Взаимодействие сооружений с грунтовым основанием при землетрясениях

Лекция №9

Взаимодействие сооружений с грунтовым основанием при землетрясениях

Общие положения

Анализ разрушений мостов при сильных землетрясениях второй половины прошлого столетия: (1971) San Fernando, (1989) Loma Prieta, (1994) Northridge, (1995) Kobe показал, что наибольшие повреждения мостов и тоннелей произошли вследствие разрушения фундаментов и грунтовых оснований, таких как:

 - разжижение грунтов,

- сдвиги и оползни грунтов,

- неравномерные и отличающиеся по величине осадки опор.

Катастрофические разрушения мостов, вызванные землетрясениями в начале и середине прошлого столетия, стимулировали выполнение дополнительных исследований в области динамики сооружений, разработку новых методов расчёта и, в конечном счете, принятие на федеральных уровнях более совершенных нормативных документов и руководств по расчёту мостов на сейсмические воздействия. В Японии, США и в европейских странах были разработаны новые нормативные документы.  

Наибольшим изменением подверглись разделы, посвящённые проблеме взаимодействия сооружений с грунтовым основанием.

Российских нормативных документах некоторые требования по проектированию опор мостов представлены в Приложении Г документа СП 14.13330.

Но, к сожалению, раздел «Взаимодействие сооружений с грунтовым основанием при землетрясениях» отсутствует.

В Приложении Г документа СП 14.13330 приводятся только указания для определения сейсмичности площадок строительства мостовых опор с с разными типами фундаментов: массивными с  фундаментами мелкого заложения и глубокого заложения, свайными, кессонными и т.д.

В качестве примера приведём пункт 5 из этого Приложения

«Для мостовых опор с фундаментами глубокого заложения положение верхней границы расчетной толщи грунта устанавливают с учетом устойчивого уширения подмостового русла (срезки), общего размыва грунта у опоры, требований планировки набережных и технологии сооружения фундаментов.

Из состава расчетной толщи исключают грунт насыпей подходов и залегающие с поверхности неуплотненные насыпные грунты, слои ила, торфа, склонные к разжижению водонасыщенные рыхлые песчаные, а также очень слабые глинистые грунты текучепластичной и текучей консистенции»

9.1. Общие требования

Эффекты взаимодействия сооружения с основанием необходимо учитывать во всех случаях за исключением тех, когда грунты основания являются скальными породами.

При расчете системы сооружение–основание эффектами влияния податливости основания можно пренебречь, если наименьшая доминантная частота собственных колебаний сооружений без учета податливости основания в два и более раза меньше наименьшей частоты колебаний сооружения в виде жесткого тела с учетом податливости основания.

Прямой метод расчета системы сооружение-основание

При применении метода конечных элементов при прямом расчете системы сооружение - основание предварительно необходимо:

1) Определить нижнюю и боковые границы модели основания;

Определить исходное движение на границах модели грунтовой среды.

9.3 Сейсмические исходные данные для границ модели

Заданные исходные движения границ модели должны быть совместимы с заданным исходным движением на свободной поверхности площадки.

Исходное движение на границах модели грунтовой среды необходимо установить с учетом свойств грунтов, геологической структуры площадки, типов сейсмических волн, распространяющихся во время землетрясения, а также расположения и формы принимаемой границы грунтовой среды.

Расчеты по определению исходного движения границ модели грунтовой среды необходимо выполнять, применяя математические модели и методики, совместимые с моделями и методиками, выбранными для выполнения прямых расчетов системы сооружение-основание.

Нижняя граница

Нижняя граница массива грунта, включаемого в расчетную модель, должна размещаться достаточно удаленно от контактной поверхности сооружения с основанием, чтобы реакция сооружения существенно не искажалась.

Максимальная удаленность нижней границы грунтового массива от подошвы массивного фундамента сооружения в общем случае может не превышать трехкратного максимального размера фундаментной конструкции сооружения на плане.

Если в данном интервале расположена верхняя граница слоя грунта, в котором скорость распространения волны сдвига равна или превышает 1000 м/с, то нижнюю границу модели грунтового массива следует поместить на верхней границе указанного слоя грунта.

Если в геологической структуре основания до глубины, равной трехкратному максимальному размеру фундаментной конструкции сооружения на плане, расположен слой грунта с модулем деформации, в десять и более раз превышающим модуль деформации грунта вышележащего слоя, то нижнюю границу модели грунтового массива следует поместить на верхней границе данного слоя жесткого грунта.

Рис.9.1. Расчётная схема для расчёта массивного фундамента

Выбор боковых границ

Как в первом, так и во втором случаях получаться неправильные результаты, так произойдёт полное отражение волн. При отражении волн от свободной границы появляется отражённая волна с напряжениями противоположными по знаку.

Дискретизацию массива грунта на конечные элементы необходимо производить так, чтобы адекватно описать реальный характер распределения статических и динамических напряжений на контактной поверхности между опорой и основанием при их взаимодействии.

Для сооружений, имеющих массивные фундаменты больших размеров, рекомендуется придерживаться следующих правил.

