Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор работ по исследованию динамики систем «взрыв-грунт-сооружение» при взрывных воздействиях 11
1.1. Зависимость параметров взрывного импульса от технологии буровзрывных работ 11
1.2. Анализ динамических полей, генерированных в грунте промышленными взрывами 16
1.3. Экспериментальные исследования передачи энергии взрывного импульса от грунта к сооружению 22
1.4. Моделирование динамики системы «грунт-сооружение» при взрывных воздействиях 26
1.5.1 Іормирование безопасности охраняемых сооружен и й 31
Выводы по главе 41
Глава 2. Методология исследования 45
2.1 .Идеология экспериментальных исследований 45
2.2. Методика исследования 48
2.3. Гибридная модель охраняемого сооружения 54
2.4. Оценка и сопоставление результатов 58
Вы вод ы и о главе 69
Глава 3. Динамические ноля в грунте, генерированные промышленными 72 взрывами. Анализ и моделирование
3.1. Ситуационная обстановка районов измерения динамики грунта 74
3.2. Статистическая оценка динамических полей 84
3.3. Исследование поведение SDF-модели в стохастических динамических полях 94
3.4. Моделирование полей в грунте экспериментальными взрывами 98
Выводы по главе 107
Глава 4. Экспериментальное исследование повеления охраняемых сооружениі при промышленных взрывах и динамических калибровках
4.1. Динамика сооружений при промышленных взрывах 110
4.2. Типовые причины проведения динамических калибровок 125
4.3. Динамическая калибровка зданий 129
4.4. Изменение параметров взрывного импульса при переходе его от грунта к фундаменту 147
Выводы по главе 153
Глава 5. Диагностика безопасности зданий при промышленные взрывах 155
5.1. Уровень риска нормативно безопасных зон динамических полей, генерированных в грунте промышленными взрывами 156
5.2. Сопоставительный анализ спектров реакций моделей охраняемых сооружений от реальных взрывных импульсов 161
5.3. Уровень риска для зданий в нормативно безопасных зонах динамических полей 164
5.4. Диагностика безопасности зданий при сильных динамических воздействиях 168
5.5. Проблемы диагностики безопасности охраняемых сооружений при промышленных взрывах 172
Выводы по главе 174
Основные выводы и результаты 178
Синеок использованных источников 181
Приложение 199
- Моделирование динамики системы «грунт-сооружение» при взрывных воздействиях
- Гибридная модель охраняемого сооружения
- Исследование поведение SDF-модели в стохастических динамических полях
- Типовые причины проведения динамических калибровок
Введение к работе
Проведение взрывов - быстрой генерации большого количества энергии в малом объеме, является наиболее зффекпшным способом разработки строительных материалов и планировки площадок предполагаемого строительства /0.1/. Однако, если сам промышленный взрыв является нормальным технологическим процессом, то одно из его проявлений - сотрясение грунта, может рассматриваться как чрезвычайная ситуация, которая согласно ГОСТ Р 22.02-94 /0.2/, трактуется как «состояние, при котором нарушаются нормальные условия жизни и деятельности людей, наносится ущерб имуществу населения, народному хозяйству и окружающей природной среде».
В соответствии с этим определением сотрясения грунта при промышленных взрывах, в результате которых под угрозой выхода из строя оказывается уникальное прецизионное оборудование (на заводе по ремонту дорожно-строительных машин (РДСМ) в г. Шимановскс), повреждаются несущие конструкции производственных и жилых зданий (цех ремонтно-складского хозяйства (PCX) и жилой девятиэтажный дом в нос. Лучегорске), возникают опасения за сохранность экологически опасных сооружений (очистные сооружения в г. Фокино): ситуации, обеспечение безопасности в которых проводилось под руководством и личным участии автра в период 1974-94 годов, можно отнести к чрезвычайным до регионального уровня. Перечисленное делает проблему оценки безопасности охраняемых строительных сооружений, расположенных в зонах сейсмического действия промышленных взрывов, чрезвычайной.
Исследованием механических эффектов взрывов в настоящее время занимается большое количество ученых и инженеров во всех странах мира. Это сказывается в интенсивном развитии представлений о характере движения среды, в которой был произведен взрыв (воздушная, водная, грунтовая среда, границы их соприкосновения), и постоянном совершенствовании экспериментальных и теоретических методов исследования, чю приводит к значительному прогрессу и в смежных разделах прикладной механики и механики сплошных сред.
Различные инженерные сооружения и системы, попадая в соответствующее динамическое поле, вводятся в колебательный режим, параметры которого, коррелированные с внешним воздействием, определяют вероятность и степень повреждений сооружения. Во всех случаях среда, в которой производи гея взрыв, является субстанцией передающей энергию от источника к исследуемому сооружению (охраняемому), динамика которого в значительной степени определяется характером контакта с энергопроводяшей средой.
А
Наземные строительные сооружения, частично погружены в две субстанции (грунтовую и воздушную), резко отличающиеся друг от друга по физико-механическим свойствам, поэтому при действии только упругих волн деформаций в грунте они испытывают особый вид возбуждения колебаний - кинематический: от принудительного перемещения в пространстве системы крепления охраняемого строительного сооружения к энергонесущей среде.
