСМОСТОЙКИЕ СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

© 2006 г. В.Г. Столяров

Величина и роль остаточных сейсмических смещений грунта

Обсудим направления учёта и использования в реальном проектировании гражданских и промышленных зданий остаточных сейсмических смещений грунта [1, 2]. Этот фактор является относительно новым. Он не отражён в действующих нормах и проектной практике. В 1996 г. в [3] обсуждено влияние остаточных смещений на геоэкологию Прибайкалья, но аргументация не конкретная: смещения опасны, так как достигают больших значений - 263 мм в 9-балльной зоне, 1,585 м - в 10-балльной и 9,55 м - в 11-балльной. В 1999 г. нами предложено [4] учитывать саму величину остаточных смещений при проектировании свайных фундаментов с промежуточной подушкой [5, 6]. В связи с этим показано, что нельзя применять однорядные свайные ленточные фундаменты под стену - вместе с грунтом получат смещения и сваи, не связанные с ростверком и массой здания, а

вертикальная нагрузка становится несоосной фундаменту (т.е. - ряду свай).

В [2] В. М. Грайзер ставит задачу определить связь между смещением почвы х(/) и акселерограммой у(/) - найти истинное движение почвы из записи землетрясения. Задача: «в зависимости от соотношения между амплитудами сигнала и помехи, присутствующей в записи, определять истинное движение почвы с учётом остаточного смещения, без учёта остаточного смещения (колебательную составляющую движения) или смещение в ограниченной полосе частот».

Наибольшее значение имеют остаточные смещения грунта. В [1] В. М. Грайзер определил, что во время землетрясения (а также «взрыва мощностью 104 кг, зарегистрированного в районе пос. Чилик» [2]) грунты получают остаточные смещения и0, мм. Эмпирические зависимости и0(М, Я) и и0(1) остаточных смещений определены им для землетрясений с магни-

тудой 3 < M < 7,3 и при удалениях R от эпицентра от 6 до 250 км [1].

lg U0 = -3,7 + 1,1 M - 1,1 lg R.

Для строителей более значима зависимость остаточных смещений грунта U0 (I) от интенсивности землетрясений (при I - не менее 5 баллов):

lg U0 = - 4,6 + 0,78 I.

В [7, 8] показано, что (при определении I0 - интенсивности в эпицентре - по эмпирическим формулам Н. В. Шебалина) магнитуде М = 7,5 соответствует I0 = 10,13 балла. В [9] приведена приближённая формула: M = I0 - 2,5, из которой следует, что при магнитуде М = 7,3 интенсивность I0 = 9,8 балла. Определённое в [3] U0(11) = 9550 мм далеко выходит за границы действия (1).

Становление современной сейсмологии связывают [10] с выходом в свет в 1862 г. двухтомника ирландского инженера Роберта Малетта о «великом неаполитанском землетрясении 1857 г.». Зарождалась наука о безопасности зданий, которую следовало назвать строительной сейсмологией (точнее - тектонической: тектон по-гречески - строитель). 1903 г. принято считать временем зарождения инструментальной сейсмологии, но ещё в 1889 г. в Потсдаме фон Робер и Пашвиц с помощью одной из первых конструкций сейсмографа зарегистрировали произошедшее в Японии - на другой стороне земного шара -землетрясение [10]. После этого события интересы сейсмологов были сосредоточены на распространении волн, на изучении строения Земли, а инженерная сейсмология потеряла не только красивый греческий термин, но и интерес к реальной проблеме: как сейсмические волны воздействуют на подземную часть здания, как происходит разрушение здания, смещаются ли при этом фундаменты и здания?

Век спустя после начала применения сейсмографов подошли к решению вопроса о том как соотносятся движения их маятников с движением почвы. Но в [11] отмечается: «Основное внимание в этой дискуссии ... уделяется не физическому смыслу процесса, а выбору относительной величины, удобной. для измерения. Процесс сотрясения как таковой в современной сейсмологии не рассматривается». С. В. Мишин сбрасывал три разных груза (Mmax / Mmin= 7,72) с разных высот, добиваясь, чтобы в одном случае были равны моменты количества движения Mv, кг-м /с, а в другом - энергия Е, кг-м. Одинаковые сейсмограммы (одинаковые интенсивность колебаний и длительность затухания колебаний) оказались в опытах, где Mv = = const. Выполнялся закон сохранения количества движения, но энергии, вызвавшие одинаковые сотрясения, разнились в 8 раз. Закон сохранения энергии в сложном процессе сотрясения определяется «не только интенсивностью, но и спектральным составом и длительностью» [11]. Автор делает вывод: «Продольные волны соответствуют распространению поступательного импульса (количества движения), поперечные волны переносят вращательный импульс (момент

количества движения)». Таким образом, «распространение сейсмических волн - это передача количества движения в сплошной среде, ... интенсивность сотрясения пропорциональна переданному при ударе количеству движения».

