МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГЛАВНИИПРОЕКТ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ, СКАЛЬНЫХ ПОРОД И МЕСТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

П 01-72

ГЛАВНИИПРОЕКТ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ им. Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ, СКАЛЬНЫХ ПОРОД И МЕСТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

П 01-72

«ЭНЕРГИЯ»

Ленинградское отделение 1972

вия. При опытах производится измерение колебаний блоков и штампов с помощью стандартной сейсмометрической аппаратуры (сейсмоприемников ВЭГИК, К’001 и др. в комплекте со шлейфными осциллографами).

3.3. По полученным записям определяются периоды свободных или вынужденных резонансных вертикальных Т_г, горизонтальных Т_х и вращательных Гер колебаний, а затем вычисляются значения С₂, С_х, С? по формулам:

MQ_    _4*£_    _с    _4*1    QKt^K Л ₁₅

T^Fg ’    ^^х~    T_x*Fg'    g    ⁺    )’    '    ^J

где Q — вес опытного блока или штампа; F и / — площадь и момент инерции площади их подошвы относительно главной оси, перпендикулярной плоскости колебаний; 0_О — момент инерции массы блоха или штампа относительно оси, проходящей через центр их тяжести и перпендикулярной плоскости колебаний; h₀—расстояние от площади подошвы до центра тяжести опытного блока или штампа; g — ускорение силы тяжести.

Значения обобщенных коэффициентов С₂, С<р и С_х, полученные путем испытаний опытных блоков или штампов с площадью подошвы ^<10 м² для фундаментов и сооружений с площадью подошвы    м² долж

ны быть умножены на У ДО.

3.4. В случае отсутствия экспериментальных данных при указанных в предыдущем пункте размерах подошвы фундаментов и сооружений для предварительных расчетов их колебаний значения коэффициентов С_г принимаются по СНиП II-Б. 7-70 табл. 1 в зависимости от величины нормативного давления R_H на основание [10].

Значения коэффициентов Д, С_Ху С\> принимаются равными

С* = 0,7С„    С..    = 1,5с*.    (16)

3.5. При размерах подошвы фундаментов и сооружений, меняющихся в более широких пределах (до 120—150 ж²), определение обобщенных коэффициентов жесткости основания рекомендуется производить по методу

О. А. Савинова [9] с помощью изучения колебаний сборных инвентарных штампов с площадью основания F=0,5 м² и статическими давлениями по их подошве Pq—0,2 /сгс/сж².

По результатам этих испытаний определяются значения коэффициентов С₀ и Д (отвечающих давлениям по подошве штампа Р₀ — 0,2 кгс[см²)> а затем—значения обобщенных коэффициентов С_г, С_с и С_х по формулам

a>=и (тгж=те -¹⁰ "⁸ кг1см*’    ⁽¹⁸⁾

где E₀ — величина модуля упругости (кгс\см²), определяемая по результатам испытаний образцов грунта основания естественной структуры при малых статических давлениях (до 0,2 кгс)см²); р. — коэффициент Пуассона грунта.

3.6. В случае отсутствия экспериментальных данных при указанных в предыдущем пункте размерах подошвы фундаментов и сооружений для предварительных расчетов значения характеристик С₀ разрешается принимать по табл, 2.

Таблица 2

Расчетные значения характеристик

Категория грунтов как оснований фундаментов, испытывающих динамические нагрузки Характери стики основания Наименование грунтов С0, кг}см* при Р— =0,2 кгс\сма I Нежесткие Глины и суглинки текучепластичные (В > 0,75) 0,6 Супеси пластичные (В > 1) II Малой Глины и суглинки мягкопластичные жесткости (0,5 < В < 0,75) 0,8 Супеси пластичные (0,5 < В < 1) 1,0 Пески пылеватые, водонасыщенные, рыхлые (е > 0,80) 1,2 ш Средней Глины и суглинки тугопластичные жесткости (0,25 <В< 0,5) 2,0 Супеси пластичные (0 < В < 0,5) 1,6 Пески пылеватые средней плотности и плотные (е < 0,8) 1,4 Пески мелкие, средней крупности и крупные независимо от влажности и плотности 1,8 IV Жесткие Глины и суглинки твердые (В < 0) 3,0 Супеси твердые (£<0) 2,2 Крупнообломочные грунты 2,6

3.7.    При больших размерах подошвы (7^150 м²) массивных бетонных гидросооружений (типа водосливных бетонных плотин, молов и волноломов на нескальных грунтах) и высоких давлениях (^5 кгс/см²), передаваемых ими на грунт основания, определение коэффициентов C_z, Сер, С_х рекомендуется производить с помощью полевых исследований свободных и вынужденных колебаний серии крупномасштабных (до 1/104-1/5 НВ сооружения) бетонных блоков, геометрически подобных проектируемому сооружению или его частям и находящихся в идентичных с ними грунтовых условиях.

По данным этих испытаний определяется зависимость периодов собственных колебаний от размеров стороны подошвы опытных блоков T~T(L)_t которая при достаточном количестве опытных точек может быть проэкстра-полирована на натурное сооружение или его отдельные части.

3.8.    Для определения расчетных характеристик жесткости оснований могут быть использованы также данные измерения свободных и вынужденных колебаний натурных сооружений и их отдельных частей, сходных по

И

Таблица 3 Значения модулей затухания грунтов оснований

Наименование грунта Состояние грунта Модуль вертикальные колебания . Ф, сек горизонтальные колебания Песок крупнозерни В естественном залегании 0,0013 0,0014 стый Рыхлая насыпь 0,0022 0,0025 Супесь п ылеватая Слабовлажная, в естествен ном состоянии 0,0012 0,0014 Свежая насыпь 0,0018 0,0020 Глина Слабовлажная, плотная в естественном состоянии — 0,0014 Свежая насыпь 0,0017 0,0016

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖИМАЕМОСТИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ

НАГРУЗКАХ БОЛЬШОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ, ПРЕВЫШАЮЩИХ ПРЕДЕЛ УПРУГОСТИ

4.1.    Характеристики сжимаемости грунтов и местных материалов при динамических нагрузках большой интенсивности, превышающих предел упругости, используются при расчетах и экспериментальных модельных исследованиях сейсмостойкости плотин с целью более обоснованного определения сейсмических нагрузок, напряжений, полных и остаточных деформаций, возникающих в этих сооружениях и их основаниях при сильных землетрясениях.