Грунтовой среде присуща существенная, предопределенная ее природой, анизотропность (неоднородная слоистость, разломы различной ориентации, дискретная водонасыщенность, различные углы падения слоев, неоднородность рельефа и т.п.). Это приводит к тому, что при прохождении через нее силовые потоки трансформируются в результате интерференционных, дифракционных процессов и фильтрации энергонесущего сигнала, описать которые можно только вероятностно-статистическими методами. Точно так же рациональна вероятностная оценка и повеления строительных сооружений, находящихся в опасных зонах стохастических динамических полей.
Стохастический характер параметров буровзрывных работ (БВР), физико-механических свойств ipyina и характеристик самих охраняемых строительных сооружений приводит к тому, что. несмотря на наличие «Клипмх правил безопасное!и при проиеленип вфмкнмх раГнп» (F.III»BP-92) /0.3 , между взрывопроводящими организациями и владельцами строительных сооружений возникают затяжные конфликты по определению виновных в возникших повреждениях и допустимого уровня проведения ЬВР.
В соответствии с Г.ИЬВР-92 оценка безопасности строительных сооружений, расположенных в зоне действия взрывов, производится только по одному критерию -находятся они внутри или за пределами опасной зоны, размер которой определяется по видоизмененной формуле М.А. Садивскою с использованием статистических коэффициентов, учитывающих свойства грунта в основании строительного сооружения, его тип, характер застройки и условия проведения взрывания. Конкретные численные значения допустимой величины параметров динамики грунта или охраняемого сооружения не приводятся. В связи с этим выполнение содержащихся в ПТЬВР-92 рекомендаций о том, чю в сложных ситуациях решение о допустимой мощности взрывных работ следует принимать на основе экспериментальных измерений, становится затруднительным.
Учитывая особенности и сложность проблемы, наиболее рациональным направлением ее решения является разработка методов оценки безопасности охраняемых строительных сооружений, находящихся в опасных зонах генерированных в грунте промышленными взрывами полей, на основе результатов натурных экспериментальных исследований и применения современных компьютерных технологий обработки и анализа их результатов.
Решение этой проблемы связано с определением внешних нагрузок, реакций на них охраняемого строительного сооружения и непревышения определяющей реакцией допустимого значения.
Комплекс поставленных задач являемся научной проблемой, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение, особенно учитывая возможность практического использования результатов в горном деле, сейсмостойком и гидротехническом строительстве и для расположенных на континент&тыюм шельфе технических средств освоения океана.
Целью диссертации является рафаботка комплексного метода опенки безопасности строительных сооружений (жилых зданий), подверженных кинематическому возбуждению от распространяющихся в грунте упругих волн деформаций от промышленных взрывов, на основе статистического анализа результатов натурных экспериментальных исследований генерированных взрывами полей и реакций на них строительных сооружений.
Для этого были решены следующие залами:
оценены, качественно и количественно, экспериментально полученные параметры стохастических динамических полей, генерированных в грунте промышленными взрывами;
выявлены особенности повеления строительных сооружений при взрывных воздействиях;
разработаны способы моделирования взрывных полей, динамической калибровки исследуемых строительных сооружений и синхронизации измерения их динамики с временным режимом взрывания;
разработаны основы методики оценки динамики охраняемых строительных сооружений, учитывающей конструктивное оформление фундаментов и категорию грунтов в основании;
сопоставлены интенсивности 1енерируемых взрывами в грунте полей и уровни динамики расположенных в них строительных сооружений с действующими нормативами.
Структурно-логическая схема диссертации представлена на рис. 0.1.
Методы исследования включали:
экспериментальные измерения колебаний грунта и охраняемых строительных сооружений по эволюционно развивающейся методике с использованием однотипной измерительной аппаратуры;
математические системы MathCAI), F.xccl, Statistica, Flying Fox обработки, анализа и интерпретации жеиеримешальных данных;
теоретические и численные методы спектрального и регрессионного анализа, построения спектров Фурье, спектров реакций и исследования поведения линейных моделей при кинематическом возбуждении.
ДИАГНОСТИКА БЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИИ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ
Экспериментальное (.-следование динамических полей промышленных Моделирование динамических полей (способ и база данных)
взрывов (оаза данных; Динамическая
Регрессионные соотношения, спектры - калибровка (способ и база данных)
реакции Передаточные функции
Экспериментальное исследование поведения сооружений в Коэффициенты
динамических полях усиления
промышленных взрывов 1
(баш данных) Коэффициенты
условии
Оценка динамики Гибридная модель
SDI- -моделей Оценка динамики
гиоридных моделей
Диагностика безопасности
1олей
Зданий
По спектрам реакций
По регистрациям взрывов с использованием гибридной модели
По ЕПВВР-92
Коэффициенты запаса
Рис. 0.1. Структурно-логическая схема работы
Достоверность полученных результатов обеспечена:
использованием апробированной в полевых условиях Дальнсвосючною ра иона в течение 25 лет методики проведения натурных экспериментальных исследований генерированных промышленными и экспериментальными взрывами полей и поведения
расположенных в них охраняемых строительных сооружении;
замкнутостью комплекса решаемых задач;
сопоставлением экспериментальных данных, полученных при исследовании сооружений-аналогов;
высокой надежностью использованных в диссертации информационных массивов;
положительными результатами применения основных выводов и положений работы в практике строительства на Дальнем Востоке.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
для грунтов II и III категорий определены типовые спектры реакции модели исследуемой группы строительных сооружений, численные значения их параметров и установлена связь с основными параметрами взрывов и интенсивностью генерированных в грунте динамических полей;
определены особенности поведения строительных сооружений при взрывных воздействиях;
введено понятие «i порпднли модель», в которой зона контакта грунта с фундаментом заменена экспериментально-расчетным модулем;
разработаны способы моделировании поля, динамической калиПровки натурных объектов маломощными экспериментальными взрывами скважинных зарядов и синхронизации измерений строи гельных сооружений с временным режимом взрывания, защищенные авторскими свидетельствами;
получены численные опенки преобразования параметров энергии колебаний при переходе ее от грунта к фундаментам с учетом их конструктивного оформления и категории грунтов в основании;
установлены критерии оценки безопасности охраняемых строительных сооружений по спектрам реакций и разработаны рекомендации по их применению;
разработан и проверен на практике способ защиты зданий от сильных динамических воздействий, защищенный патентом Российской Федерации.