О точности определения интенсивности землетрясения

Достижения сейсмологии Земли огромны. Профессиональный сейсмолог Дж. Эйби, ратуя за развитие сейсмологии Земли, не хотел, чтобы средства тратились на развитие «скороспелых методов предсказания землетрясений». И на сей день Г. А. Соболев в [12, с. 134] констатирует: «.Данные подтверждают возможность успешного прогноза сильного землетрясения в долгосрочном и среднесрочном аспекте по комплексу разнообразных методов. В то же время не создано ещё теоретического обоснования и не накоплено нужного практического опыта для краткосрочного прогноза». Точность прогноза параметров сейсмических воздействий крайне низка. По данным Ф.Ф. Ап-тикаева [13], при определении сейсмической интенсивности I «за счёт округления I до целочисленных значений . погрешность оценок может достигать 60 %». Ф. Ф. Аптикаев [13] отмечает: «Например, к 8 баллам относится интервал интенсивности от 7,5 до 8,5 баллов; при этом вблизи границы 7,5 баллов данных в 3 раза больше, чем у границы 8,5 баллов». К 8-балльной зоне будем относить объекты, где остаточные смещения и0 (7,5) = 17,8 мм и где и0 (8,5) = = 107,2 мм. Расхождение смещений - в 6 раз. Это неприемлемо низкая для техники точность. В 10-балльной зоне разница смещений будет измеряться в метрах.

«В проекте новых СНиП для уменьшения таких ошибок Я. М. Айзенберг предлагает пользоваться интерполяцией» [13]. Для строителей желательно, чтобы сейсмологи давали для каждого населенного пункта значение сейсмической интенсивности I с точностью 0,1, как это указывается в Японии для пунктов на берегах заливов Сагами и Токийского. Тогда погрешность А и0 будет «всего» 20 %.

О характере сейсмического разрушения зданий

Многие специалисты отмечали, что определяемые резонансно-колебательной теорией усилия и вызываемое ими разрушения не соответствуют действительности. Во-первых, из широкого спектра частот колебаний грунта выбираются именно те, которые совпадают с частотой собственных колебаний здания, и, якобы, от этого совпадения наступает резонанс. Во-вторых, реальные здания за счёт неупругих деформаций и трещинообразования будут уходить от резонанса. В 1987 г. В. Т. Рассказовским (ин-т механики и сейсмостойкости сооружений АН УзССР) «сделан вывод, что резонансные явления не наблюдаются» [14].

С.Б. Смирнов [15], анализируя уроки катастрофы в Кобе, отмечает, что каменные и железобетонные здания имеют сдвиговой характер разрушения, а сваи срезаются в месте их заделки в ростверке. Для пре-

дотвращения этого в верхней части свай рекомендовалось усиление их стальными обоймами. О доминировании сдвиговых усилий говорит характеристика 9-балльного землетрясения по шкале М5К (в редакции шведского сейсмолога М. Бата) [10, с. 247]: «...Здания смещаются относительно своих фундаментов» (правильнее - фундаменты смещаются относительно своих зданий, В. С.). О причинах среза фундаментов, роли массы здания говорит высказывание Дж. А. Эйби: «Опасность, связанная с инерцией, менее очевидна для строителей небольших общественных и жилых зданий. Когда земля под каким-нибудь объектом смещается, то чем больше его масса, тем сильнее тенденция противостоять движению». Чётко улавливается суть происходящих явлений: горизонтальное воздействие грунта, инерция здания, срез фундаментов. Укладываются в эту схему и факты меньшего разрушения зданий из лёгких конструкций. Чем меньше масса здания, тем меньше «тенденция противостоять движению», меньше срезывающие усилия. Надземная часть здания может сместиться вместе с подземной частью. Малая масса - «переезжает» вместе с фундаментом, большая масса, большие инерционные силы - это якорь. И, по-видимому, установление факта остаточных сейсмических смещений (например, на 1585 мм в 10-балльной зоне) должно убедить всех и каждого в истинном характере происходящих процессов. Подтверждается развитая А. Г. Назаровым «концепция сейсмического удара, предполагающая возможность представления сейсмического воздействия в виде импульса» [9, с. 21]. При проектировании важно установить факт: надземная часть здания сохраняет своё положение в пространстве или она перемещается вместе с подземной частью.