4.2.    Отличительной особенностью грунтов и местных материалов является их способность к проявлению пластических и вязких свойств при динамических нагрузках даже относительно небольшой интенсивности.

Для описания этих свойств применяются различные динамические модели (упруго-вязкой, упруго-пластической или упруго-вязко-пластической среды; многокомпонентной взаимопроникающей среды с деформируемым скелетом и др.).

Выбор соответствующих динамических моделей грунтов и местных материалов, установление пределов их применимости при решении конкретных задач и определение расчетных динамических характеристик сжимаемости (диаграмм о—е «напряжение—деформация», модулей деформации при нагружении Е_н и разгружении £_р и др.) должны производиться с помощью специальных лабораторных и полевых исследований.

4.3.    Лабораторное определение сопротивления грунтов и местных строительных материалов объемному сжатию при динамических нагрузках производится:

1)    с помощью непосредственного испытания образцов грунтов с ненарушенной структурой, отобранных с разных глубин естественных оснований или образцов грунтов и местных материалов с нарушенной структурой, используемых для возведения гидросооружений, в условиях одноосного сжатия без возможности или с возможностью бокового расширения, в условиях всестороннего (гидростатического) сжатия и др.;

2)    с помощью измерения параметров одномерных (преимущественно плоских) волн напряжений, возбуждаемых ударами или взрывами в образцах грунтов и местных материалов ненарушенной или нарушенной структуры, и использования для построения динамических диаграмм сжатия основных соотношений на фронте волны (ударной или с резким нарастанием давления).

13

4.4. Для грунтов и местных материалов, обладающих вязкими свойствами, характерно наличие двух предельных диаграмм объемного сжатияг «статической» и «предельной динамической». Статическая диаграмма отве

чает малым скоростям изменения напряженного состояния    ,при

которых вязкие деформации исследуемого образца успевают полностью реализоваться в процессе испытаний, а «предельная динамическая» отве

чает высоким скоростям изменения напряженного состояния

при которых вязкие свойства исследуемых грунтов и местных материалов не успевают проявиться в процессе их нагружения и разгрузки.

При промежуточных значениях скоростей нагружения и разгружения деформационные свойства многих связных и водонасыщенных несвязных грунтов и материалов зависят от скорости изменения напряженного состояния (или от скорости относительной деформации).

Для оценки влияния вязких свойств на динамическую сжимаемость различных грунтов и местных материалов рекомендуется производить лабораторные испытания их идентичных образцов при медленном статическом и при быстром динамическом нагружении и разгружении. Если различие между полученными при этих опытах статической и предельной динамической диаграммами сжатия по величине общей деформации при одинаковых максимальных давлениях не превосходит 10—15%, то для практических расчетов можно пользоваться обычной статической диаграммой сжатия.

Во всех других случаях при обосновании сейсмостойкости гидросооружений должны использоваться динамические диаграммы сжатия, полученные путем испытаний в заданном диапазоне изменения скоростей нагружения, отвечающем условиям нагружения грунтов и местных материалов в основании или в теле натурного сооружения при землетрясениях.

Если в заданном диапазоне изменения скоростей нагружения вязкие свойства грунтов мало влияют на вид динамических диаграмм сжатия, то их определение может производиться без учета этих свойств. В противном случае необходимо проведение специальных исследований по установлению реологических моделей, наиболее близко и полно отражающих основные динамические свойства грунтов, и определению их расчетных характеристик.

4.5.    Определение характеристик динамической сжимаемости грунтов и местных материалов производится по данным испытаний образцов ненарушенной или нарушенной структуры на одноосное сжатие без возможности бокового расширения с помощью различных (пневмодинамических или пневмогидравлических) установок, ударных копров и др. В приборах компрессионного сжатия исследуются образцы грунта с отношением hjd^ 1/4 (где h — высота и d — диаметр образца), при котором практически исключается влияние на результаты испытаний сил трения грунта о стенки прибора. При опытах с помощью тензометрических и индукционных датчиков измеряются во времени осевые o_z(t) и боковые а*(£) напряжения в грунте и его относительные деформации e_z(t). Динамические диаграммы одноосного о₂—е_г или всестороннего о—е сжатия определяются путем исключения из полученных записей времени, как параметра. При этом предполагается, что-вид диаграмм объемного сжатия не зависит от девиаторных напряжений. Описание существующих экспериментальных установок и методики испытаний динамической сжимаемости грунтов приводится в [12, 14, 15, 17].

4.6.    Определение динамической сжимаемости грунтов и местных материалов в лабораторных и полевых условиях по данным исследования распространения в них волн напряжений, вызванных ударами и взрывами, производится с помощью измерений во времени тензометрическими или пьезоэлектрическими датчиками с записью на осциллографах осевых <5_z(t) и боковых o_x(t) или радиальных а_г(0 и тангенциальных 0_Q (/) напряжений

на различном удалении от источника возмущения r=rjr_Q (г — расстояние от

И

источника возмущения до пункта наблюдения, м; г₀=0,053С*^/з —радиус, м, тротилового заряда ВВ, приведенного к сферической форме; С — вес заряда БВ, кг).