Практическая ценность рабопл заключается в решении важной научно-технической проблемы методического обеспечения диагностики безопасности охраняемых строительных сооружений, расположенных в зонах сейсмическою действия промышленных взрывов.
Полученные результаты и накопленный экспериментальный материал нашли применение:
в научном обеспечении нужд промышленности Дальнего Востока при оценке допустимых уровней динамики охраняемых строительных сооружений от внешних воздействий, генерированных промышленными взрывами, работы технологического ооорудования, движения транспорта и т.п.;
в создании системы инженерных наблюдений в ждущем режиме за интенсивностью взрывных работ, реализованной на заводе по ремонту дорожно-строительных машин (г. Шимановск);
использованы ДальШШС и ЦИИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР при разработке нормативных документов на проектирование и ведение взрывных работ при рыхлении скальных и мерзлых грунтов под локализаторами в стесненных условиях городской застройки, расчет и проектирование свайных фундаментов при взрывных воздействиях;
в целевой комплексной научно-исследовательской программе Госстроя России «Строительство в районах с экстремальными условиями и инженерная защита территорий», раздел «Разработка рекомендаций по защите зданий и сооружений от сейсмических, взрывных и динамических воздействий» шифр 16-06-130/93;
в программе Министерства образовании России 02.01.07 «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Экология и рациональное природопользование», проект «Исследование принципов построения новых технических средств мониторинга промышленных объекюв топливно-энергетического комплекса»;
в научно-технической программе Российской академии архитектуры и строительных наук «Разработка методов прогноза и защиты от опасных геофизических, климатических и техногенных воздействий, классификация территории по степени опасности и снижение уровня строительного риска при возведении и реконструкции зданий и сооружений (на примере строительных объектов в экстремальных условиях ДВ и Забайкалья), 2001-2005 годы».
Положения, выносимые на защиту:
1. Понятие «гибридная модель», отличающаяся от ранее использованного в расчетах одномассового осциллятора и позволяющая учитывать разницу в перемещениях грунта и основания.
2. Основы методики и критерии оценки безопасности охраняемых строительных сооружений при взрывных воздействиях, полученные в результате сташетического анализа нолей, генерированных взрывами, и поведения расположенных в зоне их действия моделей строительных сооружений, учитывающие основные параметры взрывов, интенсивность колебаний грунта и динамические характеристики сооружений.
3. Способы динамической калибровки строительных сооружений и моделирования стохастических полей в грунте маломощными скважинными взрывами, позволяющими
регулировать основные параметры взрывных импульсов.
4. Зависимости (передаточные фчнкции), определяющие трансформацию энергии колебаний при переходе взрывного импульса от грунта к фундаментам, учитывающие конструкцию фундаментов и категорию грунтов в основании.
5. Способ защиты жилых зданий от сильных внешних воздействий с помощью подфундаментной подушки из сыпучего материала.моделирования регулируемого динамического поля в грунте мгновенным и короткозамедленным взрыванием скважинных зарядов.
Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на 8 международных конференциях, 10 всесоюзных конференциях и координационных совещаниях, 13 российских конференциях и симпозиумах и 15 региональных конференциях и совещаниях:
Публикации представлены 40 печатными работами, тремя авторскими свидетельствами на изобретения, патентом РФ, монографией и отчетами по 23 госбюджетным и хоздоговорным на\чно-исследовательским работам, имеющими номера госрегистрации.
Моделирование динамики системы «грунт-сооружение» при взрывных воздействиях
При всей ценности эксперимент».н.ных исследований, их проведение достаточно сложно и дорогостояще, полому только в исключительных случаях испытания проводятся на специально созданных для этою полигонах. Обычно исследования проводятся на серийных объектах с неизвестными качеством строительства, техническим состоянием и предисторией нагружений, что существенно затрудняет трактовку результатов измерений. Все это объясняет значительный интерес к математическому моделированию динамики грунта и сооружений при взрывших воздействиях, которое становится особенно эффективно при использовании современной вычислительной техники.
