Zwierciadło wody gruntowej może powodować w określonych układach, zmiany cech propagacyjnych gruntu - czyli może ono zmienić masę gruntu w układ warstwowy. Wtedy górna warstwa (nienasycona) przekazuje energię fal poprzez szkielet gruntowy, a dolna warstwa (nasycona) może przekazywać energię fal zarówno poprzez szkielet jak i wodę.
Zatem na styku tych dwóch stref mogą pojawić się różne rodzaje fal odbitych i załamanych, przy czym w warstwie dolnej (nasyconej) zjawisko to jest jeszcze bardziej skomplikowane bowiem warstwa ta propaguje dwa rodzaje fal poprzecznych i podłużnych.
Rys.4. Przykładowe sejsmogramy składowych poziomych drgań gruntu wzbudzanych ruchem
a) autobusu, b) równoległą jazdą dwóch testowych ciężarówek z prędkością 80 km/h. [2]
Należy pamiętać, że woda zachowuje się jak twardy materiał. I tak rejestrowane w jednorodnym piaszczystym gruncie prędkości fal podłużnych nad zwierciadłem wody gruntowej wynoszą średnio 300 m/s, a poniżej ok. 1500 m/s.
Tab. 1. Zmiana prędkości propagacji fal w gruntach piaszczystych w zależności od naprężeń statycznych [1]
Tab. 2. Prędkości propagacji fal w różnych gruntach [1]
Najbardziej interesujący jest wpływ drgań drogowych na osiadanie i zagęszczanie gruntów. Częstotliwość drgań wzbudzanych przejazdami pojazdów mieści się w granicach 2,6 - 30 Hz, przy czym najczęściej występują częstotliwości 8 - 16 Hz. A więc drgania powstające na skutek przejazdu pojazdów pozostają w paśmie częstotliwości sprzyjających zagęszczaniu, a zatem osiadaniu gruntu, co potwierdzają obserwacje. W Holandii zaobserwowano, że budynki przylegające do autostrady przechylały się w stronę drogi. W Monachium wiele budynków posadowionych było na warstwie piasku i żwiru o grubości ok. 6 m, pod którym znajdowała się skała. Narastanie intensywności ruchu pojazdów wywoływało tak duże osiadania, że niektóre ulice zamknięto dla ruchu samochodowego.
Stosowanie różnych maszyn drogowych do zagęszczania warstw podbudowy (nie tylko wibracyjnie) powoduje też zmiany dynamicznego modułu odkształcania warstw konstrukcyjnych jezdni. Z dwukrotnych pomiarów dynamicznego modułu ścinania warstw w jezdni (metodą pomiaru prędkości rozchodzenia się fal o różnych częstotliwościach), przeprowadzanych podczas budowy drogi i po trzech latach eksploatacji wynika, że moduł ten dla warstwy piasku podbudowy zmienił się z 27 kN/m2 na 69 kN/m2. Wzrost gęstości warstw w jezdni wyniósł w tym okresie 10%. Z kolei moduł ten dla chudego betonu i gruntu stabilizowanego cementem malał z czasem, z powodu pękania nawierzchni na skutek ruchu pojazdów.
I tak, dowolny obiekt posadowiony na niespoistym gruncie będzie osiadał, jeśli grunt będzie podlegał drganiom wywołanym pracą maszyn, ruchem pojazdów lub wbijaniem pali. Z kolei osiadania budowli, posadowionych na gruntach spoistych (np. na glinie) i podlegających drganiom, zwykle są tak nieznaczne, że nie pociągają za sobą niebezpieczeństwa uszkodzeń obiektów. Ten fakt różnej reakcji piasku i gliny na drgania jest uwzględniany przy doborze np. sposobów zagęszczania nasypów. W wyniku swojej wrażliwości na drgania, piasek może być efektywnie zagęszczany urządzeniami drgającymi, podczas gdy glina może być zagęszczana tylko pod działaniem obciążeń statycznych. Osiadanie powierzchni piasku, wywołane pulsacyjnym obciążeniem, jest wielokrotnie większe niż osiadanie, wywołane statycznym działaniem tego samego obciążenia. Zagęszczanie gruntu jest zależne w dużym stopniu od nacisku statycznego na podłoże, który wywołuje większe tarcia międzycząsteczkowe, a więc większe opory i mniejsze zagęszczenia.
Drugim istotnym elementem wpływającym na osiadanie jest częstotliwość drgań. Maksymalne osiadanie występuje przy drganiach od 8 - 42 Hz. To pasmo częstotliwości jest określane jako niebezpieczne. Podręczniki dotyczące fundamentów podają liczne przykłady nadmiernych osiadań gruntu spowodowanych drganiami. Przykładowo, turbogenerator na fundamencie spoczywającym na zagęszczonym piasku i żwirze, mający 1500 obr/min (25 Hz), powodował maksymalne osiadanie ponad 30 cm na rok. Znane są też przypadki znacznych osiadań występujących podczas wbijania pali fundamentowych. Np. na obszarze, na którym wbito 100 pali (przebijając nimi warstwę piasku i żwiru o grubości nawet 15 m) nastąpiło obniżenie powierzchni gruntu o 15 cm, a w odległości 15,0 m od obszaru palowania o 3 mm. Inne czynniki też mogą przyspieszać lub opóźniać osiadanie, np. zwiększenie wilgotności, powoduje wzrost wartości krytycznego przyśpieszenia, a po osiągnięciu nasycenia znów nieco zmniejszają się.Problem przekazywania przez podłoże nadmiernych drgań na skarpy może dotyczyć i może wystąpić w fazie ich projektowania, w fazie początkowego rozruchu urządzeń oraz w fazie normalnej eksploatacji.