По данным измерений, с помощью использования основных соотношений на фронте ударной волны строятся зависимости

Р 0) = у [^(Омакс + _х (г)_макс],    (23)

0 (г) = 1 — — — ~~ (Омакс^ ^р р«ф² (О

ИЛИ

Р (О ⁼ "з“ I^zr (^г)макс Н“ 2ctq (ОмаксЬ    (24)

И    __

б (7) = 1 _Ро__    (Омане

_    _    Р ~ р«ф²(0

где р (/*) и 0 (/*) — гидростатические давления и средние относительные деформации грунта на расстоянии (г) от источника возмущения; р₀ и р — плотность грунта, начальная и за фронтом ударной волны или максимума давления; — скорость распространения фронта волны или максимума давления.

Исключая из соотношений (23) или (24) значение г как параметра, получают зависимость р—/?(0). Этот метод, описание которого приведено в работах [13, 17], применим при близких расстояниях от места взрыва (г< <20—30 г₀); когда в гранте существует ударная волна или волна с резким фронтом нарастания давления.

4.7.    На больших расстояниях от места взрыва (г^20—30г_о) в грунтах и местных материалах наблюдаются непрерывные волны сжатия (ударная волна отсутствует). При этом определение динамических диаграмм сжатия производится по записям на разных удалениях от источника возмущения давлений с(/) в плоской волне сжатия, возбуждаемой в грунте взрывами накладных или воздушных зарядов ВВ. С помощью полученных записей определяются скорости распространения давлений заданной интенсивности (по годографам «расстояние—давление заданной интенсивности»). Затем

строятся зависимости скорости распространения а (о) и соотношения

в функции давления. Путем графического интегрирования этой кривой в заданном интервале изменения давлений (например от 0 до о) определяется ветвь нагружения диаграмм «напряжение—деформация» для исследуемого грунта

‘■w-fs^rc    <²⁵>

о

Ветвь разгрузки динамической диаграммы сжатия принимается параллельной оси давления (если деформации грунта являются полностью необратимыми) или параллельной касательной к начальному участку диаграммы (если деформации грунта являются частично обратимыми).

Приближенность этого метода, описание которого приведено в работе

[17], заключается в том, что при графическом интегрировании кривой

не учитывается изменение плотности грунта с изменением давления.

4.8.    При более обоснованном способе определение начального (до точки перегиба) участка ветви нагружения динамической диаграммы сжатия производится по одновременным записям на разных расстояниях от источника

15

возмущения давлений а(/) и скоростей смещений частиц u(t) при распространении по грунту плоской волны напряжений, возбуждаемой взрывами накладных или воздушных зарядов ВВ. По полученным в каждой из точек наблюдений записям а(^) и u(t) путем исключения из них параметра f строится зависимость и—о. В тех случаях, когда определение промежуточных амплитуд между началом записи и максимумом давления или скорости (например, при их резком нарастании) вызывает затруднения, зависимость и — о строится по максимальным значениям давления и скорости частиц, полученным в нескольких точках исследуемого грунта. Затем по экспериментальной зависимости и—а на основании использования решения задачи о распространении упруго-пластических волн в стержне, находится ветвь нагружения диаграмм а—е. Например, если связь и—<у представлена в виде

и — за f- $z^ky    (26)

то зависимость z — е отыскивается в виде

е = Az -f Bzⁿ -f Ca^m,    (27)

где a, k — некоторые постоянные величины, известные из опытов; А, В_г С_у т и п — постоянные, подлежащие определению.

Подставляя в уравнение

вытекающее из решения задачи о распространении упруго-пластических

волн в стержне, значения — и найденные из соотношений (26) и (27)_г

dz dz

и приравнивая показатели, а также коэффициенты при значениях г, входящих соответственно в правую и левую часть выражения (28) можно определить искомые значения Л, В> С, п и т.

При этом, если выражение (26) содержит х членов, то выражение (27)

X

в силу равенства (28) должно содержать -^—- членов.

В частном случае при х — 2 получается А — pa², р&²3²

B =    С    — 2paji; л = 2А-1; m = fc.    (29)

Проверкой правильности определения коэффициента А является выполнение равенства А = — Ту~Ъ где У_р — скорость распространения упругих

волн в грунте.

После подстановки коэффициентов Л, В, Су п и т в выражение (27) может быть построена ветвь нагружения диаграммы a—е. Ветвь разгрузки динамической диаграммы сжатия, как и в предыдущем случае, принимается параллельной оси давлений (если деформации являются необратимыми) или параллельной касательной к начальному участку диаграммы (если деформации грунта являются частично обратимыми).

4.9. При динамических нагрузках относительно небольшой интенсивности (до 10—15 кгс/см²) диаграммы о—е грунтов и местных материалов имеют вид, показанный на рис. 2. Они состоят из ветви нагружения ОАВ и разгрузки ВС, имеющих нелинейный характер и не совпадающих между собой.

В средах с такими диаграммами скорости распространения упруго-пластических волн сжатия являются переменными, зависящими от интенсивности передаваемого давления

т

При узком интервале изменения давлений Gj—а₂ (в пределах 3— 4 кгс/см²) за величину скорости распространения упруго-пластических волн нагружения а_н может быть принято среднее значение между скоростями распространения упруго-пластических волн, отвечающих указанным давлениям Gt и G2. Скорость распространения волны разгрузки а_р определяется по наклону к оси деформаций прямой, соединяющей точки В и С ветви разгрузки, а скорость распространения упругих продольных волн V_v может быть приближенно найдена по углу наклона касательной к начальному участку диаграммы.

4.10.    Значения модулей упругости Е и упруго-пластических деформаций грунтов и местных материалов при их нагружении £11(0) и разгрузке Е_р могут быть найдены по формулам:

В = р V_p>; £„ <*) = РV <*);    В_р =    рV.    (31)

4.11.    При практических расчетах во многих случаях непрерывные нелинейные динамические диаграммы сжатия аппроксимируются в виде ломаных, состоящих из двух-трех и более отрезков прямых (пунктирные линии на рис. 2), отвечающих разным ^ стадиям нагружения и разгрузки грунтов и местных материалов.