Моделирование взрывною импульса. Судя по научно-технической периодике, в теоретических иследованиях широко применяется синтетическое представление взрывных нагрузок, которое позволяет достаточно легко формально определить влияние основных параметров взрыва на режим колебаний грунта и использовать его как входной процесс при расчете колебаний охраняемого сооружения.
Широко применяемые в инженерікн"» сейсмолої иии и сейсмостойком строительстве методы моделирования колебательного процесса, как в вероятостном /1.67-1.70/, так и в деіерминистическом вариантах, в исследованиях взрывных импульсов применения не получили.
Типичными детерминистическими способами моделирования взрывных воздействий являются методики изложенные в /1.10, 1.16, 1.31/.
В одних из них импульс синтезируется в результате формального сложения различного числа (от 2 до 80) единичных импульсов, имитирующих колебания грунта от взрыва единичной скважины (ступени), с учетом сдвига по фазе равного замедлению и уменьшения амплитуды в зависимости от пройденного импульсом расстояния. Несмотря на математизированность этих работ, во всех случаях получается принципиально одинаковый резулЕ тат - минимизация динамического эффекта происходит, если последовательно подходящие к точке суммирования импульсы находятся в противофазе. Попытки в качестве эталонных импульсов использовать полученные экспериментально /1.31/ ситуации не меняют.
В других работах используются представления взрывною импульса как некоторого случайного процесса /1.71, 1.72/, но из-за вычислительных трудностей, связанных с учетом сдвига по времени и разнице по амплитуде, во всех случаях принимаются упрощения, которые приводят к сущестЕ$енному расхождению между полученными экспериментально и теоретически предсказанными параметрами взрывных колебаний грунта.
Несмотря на все более широкое использование спектральных методов анализа формирования суммарного взрывного сигнала, имеются мнения о необходимости более осторожного и обоснованного его применения.
В /1.73/ выполнена проверка справедливости теоремы запаздывания для суммирования спектров от взрывания отдельных зарядов при КЗВ. Результаты экспериментальных измерений показали, что для MB и КЗ В, проводимых в одинаковых условиях, нормированные амплитудные спектры всегда устойчивы по частоте максимума и его частотной ширине. Суммирование спектров от единичных взрывов при КЗВ дает близкое совпадение расчетных и экспериментальных спектров для сосредоточенных зарядов и недопустимо большое расхождение для раесосредоточенных.
Мощные промышленные взрывы до сих пор остаются достаточно редкими событиями и достоверный прогноз динамического эффекта при их проведении крайне желателен. Естественно, что их натурное моделирование стараются провести при возможно меньших массах ВВ. В /1.74/ приведены теоретическая база и результаты моделирования взрывного импульса от КЗВ при геометрическом подобии с масштабом 1:2,5 по схеме Коши: {іт, р, f}, где ц, Р, f - коэффициент вязкости среды, плотность среды и массовые силы.
Сопоставление теоретических данных с результатами их экспериментальной проверки показало, по утверждению авторов рабо і ы, возможность крупномасштабного моделирования взрывных колебаний.
В научно-технической литературе имеются только очень осторожные высказывания о возможности экстраполяции результатов натурных измерений за границы исследованной зоны параметров К ЗВ, хотя примеры удачных прогнозов мощных промышленных взрывов (до 3600г ВВ) но малым (до 100т) имеются /1.61/.
Об осторожности в прогнозировании эффекта мощных взрывов, т.к. последствия возможных ошибок могут быть катастрофическими, открыто говорится в /1.9/: "...в настоящее время теория сеисмовзрывного эффекта разработана недостаточно для точного расчета волн... возможность их прогноза определяется наличием эмпирического материа.іа, полученного в условиях, близких к рассматриваемым".
Эти опасения высказываются почти в каждой работе, где делаются попытки прогноза динамики грунта при взрывах. Так, например, прогноз на основании лучевой теории, в соответствии с которой интенсивность колебаний в точке регистрации определяется соотношением свойств горных пород в ней и в месте проведения взрыва, оказался существенно неудачным /1.75/.
Моделирование поведении сооружения. В отличии от сейсмостойкою строительства, где анализ поведения моделей сооружений на различные виды реальных и синтетических сейсмических воздействий применяется достаточно широко, работы по теоретическому исследованию колебаний сооружений от техногенных взрывных воздействий немногочисленны. Практически все они посвящены выбору модели перехода от параметров колебаний грунта, которые являются единственными критериями интенсивности взрывных работ, к параметрам колебаний охраняемых сооружений.
Все работы этого направления основаны на разработанном СВ. Медведевым /1.76/ представлении охраняемого сооружения «стандартным маятником», с периодом собственных колебаний 0,25с и логарифмическим декрементом затухания 0,5.
В /1.23/ переход от баллов сейсмической шкалы к величине допустимых колебаний охраняемого сооружения производиіся рассматривая колебания двух систем: «грунт -здание» и «здание - стандартный мая шик»
где 1т, - амплитудно-частотная характеристика здания,
Х,р, Х„ Х0 - смещения і рута, здания и стандартного мат пика, Т„ X - период колебаний и логарифмический декремент задания.
Совпадение численных расчеты с экспериментальными данными определяется близким соотношением периодов колебаний исследованных сооружений (0,29-0,47с) и стандартного маятника.