В Своде правил проектирования в сейсмических районах СП 31-114-2004 нашло отражение высказывавшееся С. Б. Смирновым положение: разрушение каменных зданий при землетрясениях имеет сдвиговой характер.

Остаточные сейсмические смещения грунта и устойчивость здания

При учёте остаточных сейсмических смещений затруднён расчёт устойчивости (несмещаемости) всего здания. Обычно при действии на объект горизонтальных сил N его смещению препятствуют силы трения (коэффициент трения Ктр помноженный на вертикальная нагрузку Ыу) по подошве фундамента 2тхр= Ктр N действующие в противоположном этим горизонтальным силам направлении, и пассивное давление грунта Епас Равновесие будет обеспечиваться, если

N < 2Ттр + Епас .

Эти силы рекомендуется учитывать (принимая 2ттр в качестве сил удерживающих) и в [5, п. 12.3], где остаточные сейсмические смещения и меры борьбы с ними не рассматриваются. В момент землетрясения и смещений грунта силы трения будут иметь одинаковое направление с силами, воздействующими на вер-

тикальные поверхности подземной части. Возникает вопрос: за счёт чего здание может сохранить равновесие, не смещаться? Полагаем, что продольные волны Релея (при распространении которых частицы грунта после радиального движения вперёд совершают «кульбит назад» [10]), воздействуя на подземную часть здания, далее, непосредственно за ним не распространяются и на некотором расстоянии остаточные сейсмические смещения будут отсутствовать. Назовём это для краткости «сейсмической тенью». Грунт в этой «сейсмической тени», будет оказывать пассивное давление на тыловую вертикальную поверхность здания, помогая сохранять равновесие здания (рис. 1 и условие (3)).

Рь^ + 2Ттр < Епас ,

где - горизонтальная составляющая сил сейсмического воздействия.

Рис. 1. Зона сейсмической тени за зданием. Силы трения по подошве увеличивают сдвигающее усилия, действующие на подземную часть здания

Переход суммы сил трения 2ттр (см. неравенства (2) и (3) из правой части неравенства (сил, препятствующих смещекнию) в левую (где представлены силы, вызывающие смещение) затрудняет достижение равновесия. Но сохранение равновесия - это вовсе не безусловное благо. Это свидетельство того, что усилия среза будут максимальными.

Сейсмостойкие свайные фундаменты для районов с сейсмичностью 7...9 баллов

Поставленные выше вопросы не могут быть решены в одночасье, требуется накопление опытных данных по сейсмическому смещению зданий традиционной конструкции во время землетрясения, создание теории устойчивости зданий (определения их смещаемости или несмещаемости) во время сейсмического воздействия. Ведь «концепция сейсмического удара», развитая А. Г. Назаровым ещё в 1946 г., до сих пор не получила детальных разработок. Результаты анализа сдвигового характера сейсмического разрушения, приводимые С.Б. Смирновым в течение полутора десятков лет в подтверждение этого факты, пока не нашли должного отражения в нормативной литературе. Один из путей здесь - предложение принципиально новых конструктивных решений здания и его фундамента [16], при котором на надземную часть

горизонтальные сейсмические воздействия будут передаваться в минимальном объёме. Это достигается за счёт поднятия подошвы фундаментной платформы на уровень поверхности земли и расположения под подошвой скользящего слоя для уменьшения сил трения по подошве фундамента.

В г. Кобе применялись свайные фундаменты традиционной конструкции; там сваи срезались в месте их соединения с ростверком. Противодействие срезу (по предложению С. Б. Смирнова [15]) - усиление их стальными обоймами. Сталь - в отличие от хрупких и полухрупких каменных и бетонных конструкций -обладает пластическими свойствами и лучше противостоит усилиям среза. Но в конструкции свайных фундаментов с промежуточной подушкой [5, 6] как бы предугаданы остаточные смещения свай вместе с грунтом и в них исключён срез свай. Сваи, будучи не связанными с монолитным ростверком и всей массой здания, при землетрясении колеблются и перемещаются вместе с окружающим грунтом.