По величине наклона этих прямых к оси деформаций определяются динамические модули упругости Е = tg я_п, а также упруго-пластических деформаций при нагружении Е_н = tg а_х и разгрузке Е_р — tg вр.

Соотношения между напряжениями а и деформациями е для разных участков диаграммы сжатия (рис. 2) могут быть представлены в виде следующих зависимостей:    о

1) для начального участка (<з < з$)

(32) Рис. 2. Динамическая диаграмма сжатия.

(*    dz    \

z > z_s и Yt > 0)

^z ~ Чу ”1“ В_н (е e_s)'_t    (33)

_    / dz \

3) для участка разгрузки (при ^ < 01

^J — Be (Е £р)(^макс ' &s)t    (*34)

Q_s

где e_s — £- — предел упругой деформации; £_макс — максимальная деформация, достигнутая в процессе нагружения (до разгрузки).

Скорости распространения упругих и упруго-пластических волн в грунтах и местных материалах определяются в соответствии с формулами (31).

4.12. Исследования деформационных свойств грунтов и местных материалов при воздействии повторных динамических нагрузок показывают, что при малом количестве циклов «нагружение—разгрузка» их деформации являются преимущественно остаточными. По мере увеличения числа циклов «нагружение—разгрузка» приращения остаточных деформаций образцов, испытываемых в условиях постоянной величины максимального давления, с каждым новым циклом уменьшаются. При достаточно большом количестве

17

циклов «нагружение—разгрузка» деформации грунтов и местных материалов становятся практически упругими.

Исследования деформационных свойств грунтов и местных материалов для оценки сейсмостойкости гидросооружений должны проводиться при количестве, интенсивности, продолжительности и последовательности приложения импульсов, соответствующих тем, которые могут наблюдаться в натурных условиях при воздействии расчетного землетрясения на проектируемое сооружение.

4.13.    По имеющимся экспериментальным данным сжимаемость грунтов и местных материалов при сложных напряженных состояниях зависит как от нормальных, так и от девиаторных напряжений.

Из-за отсутствия на современном этапе разработанной методики и аппаратуры для проведения соответствующих динамических исследований приближенная оценка влияния девиаторных напряжений на сжимаемость грунтов и местных материалов при динамических нагрузках в условиях сложных напряженных состояний может производиться по результатам их статических испытаний, методика которых приводится в работе [18].

4.14.    Лабораторное определение коэффициента бокового давления производится с помощью компрессионных приборов с горизонтальной и вертикальной прорезью, через которые протаскивается стальная лента. Замеряя вертикальное (a_z = a_t) и боковое (z_x = <т_у = <т₂ = %п_г) напряжения при протаскивании ленты, по их соотношению находят значение £.

При другом способе определение £ производится с помощью приборов трехосного сжатия (стабилометров). Прикладывая к исследуемому образцу продольное 7_г = <j_z и боковое а₂ = а* давления, подбирают их соотношение таким образом, чтобы боковые деформации образца равнялись нулю е_х=е_у=0. При этом, величина коэффициента бокового давления определяется из соотношения

Определение коэффициента 5 по результатам лабораторных и полевых испытаний, основанных на измерении динамических давлений a_x(t) и a_z(t) в грунтах и местных материалах, вызванных ударами и взрывами (п.п. 4.5— 4.7), производится с помощью соотношения

МО

” О* (O’

в котором значения напряжений з_х я а_г в данной точке принимаются по записям давлений для одинаковых моментов времени.

4.15.    Величина коэффициента £ грунтов и местных материалов при малых давлениях (< 1,0 KzcjcM?) зависит от интенсивности давлений. С их увеличением I возрастает, стремясь в пределе к некоторому постоянному значению, характерному для данного грунта или материала, что должно учитываться при испытаниях и выборе расчетных значений этого коэффициента.

4.16.    Коэффициент Пуассона р грунтов и местных материалов определяется в зависимости от коэффициента бокового давления £ с помощью соотношения

к=гЬ-    ⁽³⁷⁾

Коэффициент Пуассона р для скальных грунтов обычно определяется путем непосредственного замера относительных деформаций образцов

Р =    (38)

при их одноосном сжатии с возможностью бокового расширения или по скоростям распространения упругих волн.

18

4,17. В случае отсутствия данных динамических испытаний для приближенной оценки деформационных свойств грунтов и местных материалов при сейсмических воздействиях на ранних стадиях проектирования разрешается пользоваться данными статических испытаний и приведенными в разделе 7 настоящих Рекомендаций справочными таблицами, содержащими расчетные динамические характеристики грунтов.

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЯМ

СДВИГА И ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ (ПРОЧНОСТИ) ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

5.1.    Основными показателями сопротивления сдвигу и предельного состояния (прочности) грунтов, скальных пород и местных материалов, используемыми при оценке сейсмостойкости гидросооружений, являются:

1)    сопротивление скальных пород и связных грунтов ненарушенной структуры одноосному динамическому сжатию Rem и растяжению R$ при возможности бокового расширения;

2)    сопротивление сдвигу т—у Других разновидностей грунтов, местных материалов и трещиноватых скальных пород при динамических нагрузках, характеризуемое в предельном состоянии общим коэффициентом сдвига / или углом внутреннего трения ф и сцеплением с\

3)    условие предельного состояния (прочности или пластичности) грунтов и местных материалов при динамических нагрузках.

5.2.    Сопротивление сдвигу и прочностные свойства грунтов и местных материалов при динамических нагрузках определяются [17—20, 23—26] с помощью лабораторных испытаний на рычажных прессах, сдвижных, крутильных или скашивающих приборах, стабилометрах и других установках, оборудованных специальным устройством для приложения к исследуемому образцу статической и динамической составляющей нагрузки, изменяющейся во времени по заданному закону.