Подобный подход был принят, в частности, в /1.62/ при определении допустимой массы ВВ и в /1.37/ при определении допустимой скорости колебаний грунта в основании охраняемого сооружения.
В /1.77/ исследованы условия появления биений при колебаниях длинных сооружений вследствии близости значений частот поступательных pi и крутильных фг колебаний на моделях балочного типа с упругими опорами по всей длине. Установлено, что, в зависимости от соотношения частот, возможна реализация поступательных движений (фі фг), биений (фі ф:) или крутильных колебаний (фі ф2)- Но утверждению авторов, натурные исследования 11-этажных зданий подтверждают как наличие биений, так и разнофазность движения противоположных концов зданий.
Как показывают результаты экспериментальных измерений /1.78/, малые скорости распространения взрывных волн в слабых грунтах могут привести к разнофазности движения разных точек основания охраняемого сооружения. Наиболее опасным является такое соотношение скорости движения взрывного импульса и его частоты, при котором по длине сооружения укладывается полуволна. В этом случае противоположные концы сооружения начинают двигаться в противофазе, вызывая его попеременное растяжение-сжатие. Установлен волновой характер колебаний и самих сооружений. Скорость распространения волн в них практически не зависит от этажности и определяется только конструктивным типом /1.79/. Сушееівенно меньшая скорость распространения волн в сооружениях по сравнению с монолитным материалом объясняется их структурной неоднородностью.
В /1.80/ учет волнового характера колебаний грунта в основании длинных и развитых в плане сооружений производится на достаточно простых моделях заданием взрывного импульса в виде дв\х сомножителей, учитывающих соотношение между длиной волны и сооружения, частоту взрывного воздействия и скорость его распространения.
Несмотря на вышеизложенное, детерминированные одіто (single degree f rid от —SDF) и двухмассовые (two degree fridotn - TDF) осцилляторы являются наиболее распространенными моделями сооружений, позволяющими в ряде случаев учесть даже волновой характер колебаний грунта в основании: в /1.81/ исследована динамика TDF -моделей в предположении, что разнофашость амплитуд скорости движения грунта в точках опирання определяется соотношением раесюяний между опорами TDF - модели и до центра взрыва. В результате расчетов на синусоидальные волны установлено, что на низких частотах коэффициенты усиления колебаний существенно зависят от соотношения скорости движения волны с ее частотой, т.е. or фазовой разности перемещения опор. При несущих частотах более 20Гц коэффициенты усиления близки к единице.
Гибридная модель охраняемого сооружения
Теоретические методы динамики сооружений позволяют достаточно представительно исследовать поведение любой расчетной модели при условии, что известны численные значения всех необходимых для этого коэффициентов. Однако, для большинства прикладных инженерных задач информация такого рода или отсутствует, или не является достаточно полной, что приводит к существенной недостоверности результатов расчетов, которая особенно ярко проявляется при сопоставлении их с экспериментальными для реальных сооружений.
Используемая при интерпретации результатов экспериментальных исследований SDF - модель считается жестко закрепленной в основании и реакция ее на внешнее воздействие, заданное реальной осциллограммой движения грунта в основании, определяется или прямым применением интеграла Дюамеля, или с помощью быстрого преобразования Фурье. Однако, это можно считать справедливым только в случае, когда движение грунта определено и идентично движению фундамента.
В действительности, расчетная модель охраняемою обьекта вводится в колебательный режим движением фундамента, между которым и грунтом существует экспериментально установленное несоответствие.
В диссертации эта проблема решается путем создания гибридной модели, в которой преобразование колебательной энергии при переходе от грунта к фундаменту учитывается на базе спектрального анализа экспериментально измеренных колебаний при динамических калибровках. Поскольку основной задачей статистической динамики сооружений является получение информации о процессах на выходе системы при известных входных процессах и свойствах самой системы, преобразование проходящего через линейную динамическую систему, состоящую из (N+1) последовательно соединенных элементов, входного случайного процесса x(t) представляется как где Lj - линейные операторы. При спектральном подходе преобразование (2.1) может быть представлено в виде где для каждого і-ого элемента выполняется соотношение а для системы в целом и для финитных процессов/2.35/. В (2.2) SFj.i(f) и SF,(f) -спектры 1 урье процессов на входе и выходе і-ого элемента системы; H(f)i - амплитудо-частотная характеристика (АЧХ) і-ого элемента. При экспериментальных исследованиях динамики сооружений можно получить физические реализации процессов отдельными элементами. В принципе это соответствует тому, когда в теоретических исследованиях, сооружение представляется в виде многомассовой системы, каждая из масс которой вовлекается в колебательный процесс от других, упруго с нею связанных. Подвергая спектральному анализу экспериментально зарегистрированные процессы между смежными элементами, для каждою их них можно получить соответствующие АЧХ и фазо-частотные характеристики Ф(Г)і (ФЧХ). Поскольку в осциллограммах перемещений грунта и сооружения при взрывных паї ручках высокочастотные составляющие отсутствуют, проблемы, связанные с эффектом ГиПоса, не являются существенными.
