Взаимодействие грунта и конструкции ( SSI ) состоит из взаимодействия между грунтом (землей) и построенной на нем конструкцией. Это в первую очередь обмен взаимным напряжением , при котором движение системы грунт-конструкция зависит как от типа грунта, так и от типа конструкции. Это особенно применимо к областям сейсмической активности. Различные комбинации грунта и конструкции могут либо усиливать, либо уменьшать движение и последующий ущерб. Здание на жестком грунте, а не на деформируемом, будет иметь тенденцию к большему повреждению. Вторым эффектом взаимодействия, связанным с механическими свойствами грунта, является проседание фундаментов, усугубляемое сейсмическим событием. Это явление называется разжижением грунта .
Большинство гражданских инженерных сооружений включают в себя некоторый тип структурного элемента с прямым контактом с грунтом. Когда внешние силы, такие как землетрясения , действуют на эти системы, ни структурные смещения, ни смещения грунта не являются независимыми друг от друга. Процесс, в котором реакция грунта влияет на движение конструкции, а движение конструкции влияет на реакцию грунта, называется взаимодействием грунт-конструкция (SSI) . [1]
Традиционные методы проектирования конструкций игнорируют эффекты SSI. Пренебрежение SSI разумно для легких конструкций в относительно жесткой почве, таких как малоэтажные здания и простые жесткие подпорные стенки. Однако эффект SSI становится заметным для тяжелых конструкций, лежащих на относительно мягкой почве, например, атомные электростанции, высотные здания и надземные автомагистрали на мягкой почве. [2]
Ущерб, полученный в результате недавних землетрясений , таких как землетрясение в Кобе в 1995 году , также показал, что сейсмическое поведение конструкции в значительной степени зависит не только от реакции надстройки, но и от реакции фундамента и грунта. [3] Поэтому современные нормы сейсмического проектирования, такие как Стандартные спецификации для бетонных конструкций: Проверка сейсмических характеристик JSCE 2005 [4], предусматривают, что анализ реакции должен проводиться с учетом всей структурной системы, включая надстройку, фундамент и грунт.
Традиционно считается, что SSI является исключительно полезным эффектом, и его можно легко пренебречь для консервативного проектирования. Положения SSI в сейсмических нормах проектирования являются необязательными и позволяют проектировщикам уменьшить сдвиг основания конструкции зданий, рассматривая взаимодействие грунта и конструкции (SSI) как полезный эффект. Основная идея положений заключается в том, что система грунта и конструкции может быть заменена эквивалентной моделью с фиксированным основанием с более длительным периодом и, как правило, большим коэффициентом затухания. [5] [6] Большинство норм проектирования используют упрощенные спектры проектирования, которые достигают постоянного ускорения до определенного периода, а затем монотонно уменьшаются с периодом. Учет взаимодействия грунта и конструкции делает конструкцию более гибкой и, таким образом, увеличивает естественный период конструкции по сравнению с соответствующей жестко поддерживаемой конструкцией. Более того, учет эффекта SSI увеличивает эффективный коэффициент затухания системы. Плавная идеализация спектра проектирования предполагает меньший сейсмический отклик с увеличенными естественными периодами и эффективным коэффициентом затухания из-за SSI, что является основным обоснованием сейсмических норм проектирования для уменьшения сдвига основания конструкции при учете эффекта SSI. Та же идея также лежит в основе текущих общих норм сейсмического проектирования, таких как ASCE 7-10 и ASCE 7-16. Хотя упомянутая идея, то есть уменьшение сдвига основания, хорошо работает для линейных систем грунт-конструкция, показано, что она не может надлежащим образом охватить влияние SSI на податливые системы. [7] Совсем недавно Хосравикия и др. [8] оценили последствия применения положений SSI ASCE 7-10 и Национальной программы по снижению сейсмической опасности 2015 года (NEHRP), которые составляют основу издания 2016 года стандарта сейсмического проектирования, предоставленного ASCE. Они показали, что положения SSI как NEHRP, так и ASCE 7-10 приводят к небезопасным проектам для сооружений с поверхностным фундаментом на умеренно мягких грунтах, но NEHRP немного улучшает текущие положения для приземистых конструкций. Для сооружений на очень мягких грунтах оба положения дают консервативные проекты, где NEHRP еще более консервативен. Наконец, оба положения позволяют создавать практически оптимальные конструкции для других систем.