При опытах с помощью специальной аппаратуры производится регистрация во времени сдвигающей нагрузки T(t) и сдвиговых деформаций у(/). Путем исключения из них времени t как параметра определяется зависимость т—у деформации сдвига у от величины касательного усилия т —T/F (где F — площадь поперечного сечения образца). При заданном характере изменения и времени действия динамической сдвигающей нагрузки путем постепенного увеличения ее интенсивности образец доводится до разрушения, определяемого по величине его предельной, наперед заданной, необратимой деформации сдвига.

По данным серии опытов с образцами одного и того же грунта при разных сочетаниях статических и динамических нагрузок находится зависимость т—а, характеризующая соотношение между касательными и нормальными напряжениями по плоскости сдвига при достижении предельного состояния. Обычно эта зависимость представляется в виде закона Кулона— Мора для несвязных грунтов

т = о tg <f,    (39)

и для связных грунтов

т = a tg ср 4- с_У    (40

где ф и с — параметры экспериментальной зависимости, называемые углом внутреннего трения и сцепления.

5.3.    Определение влияния параметров динамического воздействия (амплитуд смещений, скоростей и ускорений; частоты и общей длительности процесса колебаний) на сопротивляемость сдвигу грунтов и местных материалов производится с помощью различных вибростендов, динамических приборов трехосного сжатия, сдвига по поверхности основания вибрирующих штампов и других методов.

5.4.    Опыты с неводонасыщенными песчаными грунтами [8, 9, 20, 23, 26] показывают:

2*

УДК 624.131.5

В Методических рекомендациях приводится состав основных динамических характеристик грунтов, скальных пород и местных материалов, используемых в расчетах гидротехнических и других сооружении на динамические (в частности сейсмические) воздействия. Даются указания по определению и выбору расчетных характеристик упругих и поглощающих свойств; жесткости оснований и затуханиях колебаний; деформационных свойств при динамических нагрузках значительной интенсивности, превышающих предел упругости; прочностных свойств при совместном воздействии статических и динамических нагрузок; свойств водонасыщенных несвязных грунтов, используемых при оценке динамической устойчивости их структуры, возможности возникновения порового давления и перехода в разжиженное состояние.

Приводятся справочные таблицы с ориентировочными значениями некоторых расчетных характеристик, а также краткие сведения об основных методах и аппаратуре, используемых для их определения.

Рекомендации предназначаются для применения в проектно-изыскательских и научно-исследовательских организациях Минэнерго СССР при экспериментальном определений расчетных динамических характеристик грунтов, скальных пород и местных материалов.

Методические рекомендации по определению динамических свойств грунтов, скальных пород и местных материалов

П 01-72

«Энергия», Ленинградское отделение, 1972 г,, 36 стр. с рис. Научный редактор Н. Д. Красников Редактор А. А. Гайдина Технический редактор Т. М. Вовичева

Сдано в набор 10 XI 1972 г.    Подписано    в    печать    21    /XII 1972 г.

М-06952. Печ. л. 2,25. Уч.-изд. л. 3,0. Бум. л. 1,125. Формат 60Х90¹/16-Бумага типографская № 2. Тираж 800. Заказ 511. Цена 30 коп.

Типография Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института гидротехники имени Б. Е. Веденеева. 194220. Ленинград_} Гжатская ул. 21.

1)    при вибрационных воздействиях наблюдается значительное уменьшение их эффективного сопротивления сдвигу, зависящее от величины ускорения колебаний [8, 9];

2)    при небольших значениях ускорений (измеряемых долями g), не приводящих к разрушению структуры грунта, уменьшение эффективного сопротивления сдвигу определяется кратковременными изменениями напряженного состояния образца, а характеристики сопротивления сдвигу (угол внутреннего трения и сцепление) остаются постоянными [20];

3)    при интенсивных вибрациях (с ускорениями, близкими к g или большими этой величины), приводящих к нарушению структуры и взаимному смещению твердых частиц, песчаный грунт приобретает свойства вязкой среды, сопротивление которой сдвигу определяется силами вязкого трения, зависящими от параметров вибрационной нагрузки [23].

Сопротивление сдвигу водонасыщенных несвязных грунтов при вибрационных воздействиях характеризуется более сложными зависимостями, определяемыми влиянием виброползучести, явлениями разрушения структуры и возможности перехода этих грунтов в разжиженное состояние [20, 24]. Рекомендуемые методы оценки динамической устойчивости структуры водонасыщенных грунтов и условий их перехода в разжиженное состояние приводятся ниже в разделе 6 настоящих Рекомендаций.

5.5.    Экспериментальные исследования прочности на сжатие грунтов и местных материалов при динамических нагрузках различного характера и интенсивности (типа одиночного импульса, серии повторяющихся импульсов, гармонических колебаний или нестационарных нагрузок) проводятся путем испытаний их образцов в стабилометрах, на рычажных и копровых установках с записью во времени напряжений, деформаций, порового давления и других параметров.

5.6.    Сопротивление сжатию многих грунтов и местных материалов (пластичных суглинков, глин, водонасыщенных песков и др.) при прочих одинаковых условиях зависит от скорости нарастания и длительности действия динамической нагрузки. С увеличением скорости нарастания и уменьшением длительности действия динамической нагрузки типа одиночного импульса сопротивление сжатию этих грунтов вследствие проявления их вязких свойств, резко возрастает. Например, динамическая прочность слабой илистой глины при времени нагружения 0,02 сек вдвое превышала статическую при времени нагружения 10 мин [17].

С уменьшением влажности и возрастанием прочности грунтов это отношение уменьшается. Влияние скорости нагружения на прочность (сопротивление сжатию) сухих и маловлажных песков незначительно.

