Введение к работе
Актуальность проблемы. Нескальные связные и несвязные грунты осадочного происхождения (дисперсные -Є.М.Сергеев, 1982) слагают более 70 % осадочной оболочки земной коры, поэтому они очень часто используются как основание, среда мли материал для различных сооружений,
Несмотря на разнообразие, большинство немерзлых
дисперсных грунтов объединяет одна общая черта - их поведение
в основном определяется характером связей между
структурными элементами, который, в свою очередь, во многом
зависит от наличия и особенностей жидкой фазы. Водонасыщенные
глинистые, пылеватые и песчаные грунты под влиянием
интенсивных низкочастотных динамических воздействий, прожде
всего сильных землетрясений, способны резко снижать свою
прочность и вязкость и переходить в жидкое состояние. Все это
может привести к потере несущей способности оснований
(г.Ниигата, Япония; 1964 г.), появлению катастрофических
оползней и "сейсмоселей" (Гиссар, Таджикистан; 1989 г.,
Суусамыр, Кыргызстан; 1992 г,), сопровождающихся большим,
экономическим ущербом и человеческими жертвами. Между тем
традиционные методы оценки и прогноза поведения дисперсных
грунтов при динамических воздействиях, проводимые без учета
влияния амплитуд и скоростей колебательных, смещений, дают
резко завышенные значения их сейсмоустой-чивости. Поэтому
изучение закономерностей изменений прочности и деформирования
дисперсных грунтоа, при низкочастотных динамических
воздействиях, моделирующих по ряду параметров, й том числе по
энергиям, сильныэ землетрясения, является актуальной проблемой
механики грунтоа, инженерной сейсмологии и инженерной геологии.
В изучений . этих вопросов большой вклад внесли труды
Г.И.Покровского, Д.Д.Бэркана, ОАСавиноза, А.П.Синицына,
Н.Н.Маслова, В.Н.Мосинца, Б.М.Гуменского, П.Л.Иванова,
Ю.А.Велли, КД.Красникоаа, ХАРахматуллйна,. ҐАМавлянова,
Г.А.Зйслера, С.С.Григоряна, Г.М.Яяхоэа, Х.З.Расулова,
А.С.Алешина, ВА.Ильичева, Л.Р.Ставницера, Ю.К.Зарецкога! И.В.Прокудийа, В.Д.Казерновского, АА.Мусаэляна, ВЯ.Хаина, Т.И.Ивасаки, К.Ишихара, А.Казагранде, К.Ли, Б.Сида, К.Чана, Ф.Татсуоки, Л.Финка, В.Хардина.'.Д.Миладинова и других ученых. '
Достижениям в области динамики труп юз способствовало развитие грунтоведения и механики несильных фунтов (работы К.Терцаги, А.Казагранде.Дж.К.МитчеллгзДМ.Герсевьиоза, ! I.M Мас-лова, М.М.Фипагова, Н.А.Цытоаича, И.В.Попова, В.А.Приклоненого, Н.Я.Денисова, Е.М.Сергеева, В.Д.Ломтадзе, М.Н.Гольдциейна, Г.А.Мавлянова,А.К.Ларионова, И.М.Горькоаой, С.С.Вялоьэ, П.Л.Иванова, В.И.Осипова, Р.С.Зиангировз, Ю.К.Зарецкогс, С.М.Кзсымова, ІИ.Ш.Шерматова, А.М.Худайбергенова, В.Т.Трофимовз, В.А.Королева, В.Н.Соколова, Є.Н.Коломенского и других), а так/ко инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства (работы С.В..Медведева, Е.Ф.Саваранского, В.В.Штейноергз, Н.В.Шебалина, Ф.Ф.Ап-тикаена, Я.М.Айзенберга, И.Л.Корчинского, С.В.Полякова, и других).
В Кыргызстана большой вклад в изучение свойств г. поэедшния
массивов грунтов и горных пород, в том числе при сей'оі.ч'.несчи.х
воздействиях, внесли такие ученые, как И.Т.Айтматсв, Н.Г.Я.пымов,
ШАМамбетов, А.Т.Турдукулов, К.Ч.Кожогулов, В.А. Мансуров,
Э.О.Мамыров, Б.Жумабаев, В.Я.Степанов, К.Т.Тйжибгез,
Ш.Э.Усупаев, К.П.Шкурина и другие.