Предлагаемый сейсмостойкий свайный фундамент [17] - это свайный фундамент с промежуточной подушкой, в котором применены упомянутые выше два конструктивных приёма для уменьшения горизонтальных сейсмических воздействий на надземную часть здания, предложенные в [16]. Область применения пространственной фундаментной платформы (патент № 2206665) - «для сейсмостойкого строительства на слабых, просадочных, пучинистых, веч-номёрзлых грунтах, которые определены как особые ... использован принцип сохранения несущих свойств слабых грунтов в естественном состоянии.» [16]. В сейсмических районах Северного Кавказа широко (примерно на 80 % поверхности) распространены лёссовые просадочные грунты. Эта новая и продуктивная идея красноярских учёных может быть скомпрометирована, по нашему мнению, именно при строительстве на просадочных грунтах II типа: просадка от их собственного веса может быть от 10.20 см до 1.1,5 м, что и без землетрясения сделает эксплуатацию упомянутой платформы невозможной. Наше мнение: вначале надо устранить просадку, а лишь затем устраивать сейсмостойкие фундаменты [16] или [17].

В [5, 6] размеры ростверка принимают равными расстоянию между наружными гранями наружных рядов оголовков. В [17] (рис. 2) размер ростверка принимается в каждую сторону больше на расстояние U0 (I) - после остаточных смещений грунта вместе со сваями они должны оставаться под ростверком.

Остаточные сейсмические смещения свай могут иметь любую величину U0 (I) < U0 (Imax). Поэтому, например, если трёхрядный свайный фундамент (т. е. сами три ряда свай) получит остаточные смещения U0 (I), то между центром стены и центром куста свай появится такой же эксцентриситет eeq = U0 (I).

Расстояние между сваями в ряду и между рядами свай следует принимать с учётом возможного дополнительного сейсмического момента

&Meq = Na eeq, max ,

где Na - вертикальная составляющая сейсмической нагрузки.

DL

± 0,000

121 1*1

V V

а)

DL

± 0,000

II

12 IS1

б)

Рис. 2. Сейсмостойкий свайный фундамент: а - на момент возведения; б - после остаточных сейсмических смещений грунта и свай

Свайный фундамент для высокосейсмичных районов [18]

Область применения - районы с интенсивностью землетрясений 9 и 10 баллов. Фундамент (рис. 3) имеет то же назначение - максимальное снижение горизонтальных сейсмических воздействий на надземную часть здания. Но поскольку остаточные сейсмические смещения в 9- и 10-балльных зонах значительно возрастают (например, и0 (10,0) = 1585 мм, а и0 (10,5) = 3890 мм = = 3,89 м), то принимать ширину ростверка, как ранее, становится невозможным. Используются для этого новые принципы. Например, ленточный фундамент под стену проектируется с двумя или тремя рядами свай (пд рядов свай), располагаемых непосредственно под ростверком. Это определяется из сопоставления нагрузки на фундамент и несущей способности свай. Ширина ростверка принимается равной

Бк = Ль (пк - 1) + 2 (Аь /2) = пкЛь, где Ль - шаг свай в рассматриваемом направлении.

К расстоянию между осями наружных рядов свай прибавляется по половине шага свай в каждом направлении. Кроме пк рядов свай, располагаемых непосредственно под ростверком, устраивают пзак рядов свай законтурного армирования основания в каждую сторону от центра фундамента с тем же шагом свай Ль: в 9-балльной зоне не менее одного ряда, а в 10-балльной зоне - не менее двух рядов. Расстояние между крайними рядами свай, располагаемых под ростверком, и крайними рядами свай законтурного армирования принимают не менее величины остаточ-

ных сейсмических смещений грунта и0 (/тах), мм по (1) при возможном землетрясении максимальной интенсивности /тах для данного объекта

8 4

DL 6

-X

10

9

± 0,000 / г

г

ri Г**! Г*1 г*1 г-1

12

3

V" IV ™ ^fc

а)

7 8 4 DL

10

± 0,000

Lr^1 c?* rt* rh ci1 с? r*?