5.7.    Из приведенных данных видно, что оценка прочностных свойств грунтов и местных материалов для двух указанных выше условий динамического нагружения дает прямо противоположные результаты: при длительных вибрационных воздействиях наблюдается значительное (в несколько раз) уменьшение их сопротивления сдвигу, а при нагрузках типа одиночного импульса с возрастанием скорости нагружения (темпа деформации) и уменьшением продолжительности кратковременного воздействия наблюдается не менее значительное (также в несколько раз) увеличение их максимальной прочности на сжатие по сравнению с результатами соответствующих статических испытаний.

В случае сейсмических воздействий, отличающихся по характеру и по длительности как от установившегося вибрационного режима, так и от одиночного импульсного воздействия, будет наблюдаться промежуточная картина.

5.8.    Определение прочностных свойств грунтов и местных материалов при совместном воздействии различных сочетаний постоянных (статических) и кратковременных импульсных нагрузок проводится с помощью специальных динамических стабилометров по методике, изложенной в работах [17, 25, 26] Вначале производится определение прочности исследуемого грунта при

20

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вопросы определения и \чета динамических свойств гр> нтов, скальных пород и местных материалов приобретают важнейшее значение в связи с широким развитием гидротехнического, промышленного и гражданского строительства в сейсмических районах, возведением тепловых и атомных электростанций и других предприятий с оборудованием, передающим интенсивные динамические нагрузки на фундаменты и их основания, использованием в народно-хозяйственных целях промышленных взрывов и т. п.

Однако в настоящее время не имеется унифицированных методов и аппаратуры дчя соответствующих исследований, а также общепринятых указаний или других инструктивных материалов по их проведению. Это сильно усложняет задачи проектно-изыскательских и научно-исследовательских организаций, проводящих работы по определению динамических свойств грунтов, скальных пород и местных материалов, а в некоторых случаях ввиду применения разных методов и аппаратуры исключает возможность сопоставления между собою получаемых экспериментальных данных.

Особого внимания требует определение исходных данных для обоснования динамической прочности и устойчивости больших плотин и других гидросооружений, проектируемых и строящихся в сейсмических районах. В 1972 г. вводится в действие новый раздел 5 «Гидротехнические сооружения» главы СНиП-П-А. 12-69 «Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования», предусматривающий переход от статических к динамическим методам расчета сейсмостойкости этих сооружений.

В связи с этим во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте гидротехники им. Б. Е. Веденеева и Ленинградском ордена Ленина Политехническом институте им. М. И. Калинина был подготовлен проект методических рекомендаций по определению динамических свойств грунтов, скальных пород и местных строительных материалов, необходимых для обоснования сейсмостойкости гидросооружений.

Затем проект Рекомендаций был разослан на отзыв в ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений Госстроя СССР, Институт физики земли АН СССР им. О. Ю. Шмидта, ВНИИ ВОДГЕО, Институт сейсмостойкого строитечь-ства и сейсмологии АН Таджикской ССР, ордена Ленина проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт Гидропроект имени С. Я. Жука, НИС Гидропроекта, Институт Фундаментпроект, Харьковский промстройниипроект, Красноярский промстройншшроект. Московский автомобильно-дорожный институт. Харьковский институт инженеров коммунального хозяйства и в другие организации. С учетом замечаний, полученных от указанных организаций, была составлена новая редакция э^ого докуим-'> которая была обсуждена на заседании Комиссии Ученого Совета ВНИИГ нм. Б. Е. Веденеева в составе П П. Кульмача (председатель), О. А. Савинова, П. Л. Иванова Л. Д. Аптекаря. Н. Д. Красникова, И. Е. Дубровского, Л. В. Горелика, Л. А. Эйслера, Г С. Толкачева, Н. Г. Лобастовой.

Комиссией Ученого Совета ВНИИГ новая редакция была одобрена и рекомендована к изданию.

Рекомендации составлены Н Д. Красниковым, О. А. Савиновым, Л. А. Эйслером (ВНИИГ) и П Л. Ивановым (ЛПИ) при участии Л. В. Горелика, Г. С. Толкачева и А. П. Троицкого (ВНИИГ).

Все замечания и пожелания по настоящим Рекомендациям ппосьбп направлять по адресу:    194220    Ленинград, Гжатская ул 21, ВНИИГ

им. Б. Е. Веденеева.

3

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящие методические рекомендации по определению динамических свойств грунтов, скальных пород и местных строительных материалов предназначаются для применения в проектно-изыскательских и научно-исследовательских организациях при экспериментальном определении динамических характеристик грунтов, скальных пород и местных строительных материалов, необходимых для обоснования сейсмостойкости гидротехнических сооружений.

1.2.    Основными динамическими характеристиками грунтов, скальных пород и местных строительных материалов, необходимыми для расчета гидротехнических сооружений на сейсмические воздействия по СНиП II-А. 12-69 и подлежащими экспериментальному определению с помощью полевых и лабораторных исследований, являются:

1)    характеристики упругих и поглощающих свойств при динамических нагрузках малой интенсивности, не превышающих предела упругости;

2)    характеристики жесткости и поглощающих свойств оснований, используемые в расчетах колебаний фундаментов и сооружений на грунтовом основании;

3)    характеристики сжимаемости при динамических нагрузках значительной интенсивности, превышающих предел упругости;

4)    характеристики сопротивления сдвигу и предельного состояния (прочности) грунтов при интенсивных динамических нагрузках сейсмического характера;

5)    характеристики свойств водонасыщенных несвязных грунтов, используемые при оценке изменения полных и эффективных напряжений, избыточного порового давления, прочности этих грунтов, устойчивости их структуры и возможности перехода в разжиженное состояние при динамических воздействиях сейсмического характера.

1.3.    При экспериментальном определении динамических характеристик грунтов, скальных пород и местных строительных материалов должны учитываться степень сохранности их структуры, плотность, влажность и статическое напряженно-деформированное состояние в натурных условиях, т. е. в основании или в теле гидросооружения.