Главными особенностями динамических воздействий, отличающими их от статических, являются быстрое изменение напряженного состояния грунта и передача на единицу его объема гора эдо большей энергии. Если изменение напряженного состояния грунта учитывают почти во всех исследованиях, то энергетический аспект динамических воздействий очень часто игнорируют. Поэтому сланной целью данной работы явилось установление закономерностей изменения прочности и деформирования дисперсных грунтов различного состава, состояния и строения при различных видах и параметрах низкочастотных динамических воздействий.
Идея работы состоит в комплексном учете влияния параметров низкочастотных динамических воздействий, в том числе энергетических, на распределение напряжений в дисперсных грунтах, изменение их свойств и деформирование.
Основные задачи исследования сводились к следующему:
1. Разработать новую методологическую основу и приборы для исследования поведения (изменении структуры, прочности и деформирания) дисперсных грунтов во время низкочастотных динамических воздействий, сопровождаемых колебательными перемещениями рассматриваемых объемов грунта.
2. Установить закономерности изменения структуры,
прочности и деформирования различных типов дисперсных грунтов
при низкочастотных динамических воздействиях, в том числе
сопровождаемых колебательными перемещениями рассматри
ваемых объемов грунта.
3. Теоретически обосновать и экспериментально установить
злиямие составе, структуры и состояния дисперсных грунтов на их
точность и деформирование при различных видах и параметрах
ни.^'/ллсготных динамических воздействий.
А. Выявить ведущие факторы, определяющие поведение дисперсных грунтоз различного состава, строения и состояния при сейсмических воздействиях, и на этой основе разработать классификационную схему их сейсмоустойчивости.
М о т с д ь! исследования, При выполнении работы
автором испальзозались современные представления и методы
грунтоведения и механики грунтов, физико-химической механики
дисперсных структур; новейшие методы экспериментального
исследования состава, строения и свойств дисперсных грунтов и
его основных компонентов, а именно: рентгеноструктурного
енализа, растровой электронной и световой микроскопии,'
ядерного магнитного резонанса, вибрационных и импульсных стендовых испытаний, динамического трехосного сжатия, конической вибропенетрометрии, микрокрыльчатки, ротационной зисчози.мстрии, зибросхашивания; применялись также стандартные лабораторные и полевые методы исследований свойств и строения наскальных связных и песчаных грунтов; обобщение результатов экспеси.ментзльных исследований проводилось на ЭВМ типа IBM
PC. ' ;
Научные положения, выносимые на защиту: 1. Новая методологическая основа для исследования и прогнозирования поведения (изменения структуры, прочности и деформирования) дисперсных грунтоз, учитывающая, что их поведение при низкочастотных динамических воздействиях, сопровождаемых колебательным перемещением исследуемых объемов грунта, определяется не только значениями амплитуд ускорениий колебаний и динамических нагрузок, но и удельными анергиями воздействия и амплитудами скоростей колебательных смещений, глияющих на соотношение разности кинетических энергий и сил инерции отдельных структурных элементов с энергиями и силами их структурных связей - (глава 4,5).
2. При интенсивных низкочастотных динамических воздействиях на поведение дисперсных грунтов влияет явлений экспериментальна доказанного диссертантом обратимого перехода слабосвязанной воды в свободную, резко сникающего жесткости и вязкость водонасыщенных тонкодисперсных систем, а также изменение норового давления аодонйсыщенных грунтов и капиллярной связности неполностью водонасыщенных дисперсных грунтов; интенсивность проявления процессов дилатансии для тонкодисперсных (<1 мш) фракций минералов снижается согласно ряду: каарц > биотит > мусковит > каолинит > гидрослюда; монтмориллонитовая глина ни при какой влажности дилатансию не проявляет - (глава 4).