Используя строгий численный анализ, Милонакис и Газетас [9] показали, что увеличение естественного периода структуры из-за SSI не всегда выгодно, как предполагают упрощенные спектры проектирования. Мягкие осадки почвы могут значительно удлинять период сейсмических волн, а увеличение естественного периода структуры может привести к резонансу с длиннопериодной вибрацией грунта. Кроме того, исследование показало, что потребность в пластичности может значительно возрастать с увеличением естественного периода структуры из-за эффекта SSI. Постоянная деформация и разрушение почвы могут еще больше усугубить сейсмический отклик структуры.
Когда сооружение подвергается сейсмическому возбуждению , оно взаимодействует с фундаментом и грунтом и, таким образом, изменяет движение грунта. Взаимодействие грунта и конструкции в целом можно разделить на два явления: а) кинематическое взаимодействие и б) инерционное взаимодействие. Движение грунта при землетрясении вызывает смещение грунта, известное как движение свободного поля. Однако фундамент, заложенный в грунт, не будет следовать движению свободного поля. Эта неспособность фундамента соответствовать движению свободного поля вызывает кинематическое взаимодействие. С другой стороны, масса надстройки передает инерционную силу грунту, вызывая дальнейшую деформацию в грунте, что называется инерционным взаимодействием. [2]
При низком уровне сотрясения грунта кинематический эффект становится более доминирующим, вызывая удлинение периода и увеличение затухания излучения. Однако с началом более сильного сотрясения деградация модуля почвы в ближнем поле и зазор между почвой и сваей ограничивают затухание излучения, и инерционное взаимодействие становится преобладающим, вызывая чрезмерные смещения и изгибающие деформации, сосредоточенные вблизи поверхности земли, что приводит к повреждению сваи вблизи уровня земли. [2]
Наблюдения за недавними землетрясениями показали, что реакция фундамента и почвы может значительно влиять на общую реакцию конструкции. Есть несколько случаев серьезных повреждений конструкций из-за SSI в прошлых землетрясениях . Яшинский [10] приводит повреждения ряда свайных мостовых конструкций из-за эффекта SSI во время землетрясения Лома-Приета в Сан-Франциско в 1989 году. Обширный численный анализ, проведенный Милонакисом и Газетасом [9], приписал SSI как одну из причин драматического обрушения скоростной автомагистрали Ханшин во время землетрясения в Кобе в 1995 году .
Основными типами фундаментов, основанными на ряде характеристик здания, являются:
Классификация оснований фундаментов осуществляется в соответствии с механическими свойствами самих оснований: в Италии , например, в соответствии с новым нормативом по сейсмостойкости — Ordinanza 3274/2003 — можно выделить следующие категории:
Тип фундамента выбирается в зависимости от типа грунта, например, в случае однородных скальных образований выбираются соединенные цоколи, а в случае грунтов очень низкого качества — плиты.
Дополнительную информацию о различных способах строительства фундаментов см. в разделе Фундамент (архитектура) .
Как грунт, так и конструкции могут быть более или менее деформируемыми; их сочетание может или не может вызвать усиление сейсмических воздействий на конструкцию. Грунт, по сути, является фильтром по отношению ко всем основным сейсмическим волнам , поскольку более жесткий грунт способствует высокочастотным сейсмическим волнам, в то время как менее плотный грунт принимает низкочастотные волны. Таким образом, жесткое здание, характеризующееся высокой основной частотой , получает усиленные повреждения, если построено на жестком грунте и затем подвергается воздействию более высоких частот.
Например, предположим, что есть два здания, которые имеют одинаковую высокую жесткость . Они стоят на двух разных типах грунта: первый — жесткий и каменистый, второй — песчаный и деформируемый. При воздействии одного и того же сейсмического события здание на жестком грунте понесет больший ущерб.
Второй эффект взаимодействия, связанный с механическими свойствами грунта, заключается в понижении (проседании) фундаментов, усугубленном самим сейсмическим событием, особенно на менее плотных грунтах. Это явление называется разжижением грунта .
Методы, наиболее часто используемые для смягчения проблемы взаимодействия грунта и конструкции, состоят из использования ранее рассмотренных систем изоляции и некоторых методов укрепления грунта, которые применяются, прежде всего, на низкокачественных объектах (категории D и E). Наиболее распространенными методами являются метод струйной цементации и метод свайных работ. Метод струйной цементации заключается в инъекции в подпочву жидкого бетона с помощью бура . Когда этот бетон затвердевает, он образует своего рода колонну, которая консолидирует окружающий грунт. Этот процесс повторяется на всех участках конструкции. Метод свайных работ заключается в использовании свай, которые, будучи вставленными в грунт, поддерживают фундамент и здание над ним, перемещая нагрузки или вес в слои почвы, которые находятся глубже и, следовательно, более плотные и устойчивые к движению.