Испытания опытных образцов должны производиться при совместном воздействии заданных статических и динамических нагрузок, а выбор расчетных динамических характеристик должен осуществляться для наиболее неблагоприятного из возможных сочетаний указанных нагрузок.

1.4.    Ориентировочные значения динамических характеристик грунтов и скальных пород для использования при разработке методики экспериментов или для расчетов сейсмостойкости гидросооружений на ранних стадиях проектирования приводятся в разделе 7. Рекомендаций.

1.5.    Ввиду отсутствия стандартных методов и аппаратуры для определения характеристик, входящих в состав настоящих Рекомендаций, в них приводятся только основные требования к постановке экспериментов и

Внесены У т в е р ж д е и м Срок введения Всесоюзным научно-исследовательским дирекцией ВНИИГт институтом гидротехники им. Б. Е. Веденеева IV квартал им. В. Е. Веденеева 12 июня 1972 г. 1972 г.

4

обработке их результатов, а также рекомендации по использованию существующей нестандартной аппаратуры со ссылками на соответствующие литературные источники.

По мере появления стандартных методов и аппаратуры соответствующие разделы Рекомендаций будут заменены новыми.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРУГИХ И ПОГЛОЩАЮЩИХ СВОЙСТВ

2.1. Основными характеристиками упругих и поглощающих свойств грунтов, скальных пород и местных строительных материалов при динамических нагрузках малой интенсивности, не превышающих предела упругости, являются модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона р и коэффициент поглощения колебаний ф.

В необходимых случаях могут использоваться также другие эквивалентные динамические характеристики (например, скорости распространения V, амплитудные коэффициенты а или декременты б затухания упругих волн И др.).

Взаимосвязь между различными системами упругих характеристик, которые могут использоваться в расчетах и при экспериментальных исследованиях для обоснования сейсмостойкости гидросооружений, приведена в табл. 1,

Таблица 1 Взаимосвязь между различными системами упругих характеристик Применяемые системы характеристик

X, G Et Vp. Vs X fxE (1 +(*)(! — 2fi) P (V p — 2 V/) G E 2 (1 + ц) G (ЗХ + 2G) Х + G E ?Vs2(3Vp* - 4VS1) (V - X f| VJ — 2VJ 2(X + G) r* 2(V-VV) ~| f X + 2 G v У р V p(l+>)(!-2[X) Vp Vi Vе 1 V P 2(1 + ,x) Vs VlVa l/2 (1 — (x) V 1 - 2f* * p Vs

Обозначения:

X, О — упругие постоянные Лямэ (G — модуль сдвига);

Е, \х — модуль Юнга и коэффициент Пуассона;

Vp, V_s— скорости распространения упругих продольных и поперечных волн;

р = ~~ — массовая плотность, у — объемный вес среды;

g — 3 скорение силы тяжести.

2.2. Определение указанных в табл. 1 характеристик может производиться как в лабораторных, так и в полевых условиях.

5

Лабораторное определение упругих и поглощающих характеристик производится на образцах грунтов:

1)    ненарушенной структуры, залегающих в основании гидросооружений;

2)    нарушенной структуры, используемых для возведения земляных сооружений.

Полевое определение указанных выше характеристик производится для грунтов и скальных пород оснований, находящихся в условиях естественного залегания, а также для каменных набросок в опытных отсыпках или в теле плотин.

2.3.    Лабораторные исследования должны обеспечивать получение характеристик упругих и поглощающих свойств грунтов с учетом их статического напряженного состояния в основании или в теле сооружения.

Ввиду отсутствия необходимых приборов для таких исследований, разрешается определение характеристик упругих и поглощающих свойств производить на установках продольных и крутильных колебаний, не обеспечивающих возможности статического обжатия исследуемых образцов, а определение зависимости этих характеристик от статического напряженного состояния производить на ультразвуковых установках, оборудованнных специальными устройствами для статического нагружения образцов грунта-

2.4.    В состав экспериментальных установок для измерения продольных и крутильных колебаний образцов входят:

1)    прибор для закрепления образцов, создания необходимой пригрузки и передачи образцу продольного или закручивающего усилия;

2)    электродинамическое устройство для возбуждения свободных затухающих колебаний образца;

3)    измерительная схема для записи колебаний образца на осциллографе. Описание различных установок и работы с ним и при определении упругих и поглощающих свойств грунтов приводится в работах [2—4].

Опыты проводятся с образцами цилиндрической формы при соотношениях высоты h к диаметру d, равных h^d для крутильных и h>2d для продольных колебаний.

2.5.    По полученным осциллограммам измеряются периоды собственных продольных Г_п и крутильных Тк колебаний образцов и затем вычисляются значения модулей Юнга Е и сдвига G с помощью формулы

Коэффициент 6 выражает собой отношение поглощенной энергии за един период (Да») к упругой энергии (со), накопленной образцом в момент наибольшей деформации.

Примечание. Величина коэффициента поглощения ф связана с амплитудным коэффициентом затухания упругих волн а и декрементом о колебаний следующими формулами

(4)

^Ai+1 *

где/—частота колебаний; v — фазовая скорость волны.

При малом затухании

ф = 25.    (6)

2.6.    Измерение скоростей распространения упругих волн в образцах грунтов, скальных пород и местных материалов и определение зависимости упругих характеристик от статического напряженного состояния производится [3, 4, 17] ультразвуковым импульсным методом с помощью аппаратуры, в состав которой входят:

импульсный ультразвуковой сейсмоскоп (УЗС-2, ИПА-1, УКБ-1 и др.)

пьезодатчики и пьезо приемники;

прибор для закрепления исследуемого образца грунта, пьезодатчиков, пьезоприем ников и для создания заданного напряженного состояния.

Измерения производятся в диапазоне частот от 20 кгц и выше по методике, указанной в описании приборов.

2.7.    Измерение скоростей распространения упругих волн в образцах производится методами прозвучивания и продольного профилирования.