При дискретизации грунтового массива четырехугольными в плане конечными элементами необходимо разместить как минимум восемь элементов по направлениям контурных линий фундаментной плиты для достаточно точного воспроизведения характера распределения контактных напряжений на подошве сооружения.

Моделирование основания

Расчет сооружения с учетом взаимодействия с основанием в данном случае включает следующие этапы:

- Определение исходного сейсмического воздействия на свободной поверхности площадки;

- Определение расчетных параметров механической динамической модели основания;

- Расчет системы сооружение-основание.

Эквивалентная глубина заложения сооружения в основание должна определяться из равенства объемов грунта, замещенного в нем сооружением, и объема замещенного грунта для сооружения с эквивалентной площадью подошвы фундамента.

Однородное основание

В случаях, когда структура грунтов в основании сооружения на глубине, соответствующей наибольшему размеру фундаментной конструкции на плане, является относительно однородной, можно применять механическую модель основания, параметры которой представлены в таблицах 9.2 (для круглых на плане фундаментов) и 9.3 (для прямоугольных на плане фундаментов).

Слоистые грунты

Если грунтовое отложение в основании сооружения состоит из определенного числа слоев с плоскопараллельными границами разделов, или под определенным числом разнородных слоев расположены подстилающие коренные скальные породы на глубине, меньшей, чем размеры наибольшего эквивалентного размера фундамента, то в этих случаях необходимо определить частотно-зависимые функции влияния. Для определения функций влияния допускается применять как аналитические, так и численные методы.

9. 7 Сводные требования при расчете системы сооружение-основание с использованием механической модели основания

В уравнениях, описывающих колебания конечно-элементной модели системы сооружение-основание, рассеяние энергии, обусловленное внутренним трением материалов инженерных конструкций сооружения, учитывается в конечных элементах, относящихся к сооружению, а рассеяние энергии, обусловленное внутренним трением в грунтах и излучением энергии от сооружения в основание, учитывается в конечных элементах основания.

Метод прямого интегрирования во времени, в котором рассеяние энергии в сооружении учитывается в конечных элементах, относящихся к модели сооружения, а рассеяние энергии, обусловленное рассеянием энергии за счет внутреннего трения в грунтах и излучения энергии от сооружения в основание, учитывается в конечных элементах основания.

С основанием

Мосты (особенно протяжённые) состоят из пролётных строений, опирающиеся на множество опор и устоев, которые имеют свои собственные фундаменты, причём сейсмические воздействия на разные опоры могут отличаться.

Опора  на кессоне

Опора на свайном кусте

 

 

Модуль сдвига

Таблица 9.3. Классификация грунтов по динамическим и физико-механическим характеристикам

Характеристики	III категория,         грунты средней жесткости			II категория,          грунты плотные и весьма жесткие			I категория,                скальные и полускальные породы
Скорость волны сдвига, м/с	250	350	500	600	800	1100	1200	1700	2500
Плотность, кг/м^3	2000			2200			2500
Коэффициент Пуассона	0,45			0,40			0,35
Внутреннее демпфирование, %	5			4			3
Модуль сдвига, МПа	125	270	600	950	1690	2930	3960	7225	15625
Модуль Юнга, МПа	331	714	1588	2527	4495	7789	10692	19508	42188

 

Коэффициент Пуассона

Неопределенности при анализе взаимодействия основания с сооружением (ВСО) должны быть учтены. Вместо вероятностного анализа с учётом неопределенностей, одним из приемлемых методов для их оценки в анализе ВСО является варьирование модуля сдвига грунта при малых деформациях.

Модуль сдвига при малых деформациях грунта должен изменяться между наиболее вероятным значением модуля, умноженным на (1+C n) и наиболее вероятным значением модуля, поделённым на (1 + C n), где C n коэффициент вариации, учитывающий неопределенности в анализе ВСО и в свойствах грунта. Если это возможно, желательно использовать необходимые данные, полученные при исследовании грунта, среднее значение и стандартное отклонение модуля сдвига при малых деформациях должны быть установлены для каждого слоя грунта.

Коэффициент вариации C n должен быть принят таким, чтобы он покрывал среднее значение плюс/минус одно стандартное отклонение для каждого слоя. Минимальное значение коэффициента C n должно составлять 0.5.

Лекция №9

Взаимодействие сооружений с грунтовым основанием при землетрясениях

Общие положения

Анализ разрушений мостов при сильных землетрясениях второй половины прошлого столетия: (1971) San Fernando, (1989) Loma Prieta, (1994) Northridge, (1995) Kobe показал, что наибольшие повреждения мостов и тоннелей произошли вследствие разрушения фундаментов и грунтовых оснований, таких как:

 - разжижение грунтов,

- сдвиги и оползни грунтов,

- неравномерные и отличающиеся по величине осадки опор.

Катастрофические разрушения мостов, вызванные землетрясениями в начале и середине прошлого столетия, стимулировали выполнение дополнительных исследований в области динамики сооружений, разработку новых методов расчёта и, в конечном счете, принятие на федеральных уровнях более совершенных нормативных документов и руководств по расчёту мостов на сейсмические воздействия. В Японии, США и в европейских странах были разработаны новые нормативные документы.