12

J^X ™

б)

Рис. 3. Свайный фундамент для высокосейсмичных районов: а - на момент возведения; б - после максимальных остаточных сейсмических смещений грунта и свай

. При больших остаточных сейсмических смещениях один или два ряда свай, первоначально расположенных под ростверком, уйдут из-под него и столько же рядов свай законтурного армирования основания займут своё положение под ростверком. Невыгодное положение центра свай (при их смещении), когда эксцентриситет между центром ростверка и центром группы свай, расположенных под ростверком, становится максимальным - веду тах. Он зависит от шага свай Аь и ширины оголовка сваи Аог:

(Ab - Аог) /2.

При проверке несущей способности свай также должен учитываться дополнительный сейсмический момент по (4), но тах определяется по (5). Так как скользящий элемент выходит за размеры ростверка, то для его укладки поверхность промежуточной подушки выравнивают тонким - 3  5 см - слоем цементного раствора, а сам скользящий элемент закрывают слоем бетонной подготовки. Ширину промежу-

точной подушки, тонкого слоя цементного раствора по её верху, скользящего элемента из двух слоёв материала с низким значением коэффициента трения принимают такими, чтобы они выходили за ось крайнего ряда свай законтурного армирования в каждую сторону от центра фундамента на величину AB, определяемую уравнением AB = Ab - Аог/2.

Литература

1. Грайзер В.М. Сейсмические данные об остаточных смещениях при взрывах и землетрясениях // Докл. АН СССР. 1989. Т. 306. № 4. С. 822 - 825.

2. Грайзер В.М. Определение истинного смещения почвы по записям сильных движений в ближней зоне землетрясений и взрывов // Физика сейсмических волн и внутреннее строение Земли. М., 1983. С. 37 - 49.

3. Павленков В.А., Литвин В.М. Геоэкологическая оценка опасности загрязнения южной части оз. Байкал // Геоэкология. 1996. № 2. С. 12 - 20.

4. Столяров В.Г. Вопросы надёжности оснований и фундаментов в сейсмических районах // Сб. науч. тр. СевКав-ГТУ. Серия «Естественнонаучная». 1999. С. 67-74.

5. Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика. М., 1985.

6. Ильичёв В.А., Монголов Ю.В., Шаевич В.М. Свайные фундаменты в сейсмических районах. М., 1983.

7.Столяров В.Г. Опасные природные воздействия и сейсмическая безопасность на Северном Кавказе // Экологическая геофизика и геохимия: Сб. матерериалов Междунар. конф. Москва - Дубна, 1998. С. 43 - 45.

8. Столяров В.Г. Сейсмическая безопасность: степень повреждения зданий, анализ характеристик землетрясений, влияние грунтовых условий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2000. № 4. С. 60 - 64

9. Амосов А.А., Синицын С.Б. Основы теории сейсмостойкости сооружений. М., 2001.

10. Эйби Дж. А. Землетрясения. М., 1982.

11. Мишин С.В. Анализ процесса сотрясения // Физика сейсмических волн и внутреннее строение Земли. М., 1983. С. 72 - 80.

12. Сейсмические опасности. Тематический том. / Под ред. Г. А. Соболева. М., 2000.

13. Аптикаев Ф.Ф. Точность прогноза сейсмических воздействий в задачах сейсмостойкого строительства // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2005. № 1. С. 40 - 43.

14. Рассказовский В.Т., Абдалимов Э. Влияние гармонических составляющих акселерограмм на спектры реакций сооружений // Строительство и архитектура. Сер. 14. Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство: Экспресс-информация. 1987. Вып. 11. С. 29-30.

15. Смирнов С.Б. Уроки катастрофы в Кобе (Япония) // Промышленное и гражданское строительство. 1995. № 7. С. 28-29.

16. Абовский Н.П., Енджиевский Л.В., Наделяев В.Д. Новые конструктивные решения для сейсмостойкого строительства в особых грунтовых условиях // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2004. № 3. С. 30 - 32.

17. Сейсмостойкий свайный фундамент: Заявка на изобретение. Рег. № 2005115367, 23.05.2005. / В. Г. Столяров.

18. Свайный фундамент для высокосейсмичных районов: Заявка на изобретение. Рег. № 2005121465 от 08.07.2005 / В.Г. Столяров.

Северо-Кавказский государственный технический университет, г. Ставрополь

30 января 2006 г.

5

7

2

2

5

9

3

6

2

2

e

vq, max