Зная экспериментально определенные передаточные характеристики всей цепочки элементов, составляющих динамическую систему, и входной процесс можно предсказать процессы на выходе всей системы и каждого элемента в отдельности, тем более, чго современные компьютерные технологии снимают вычислительные проблемы. Принципиальное отличие такого подхода от традиционных расчетных методов заключается в том, что исчезает необходимость иметь численные значения коэффициентов, характеризующие исследуемый элемент, кроме того, что он линейный, то есть он рассматривается как своеобразный «черный ящик». Достоинство такого подхода состоит в том, что передаточные и динамические характеристики, определенные экспериментально для типовых динамических систем и отдельных элементов, могут в дальнейшем использоваться для своих аналогов в других ситуациях. К таким элементам в рамках настоящей работы отнесены зоны контакта грунта с фундаментом, которые определяются операторами с коэффициентами, величина которых неизвестна и не может быть определена теоретически. Попытки их определения на масштабных моделях не дают приемлемых для практики результатов из за сложности пересчета на натуру, поэтому для исследованных объектов АЧХ определялись прямым сопоставлением спектров выходного (на фундаменте) и входного (на грунте) процессов, зарегистрированных при динамических калибровках. Полученные АЧХ для ансамблей внешних воздействий статистически усреднялись и сопоставлялись с АЧХ других объектов. Следовательно, каждая АЧХ несла в себе информацию об исследованном объекте в целом и показывала, как происходит перераспределение амплитуд по частотам при переходе взрывного импульса от груша к фундаменту. Таким образом, динамическая система, содержащая элементы с неопределенными характеристиками, заменяется «гибридной моделью» /2.37/, в которой для неопределенных элементов спектр выходного процесса получался из спектра входного процесса путем корректировки экспериментально определенными АЧХ (рис. 2.1). Поскольку спектры не имеют временного характера, переход к временным процессам производился инвертированием корректированного спектра методом синтеза, предлагаемого современными компьютерными системами, или классическим способом: корректируя каждую составляющую гармонику по амплитуде в соответствии с экспериментальной АЧХ и складывая их с учетом фазности. Для исследованных сооружений II(f) получалась путем почастотного взаимного деления экспериментальных спектров выходных и входных процессов. Поскольку линейные системы не преобразуют частоту, реакция любой точки системы на внешнее воздействие (или изменения состояния другой точки системы) является мгновенным и ФЧХ для системы в целом и отдельных элементов, в частности, являются одинаковыми /2.35/. Принципиальная идея такого подхода была разработана автором в 1974 г. при анализе результатов экспериментальных исследований ходовой вибрации корпусных конструкций танкеров «Синегорск» и «Могмрь» управления Ностокрыбхолодфлота /2.38 (в частности, надстроек, которые являются близкими аналогами зданий на упругом основании) /2.39/ В
Исследование поведение SDF-модели в стохастических динамических полях
Основным параметром, определяющим энергетическую насыщенность грунта в точке измерения, являеіся приведенное расстояние по массе ВВ средней ступени замедления. При этом предполагается, что массы ВВ всех ступеней равны, вследствие чего поступающий в грунт (а от него в охраняемое сооружение) поток энергии в течение всею времени активной фазы взрывного импульса достаточно стабилен. Данные по обследованным районам показали, чго величина QJQi р, где Q, - масса ВВ і-ой, a Q{ р - средней ступени K3B в тех случаях когда формирование динамических взрывных полей определяется однородной технологией и положением взрываемых блоков (ВЩ$, ЬОР, ШКСИ и Тахангоу), распределяется по нормальному закону (рис. 3.7 ).
На ЛУР при вскрышных работах первый ряд скважин с массой ВВ в среднем по 64кгс в каждой на удалении 3,0...3,5м от откоса взрывался первым и только затем -остальное взрывное поле со скважинами, в каждой из которых было в среднем по 4кгс ВВ. Эго привело к распаду распределения Q,/Q( р на две группировки, одна из которых соответствовала первому мгновенно взрываемому ряду, а другая - основному взрывному полю, при снаряжении которого масса ВВ скважин выдерживалась достаточно строго (табоЗ).
При планировочных работах на мысе Астафьева, из за большой стесненности их проведения, особое внимание \делилось равенству масс ВВ ступеней, в связи с чем среднее квадратическое отклонение соотношения Q,/Qc р было незначительным (т і6л. 3.5). Основные параметры распределений Q,/Qc р по районам приведены в табл.3.3.
Распределения обшей массы ВВ К$В по ступеням и последовательность их взрывания отражаются на равномерности генерируемого взрывам энергетического потока, которая может быть самой разнообразной даже для одного района (рис. 3.8).
Значительную нестабильность имеют также направления отбойки (рис. 3.9), которые, по мнению всех исследователей, существенно влияют на формирование интенсивности и направленности энергетического потока, углы подхода фронтов взрывных волн к точкам измерения. Нестабильность расстояний между центрами взрываемых блоков и точками регистрации колебаний грунта и их относительных возвышений соответствующим образом сказывается на изменении от взрыва к взрыву интегральных оценок физико-механических характеристик трасс распространения взрывных импульсов (табл.3.4).