Ochrona skarp przed wpływem drgań i wstrząsów przenoszących się przez podłoże może być przeprowadzona kilkoma sposobami:
- ograniczenie wielkości drgań wymuszających w samym źródle, oddalenie,
zmniejszenie obciążeń lub innych parametrów dynamicznych lub inne usytuowania obciążeń, - zmiana właściwości dynamicznych lub wytrzymałościowych podłoża - można to osiągnąć poprzez zwiększenie lub zmniejszenie jego sztywności ewentualnie wzmocnienie,
- zastosowanie elementów wibroizolacyjnych.
Ważną czynnością dla uniknięcia niepożądanych efektów jest dokładne badanie podłoża z wyznaczeniem granic zalegania poszczególnych wydzielonych warstw, namierzonych poziomów zwierciadła wody gruntowej, stanu gruntów ( zagęszczenia i plastyczności). Problem właściwego zaprojektowania obiektów liniowych i posadowień innych urządzeń wibracyjnych w ich pobliżu wymaga od projektanta znajomości dopuszczalnych amplitud przemieszczeń lub przyspieszeń dla tych obiektów.
W przypadku prostych budowli liniowych (nasypów) o wysokości do 4 m z ruchem KR 1 – KR 2 można się posłużyć skalami SWD podanymi w normie PN-B-02170:1985.
Zmniejszenie drgań od działania ruchu o niskich częstotliwościach można uzyskać poprzez zwiększenie sztywności podłoża wykorzystując, np. poduszki geotkaninowe o wytrzymałościach na rozciągnie w granicach 80 – 120 kN/m i grubości poduszki ok. 0,5 m. Cementyzacja lub chemiczne uzdatnianie przynoszą z reguły mniejsze efekty.
Znaczne zmniejszenie efektów dynamicznych od przejazdu pojazdów kołowych i szynowych na stateczność skarp nasypów i wykopów uzyskuje się dodatkowo przez likwidację nierówności, styków nawierzchni z obiektem, właściwą technologią zagęszczania w obrębie płyt przejściowych i jej zabudową. Do tego dochodzi jeszcze organizacja ruchu z redukcją i ograniczeniami prędkości przejazdu pojazdów i eliminacja zjazdów wymagających hamowania.
Mechanika powstawania obciążeń dynamicznych i wpływu ich na konstrukcje skarp nasypów i wykopów lub przekopów dotyczy przede wszystkim źródła drgań:
- zmiana położenia środka nacisku na nawierzchnię (przesuwanie się obciążenia),
- uderzenia pionowe kół na nierównościach,
- uderzenia poziome kół o nierówności,
- poziome uderzenia obrzeży kół o szyny (rzucanie na boki),
- poziome siły powierzchniowe przy hamowaniu pojazdy,
Wszystkie te źródła można więc ograniczyć przez odpowiednie zabiegi konstrukcyjne lub organizacyjne.
Dla wyeliminowania tego typu zjawisk stosuje się różnego rodzaju zabiegi - przegrody przeciwdrganiowe w podłożu w postaci głębokich szczelin lub rowów pustych lub wypełnionych materiałami tłumiącymi względnie wbudowywanie geosyntetyków w postaci „poduszek” pod konstrukcją jezdną lub też jako poziome warstwy w skarpach. O skuteczności tego typu przegród można mówić dopiero, gdy jej głębokość jest porównywalna z długością fali powierzchniowej. Prowadzone badania ze ściankami szczelnymi wykazały ich skuteczność przy spełnianiu warunku:
gdzie:
ts – głębokość szczeliny
λ – długość fali.
Rys.1. Schemat przegrody przeciwdrganiowej w postaci szczeliny.
a)
b)
c)
Rys. 2. a), b), c) - Przykłady wypełnienia głębokich szczelin.
Znajomość częstotliwości własnych pozwala w praktyce inżynierskiej uniknąć nadmiernych drgań lub dynamicznych osiadań (poprzez eliminowanie drgań „rezonansowych”). Zależy ona również od np. masy urządzenia wywołującego drgania i jego mechanicznych właściwości, rozkładu obciążeń przenoszonych z urządzenia na podłoże, kontaktu jego z podłożem oraz od gęstości i sztywności podłoża
Rys. 3. Układ sił w zboczu w warunkach drgań sejsmicznych
Poniżej zestawiono wyniki obliczeń własnych dotyczących nasypu z kontrbankietami dla czterech wariantów obciążeń statycznych i dynamicznych
Wariant I
Obciążeniem ruchem - statyczne
Wariant II
Obciążenie ruchem - dynamiczne
Wsp. parasejsmiczny k = 0,2
Wariant III
Obciążenie ruchem - dynamiczne
Wsp. parasejsmuczny k = 0,2
Wariant IV
Obciążenie ruchem - dynamiczne
Wsp. parasejsmiczny k = 0,2
ze zbrojeniem skarpy pasami geokomórkowymi
Literatura :
- Ciesielski R., Maciąg E.: Drgania drogowe i ich wpływ na budynki. WKiŁ, W-wa 1990 r.