В первом случае образец грунта длиною / располагается между излучателем и сейсмоприемником и регистрируется время первого вступления t прямой упругой волны. Скорость распространения упругой волны V определяется из отношения V^l/t.

Во втором случае положение излучателя на образце остается фиксированным, а приемник перемещается по прямой вдоль профиля наблюдения с постоянным шагом Дх. Скорость распространения упругих волн определяется по годографам первых вступлений и характерных фаз колебаний таким же образом, как при использовании методов полевой сейсморазведки.

Величина базы измерения I (длина образца) и шаг сейсмоприемников Ах выбираются в зависимости от скорости распространения упругих волн з грунте I¹, исходя из условия получения допустимой погрешности измерений AVJV.

2.8.    В образцах грунтов и скальных пород цилиндрической формы радиусом г и длиною I при соотношениях

(7)

I > (4 -г- 5) Х_{р> м}

распространяются продольные волны с такой же скоростью, как в безграничном массиве

V'p.M = V-._г.    ₉ , ->    (8)

Г (1 - (1)(1 - 2(Л) Р

где \_р, _м — длина волны в „массиве".

А при соотношениях

< 2.0,

(9)

в образцах распространяются продольные волны с такой же скоростью, как: в стержне

(10;

где Х_р. _сх — длина волны в стержне; р — — — массовая плотность грунта.

По измеренным значениям скоростей распространения упругих продольных волн в „стержне" У_р,_Ст ^и в „массиве" V_p. _м определяются динамический модуль Юнга В и коэффициент Пуассона р. с помощью соотношений

£=р^._ст,

„__ он

' Р-^ст _ 1 /(1 + Р-)(1 — 2(i)

V'p.M V 1-1*

2.9. При больших размерах образцов (/ > 10А) и хорошо подготовленной их поверхности может быть произведено корреляционное прослеживание поперечной (S) и поверхностной (R) волн, построены годографы и определены скорости распространения (V_s и V^) этих волн аналогично тому, как это делается при полевой сейсморазведке. Соотношение между скоростями распространения поперечной V_s и поверхностной V_R упругих волн может приниматься равным

1^=1,101^. (12)

По известным значениям плотности грунта р и скорости распространения в нем упругих поперечных волн V_s может быть найдено значение динамического модуля сдвига G с помощью соотношения

G = pV_s*.    (13

2.10. Определение упругих характеристик каменнонабросных и гравийных материалов, а также различных грунтовых смесей, содержащих крупную фракцию, для исследования которых в лабораторных условиях пока не имеется специальных крупномасштабных установок, рекомендуется производить с помощью полевых методов, основанных на измерении скоростей распространения релеевских и продольных V_v волн. Волна Релея возбуждается электромагнитным вибратором, установленным на поверхность исследуемого грунта. Напряжение переменного тока на вибратор подается от генератора. Колебания грунта принимаются двумя сейсмоприемниками, электрические сигналы которых усиливаются двухканальным усилителем и подаются на электронный осциллограф для определения сдвига фаз колебаний.

Один сейсмоприемник неподвижен и является «опорным», а второй передвигается по профилю для определения точек на поверхности грунта, где колебания находятся в фазе или противофазе с колебаниями в точке установки первого сейсмоприемника. Расстояние между такими соседними точками равно Х^/2, где —длина релеевской волны. Скорость определяется по формуле

V_R=fk_R,    (14)

где f — рабочая частота колебаний.

Описание блок-схемы установки для измерения фазовой скорости распространения волн Релея V# и рекомендуемой методики исследований приводится в работе [7].

Определение скоростей распространения упругих продольных волн V_p, возбуждаемых ударами или взрывами небольших зарядов ВВ, производится с помощью стандартной методики по годографам первых вступлений или характерных фаз колебаний.

2.11.    По измеренным значениям скоростей распространения любой из ^рех чар vnpvrnx роттч <V„ и V_p. и V V^ и V?) по номограмме Кчопо-

ва (рис. 1) может быь найден коэффициент Пуассона р, д по формулам

табл. 1 модуль упругости грунта £.

По измеренным значениям скоростей распространения упругих волн определение модуля упругости Е и коэффициента Пуассона р может также производиться непосредственно по формулам табл. 1.

2.12.    Определение упругих и поглощающих свойств грунтов или их напластований в условиях естественного залегания, а также материалов в теле гидросооружений производится с помощью полевых методов сейсморазведки и сейсмокаротажа скважин [4—7].

При этом используется стандартная сейсморазведочная аппаратура, включая многоканальные сейсмостанции (например, СС-24П и др.), комплекты сейсмоприемников (СП-16, СПЭД-56, СН-3), многоприборные зонды или одиночные скважинные сейсмоприемники и др. При разведке малых глубин (до 15 м) используются портативные одно- или двухканальные сейсмоустановки [7].

3. ОБОБЩЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖЕСТКОСТИ ОСНОВАНИЙ И ЗАТУХАНИЯ КОЛЕБАНИИ

3.1.    В состав характеристик, необходимых для расчетов колебаний фундаментов и сооружений на грунтовом основании, входят обобщенные коэффициенты жесткости оснований при равномерном (С_г) и неравномерном (С©) сжатии, равномерном (С_х) и неравномерном (C-jj) сдвиге, а также соответствующие коэффициенты затухания. Эти характеристики для естественных оснований устанавливаются по результатам испытаний грунтов.

3.2.    Определение обобщенных характеристик жесткости и коэффициентов затухания производится с помощью полевых исследований свободных и вынужденных колебаний опытных бетонных блоков и сборных инвентарных штампов, расположенных на поверхности основания площадок строительства в идентичных условиях с проектируемыми фундаментами и сооружениями.

Возбуждение свободных колебаний блоков и штампов производится с помощью ударов, а вынужденных колебаний — с помощью жестко закрепленных на этих установках дебалансных вибраторов направленного дейст-

9

1