Промышленные взрывы проводятся с использованием замедлений одной и той же величины в течение времени, определяемого объемом закупленной партии, поэтому выявление влияния замедления на снижение интенсивности генерируемых при взрывах полей для реалі.пых ситуаций затрудниіельно. Так, например, на ІІІКС1І 20мс замедлители применялись в течение 7 лет. Рекомендации по оптимальной величине замедления делаются, как правило, на основании модельных -экспериментов, распространение результатов которых на реальные промышленные взрывы связано с большими трудностями в определении масштабных коэффициентов. Пели испытания выполняются на реально действующих карьерах, то невелики по мощности, а их параметры и условия проведения нестабильны. Следует учитывать и то, что разброс нормативной величины замедления может достигать ±20% /1.16/. Кроме того, существенные трудности в сопоставлении результатов измерений, выполненных с разрывом в несколько лет, связаны и с временным дрейфом поверхности реальных состояний (см. гл.2).
Плотность расположения реализаций на регрессионных линиях lg maxVr - ІкК„р для разных величин замедлений также свидетельствует о сложности выявления их влияния на интенсивность колебаний груша (рис.3.10).
Вышеизложенное показывает, что формирование динамических полей в грунте при промышленных взрывах происходит под влиянием ряда факторов, имеющих объективный вероятностный характер, а сами поверхностные волны деформаций усугубляют это положение в результате случайной интерференции и дифракции.
В свете решаемых задач, определенный интерес представляют параметры взрывных колебаний, определяющие, в зависимости от сочетания, любой кинематический параметр движения грунта: смещение (длина) и частота (время) - основные физические величины системы CTI /3.4 .
С точки зрения динамики сооружения большое значение имеет величина смещения грунта в активной фазе взрывного импульса по радиальной составляющей (d) и соответствующая ему несущая частота (fj). Статистически обработанные зоны реализации этих соотношений для исследованных районов имеют значительную «расплывчатость» (рис.3.11). которую можно объяснить тем, что измерения проводились в промышленных полевых условиях при большой нестабильности параметров Ы$Р и измерительных схем. Тем не менее, в зависимости lgd - l»f,j прослеживаются следующие закономерности: все зоны но оси смешений имеют большую протяженность, чем по оси частот; облака реализаций «смещение— несущая частота» для водонасышенных грунтов ЛУР группируются в диапазоне частот 2,5-3,0Гц и имеют наименьшие значения амплитуд, а для скальных пород Астафьева - соответствуют частотам 30-35Гц и имеют наибольшие амплитуды. Для остальных районов облака реализаций занимают промежуточное положение по частоте и амплитудам смешений; по мере увеличения крепости разрабатываемых пород смещения увеличиваются; сопоставление зон d - fj с нижней границей допустимых скоростей шестибального землетрясения (61 мм/с) /2.50 показывает, что только для работ на мысе Астафьева существовала опасность превышения этою норматива. Принимая в рассмотрение только реализации, попавшие в односигмовые доверительные интервалы, как для смешений, так и для частот, для соотношения d — fj получена регрессионная зависимость Поскольку частота является одним из наиболее важных параметров, определяющих введение охраняемого сооружения в колебательный режим, прослежено изменение определяющей частоты активной фазы взрывного импульса с удалением от центра взрыва точки измерения (г). Как отмечалось М.Л. Саловским /3.5 , в общем случае оно определяется уравнением В зависимости от района исследований, частота вынужденных колебаний уменьшалась в 1,5...4,0 раза, асимптотически приближаясь к частоте основного тона собственных колебаний грхнта, которая для всех рассмотренных ситуаций практически не зависела от расстояния и была примерно одинаковой для всей территории района (рис. 3.12). На ЫЦ$ частоты колебаний грунта для различных районов измерений отличались в связи с тем, что точки измерения на Дальтарс и около жилого дома (см. рис.3.1) располагались на выходах скальных пород. Это впервые установленное явление свидетельствует о том, что грунт можно рассматривать как обычную механическую систему, обладающую набором частот свободных колебаний. Взрывной импульс, распространяющийся в верхних слоях грунта, в отличие от землетрясений, не обладает необходимой энергией для тою, чтобы ввести грунт в режим продолжительных вынужденных колебаний с частотой выше основного тона его свободных колебаний, т.е. сама физическая природа сейсмических и взрывных движений грунта различна.