3. Абсолютное большинство всдонасыщйнных связных грун
тов, в тем числе лессовидных супесей, и суглинков, илоь при
динамических воздействиях, сопоставимых по ускорениям и
скоростям колебаний с сильными землетрясениями, снижают езою
прочность (от десятков до сотен процентов), но значительная
часть прочности восстанавливается практически мгновенно поело
прекращения динамического воздействия (< 30 с), что необходимо
учитывать при проведении исследозаний и выборе методов и
приборов; с ростом амплитуд скоростей колебания, при равных
или даже меньших амплитудах ускорений, наблюдается четко
заметная интенсификация степени разупрочнения связных
грунтов; изменение же структуры связных грунтов при их
колебательных перемещениях кроме действия динамической
нагрузки вызывается разностью энергий и сил инерции отдельных
структурных элементов и проявляется в виде: а) диспергации
слаболрочных агрегатов и формировании (по сравнению с
исходными) тонкодисперсных и однородных структур; б) раз
рыхления грунта вокруг крупных включений или частиц, а также в
виде уплотнения или разуплотнения грунта - (глава 6).
4. Поведение песчаных грунтов при низкочастотных дина
мических воздействиях определяется не абсолютной, а отно
сительной плотностью сложения; на поведении слабонзгруженных
песчаных грунтов, находящихся в квазистатическом состоянии,
изменение частот колебания нагрузок в пределах 1-8 Гц
практически не сказывается, тогда как изменение частоты в тех же
пределах и при тех же значениях амплитуд ускорений и нагрузок с
колебательными перемещениями грунта оказывает сильное
влияние, так как уплотнение и разжижение песчаных грунтов
намного более тесно связано с амплитудами скоростей колебаний,
чем с амплитудами ускорений (глава 7).
5. Классификационная схема сейсмоустойчивости, предназначенная для предварительного прогноза поведения дисперсных грунтов при сильных землетрясениях, построена на основе выделения и учета ведущих факторов в каждой из трех относительно независимых друг от друга групп фаісторов, в основном определяющих изменение структуры, прочности и вязкости грунтов и проявление в них процессов тиксотропии, уплотнения-разуплотнения при сдвиге и сжатии, а именно: сила землетрясения, тип грунта и его напряженное состояние - (глава 8).
Достоверность результатов и выводов обеспечивается:
использованием современных фундаментальных положений и методов механики грунтов, грунтоведения и физико-химической механики дисперсных систем;
использованием новейших методов и приборов для исследования состава, строения и свойств дисперсных грунтов с автоматической регистрацией измеряемых параметров, в том числе метода ядерного магнитного резонанса (на приборе фирмы "Брукер", ФРГ), растровой электронной микроскопии (фирма "Хитачи", Япония) и рентгеноструктурного анализа - все с обра« боткой результатов на ЭВМ; динамического прибора трехосного сжатия и других специальных приборов и оборудования, обеспечивающих точность измерений, намного превышающую величины псгрешностей, связанных с неоднородностью исследуемых грунтов;
воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, которые проводились с не менее чем 2-4 кратной псвторностью;
- соответствием защищаемых научных положений резуль
татам новых экспериментальных исследований, в том числе дан
ным других исследователей, а также наблюдениям за поведением
дисперсных грунтов в натурных условиях.
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:
разработаны новые представления о природе изменения структуры, прочности и деформирования дисперсных грунтов при низкочастотных динамических воздействиях, сопровождаемых колебательными перемещениями исследуемых объемов грунта;
с новых (энергетических) позиций исследованы и установле-
ны особенности влияния состава, структуры и состояния дисперсный грунтов на их поведение при различных видах низкочастотных динамических воздействий и предложены новые показатели;
впервые экспериментально доказан обратимый переход при интенсивных динамических воздействиях связанной воды в свободную в глинистых фунтах и тонкодисперсных системах из неглинистых минералов;
впервые исследованы, количественно обработаны и установлены особенности структурных изменений в глинистых грунтах при низкочастотных высокоамплитудных колебательных движениях;
разработана классификационная схема сейсмоустойчи-вости дисперсных грунтов.
Личный вклад автора заключается в разработке теоретических и методологических положений диссертации; проектировании и изготовлении приборов; отборе образцов-, исследовании их состава, свойств и строения; проведении экспериментов по изучению структуры, прочности ' и деформируемости грунтов в статических условиях и зо Бремя динамических воздействий; обработке, анализе и обобщении результатов.
Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты создают основу для более точной и достоверной оценки и прогноза изменения прочности, вязкости И деформаций дисперсных грунтов при низкочастотных динамических воздействиях, р первую очередь сейсмических, что необходимо для оценки и прогноза устойчивости склонов, откосов и оснований сооружений в. сейсмоактивных районах, сейсмического микрорайо-нирований территорий.
Разработан способ Исследований плотности дисперсных грунтов при сейсмических воздействиях, признанный Изобретением и позволяющий повысить точность определения изменения плотности, прочности и деформаций дисперсных грунтов при динамических воздействиях.
Разработаны слабоинёрционный вибрспзнетрометр и
устройство для определения сопротивления сдвигу дисперсных
грунтов, также признанные изобретениями, конструкции которых
доведены до производственного, использования, позволяют
Ловысить объективность, точность и' воспроизводимость
получаемых результатов и уже используются при исследованиях грунтов.
Предложены новые показатели, более достоверно „ характеризующие поведение дисперсных грунтов при динамических
воздействиях, а также различные зависимости между свойствами и состоянием грунтов, их поведением при различных видах и интенсианостях динамических воздействий, включая классификационную схему их сейсмоустойчивости.
Реализация работы, Результаты проведенных исследований, изложенные а опубликованных работах автора и представленные трамя изобретениями, в том числе два действующих прибора; рекомендациями по практическому использованию результатов исследований, содержащими "Клеси-фикационную схему сейсмоустойчивости дисперсных грунтов"; зависимостями изменения прочности и коэффициента изменения прочности от исходных свойств и состава грунгсэ, - используются л Кыргызском горно-металлургическом института, Государственной комиссии по чрезвычайным ситуациям и гражданской обороне, Ошском филиале института КыргызГИИЗ, Кыргызской комплексной гидроггологической экспедиции (см. приложения 1-4), Так, с использованием материалов автора переселены жители из боЛеэ "ем трехсот домов; авторская доля экономического эффекта внедрения результатов исследований за 1993-1SQ4 гг, составила пятьсот две тысячи сомов (более 45 тысяч долларов США), а ожидаемый ежегодный экономический эффект составляет порядка 130-200 тысяч сомой (12-19 тысяч долларов США).
Результаты диссертационной работы включены в курсы "Механика грунтов и горных пород" и "Грунтоведение", используются при выполнении научно-исследовательских работ,, а дипломном и курсозом проектировании студентами специальности ''Гидрогеология и инженерная геология"; курсах "Инженерная геология" для студентов специальностей "Разраііотка месторождений твердых полезных ископаемых" и "Геологическая съемка, поиски и разведка место рождений полезных иског.земых1'.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались или обсуждались на ряде совместных засаданий кафедры "Гидрогеология и инженерная геология" и "Полезные ископаемые" горно-геологического факультета Фрунзенского (Вишкекского) политехнического института (Фрунзе-Бишкек, 1978-1953 гг.); республиканской конференции "Состояние и Перспективы развития технических Наук в Киргизии" (Фрунзе, 1880); бееесгааном совещаний "Проблемы лессовых Пород в сейсмических районах" (Ташкент, 1G80); первой республиканской научно-технической конференции молодых уЧеныя Киргизии (Фрунзе, 1881); ІІ Всесоюзной
-10-конференции по нелинейной теории упругости (Фрунзе, 1Э85); 1-м Всесоюзном съезде инженеров геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе, 1989); YII Всесоюзной конференции "Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений" (Днепропетровск, 1986); заседаниях кафедры инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова (Москва, 1988, 1990, 1991 гг.); Международной конференции "Экология высокогорных регионов" (Бишкек, 1991), YII симпозиуме по реологии грунтов (Бишкек, 1992), заседании ученого Сонета Кыргызского горно-металлургического института (Биш-кек,10Э4), на секции и Ученом совете Института физики и механики горных пород НАН Кыргызской Республики (Бишкек, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, включающих две монографии и три изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 345 страниц текста (включая таблицы, рисунки и фотографии) состоит из введения, восьми глав, заключения, 8 приложений и списка использованной литературы из 325 наименований. Работа иллюстрирована 47 рисунками, 18 фотографиями, 33 таблицами.