Типовые причины проведения динамических калибровок
Как уже отмечалось, теоретические методы исследования динамики сооружений зачастую не дают достоверных результатов и; за оісуісгвня надежных количественных оценок коэффициентов, которые можно получить только экспериментально. В значительной степени это относится к системам, физико-механические характеристики коюрых имеют изначально стохастический характер При этом, чем сложнее система, тем выше для нее степень такой неопределенности
Положение в области экспериментального исследования динамических характеристик жилых зданий на Дальнем Востоке России и в Приморском крае, в частносіи, несмотря на формальную плановость научных работ, определялось даже в 70-80 годы не госбюджетным финансированием, а производственными потребностями различных организаций и имело скрытый рыночный характер Поскольку все хоздогоЕюрные экспериментальные исследования имели «аварийный» характер, в каждом конкретном случае в первую очередь решались проблемы заказчика, хотя реальный обьем проводимых измерений всегда значительно превышал определенный условиями договора Эю позволяло целеустремленно накапливать информационную базу, расширять перечень оказываемых услуг в результате ее анализа и повышать научный потенциал
В диссертации использованы материалы натурных испытаний, проведенных под руководством и при участии автора с целями, которые в каждом конкретном случае определялись потребностями промышленности В связи с эти целесообразно рассмотреть некоторые ситуации, которые вызвали их к жизни, поскольку их можно рассматривать как типовые
Спасск Дальний. Территория Спасска Дальнего относится к зоне с нормативной 7 бальной сейсмической активностью /2.37/. В связи с тем, что грунтовые условия площадок строительства в пределах города значительно отличаются друг от друга по сейсмической категории: от известняков (I категория) до водонасьиценных песков (III категория), их уточненная сейсмическая интенсивность лежит в диапазоне 6-8 баллов
После прекращения выпуска сейсмостойких конструкций на Находкинском КТІД-30, продолжение жилищного строительства в сейсмически активных районах Приморскою края можно было продолжать или, шипя сейсмостойкие консцпкцпи из дрчіич реї попои Дальнею Востока, или в каждом конкретном случае геофизическими методами уточнять сейсмическую интенсивность площадки строительства после чего если она оказывалась равной или меньше 6 баллов - использовать не сейсмосюйкие серии жилых зданий, если она не превышала 7 баллов, - использовать проекты жилых зданий в не сейсмостойком исполнении при условии устройства простейших инженерных систем сейсмоизоляции в целях покрытия образовавшегося дефицита сейсмостойкости /4.8-4.10/. Такие подходы потребовали
1. Разработать эффективную в работе, экономичную в исполнении, простую в эксплуатации и долговечную по сохранению демпфирующих свойств систему инженерной сейсмоизоляции В качестве ее была принята подфундаменгная подушка из сыпучих материалов, на которую был позднее получен патент РФ (RU 2081246) /4.11/.
2 Выполнить экспериментальные работы по определению качественного и количественного изменения параметров энерпш колебаний при переходе ее or гр\ша к фундаменту для наиболее распространенных в Приморском крае не сейсмостойких 3-5 этажных жилых домов с различными фундаментами и грунтами в основаниях, используя информационный материал, накопленный с 1974г. на натурных работах по исследованию динамики зданий и сооружений от техногенных взрывов /4.12-4.15/.
В связи с необходимостью быстрого решения поставленных задач в качестве основного способа генерации внешнего воздействия было выбрано короткозамедленное мгновенное взрывание систем скважинных зарядов, расположенных в непосредственной близости от исследуемых объектов (динамическая калибровка), разработанное и апробированное в натурных условиях в 1976г.
Поскольку создаваемые внешние воздействия по всем параметрам наиболее близко соответствовали промышленным взрывам, результаты выполненных экспериментальных измерений в полной мере использовались и для диагностики безопасности жилых зданий, расположенных в зонах сейсмического действия техногенных взрывов.
В 1988-95г. были проведены динамические калибровки 10 зданий с одновременным уточнением сейсмической интенсивности площадок строительства, расположенных практически по всей территории города, из которых в диссертации использованы материалы двух: (О и С2).
Поселок Талакан (Амурская область). Площадка поселка энергостроителей (Новый Город), входящая в зону влияния водохранилища Бурейской ГЭС, расположена на правом берегу р. Бурея в 1,5км к северо-востоку от основных сооружений гидроузла Согласно карты сейсмического районирования СССР (СР-78), территория поселка отнесена к 6-бальной зоне. В связи со строительством плотины ГЭС в 1989г. ВостСнб НЮП провел микрорайонирование, которое показало, что на территории поселка имеются участки с сейсмичностью до 8 баллов и острова вечномсриыч іруиюв, в ре$\льіаіе чет ряд уже построенных жилых домов оказался с дефицитом сейсмостойкости
Возникшая ситуация привела к необходимости провести динамическую калибровку уже построенных зданий-представителей для определения их реальной сейсмостойкости и получения информации для разработки минимальных по объему мероприятий по доведению ее до нормативного уровня.
Динамическая калибровка была выполнена для пяти жилых домов и одного двухэтажного здания детского сада/4.16/ Одновременно были проведены геофизические работы по уточнению сейсмической интенсивности грунтов территории поселка В диссертации использованы материалы динамических калибровок двух зданий (ТІ и Т2)
Поселок Береговой (Приморский край) Пос. Береговой находится в прибрежной зоне северо-восточной части залива Находка с достаточно однородным гео.тої ическим строением всей территории В списке населенных пунктов Приморского края с указанием исходной сейсмичности и повторяемости сейсмических воздействий (СІІИІІ И-7-81) он не значился Поскольку по его территории проходит несколько разломов, в соответствии с рекомендациями нормативных документов, рекомендуется проводить инструментальные геофизические работы для уточнения расчетной сейсмичности предполагаемых площадок строительства.
При инженерных изысканиях и проектных работах по 10-этажному жилому дому эти рекомендации не были выполнены и, когла в 1990г. встал вопрос о слаче дома в эксплуатацию, ситуация приняла очень неприятный характер. Формально обоснованная жесткая позиция краевого ГЛСІІ привела к необходимости динамической калибровки здания и уточнения сейсмичности площадки строительства. В противном случае, а также при получении неблагоприятных результатов исследований, ставился вопрос о снижении этажности уже построенного дома путем демонтажа необходимого количества верхних этажей, несмотря на то, что ордера на все квартиры были уже розданы.
