Содержание к диссертации
Введение
1. Современные проблемы строительства на преобразованных слабых грунтах 11
1.1 Общие положения 11
1.2. Современные методы преобразования слабых песчаных и глинистых грунтах 13
1.3. Методы строительства на рыхлых песчаных основаниях в условиях Йемена 15
1.4. Теоретические основы преобразования строительных свойств слабых грунтов 22
1.5. Выводы по главе. Цель и задачи исследований 25
2. Теоретические основы количественной оценки НДС преобразованного слоя грунта 27
2.1. Общие положения 27
2.2. Об остаточных напряжениях в грунтовой среде 27
2.3. Теоретические основы количественной оценки остаточных деформаций и напряжений в грунтовой в среде 33
2.4. Теоретические основы расчета осадок свай и свайных фундаментов численными методами 40
2.5. Выводы по главе 49
3. ПНС преобразованного основания при поверхностном уплотнении 50
3.1. Общие положения 50
3.2. Преднапряженность слоя грунта при его статическом нагружении и разгрузке 51
3.3. Преднапряженность слоя грунта при нелинейной зависимости параболического типа 58
3.4. Преднапряженность в слое по результатом решения одномерной задачи уплотнения методом конечных элементов (МКЭ) 60
3.5. Преднапряженность грунтового основания при его статическом нагружении- разгрузке штампом 63
3.6. Преднапряженность фунтового основания при его динамическом нагружении трамбовкой 78
3.7. Выводы по главе 85
4. ПНС преобразованного основания при глубинном Уплотнении 87
4.1. Введение 87
4.2. Устройство шнековых буронабивных грунтовых свай 89
4.3. Формирование ПНС в слое грунта в процессе устройства буронабивных шнековых свай (аналитические решения) 89
4.4. Формирование ПНС массиве грунта в процессе устройства буронабивных шнековых свой (численный метод - МКЭ) 96
4.5. Формирование ПНС в массиве грунта в процессе устройства буронабивных грунтовых свай при глубинном уплотнении трамбовкой 102
4.5. Выводы по главе 117
5. Влияние ПНС на НДС преобразованного основания под воздействием внешней нагрузки 118
5.1. Введение. Современное состояние вопроса 118
5.2. Влияние изменения плотности скелета на НДС преобразованного основания 121
5.3. Влияние изменения плотности скелета и ПНС на НДС преобразованного основания 125
5.4. НДС трансверсально - изотропного массива под действием местной нагрузки 128
5.5. Выводы по главе 131
6. Основные выводы 132
Литература 134
- Современные методы преобразования слабых песчаных и глинистых грунтах
- Теоретические основы количественной оценки остаточных деформаций и напряжений в грунтовой в среде
- Преднапряженность слоя грунта при нелинейной зависимости параболического типа
- Формирование ПНС в слое грунта в процессе устройства буронабивных шнековых свай (аналитические решения)
Введение к работе
Введение Актуальность темы диссертации Инженерно - геологические условия юго-западных регионов и особенно в зонах морского побережья Йемена, составляющие 20% осваиваемых территории, относятся к сложным, обусловленные наличием на поверхности слабых рыхлых песчаных грунтов толщиной до двух метров и более, подстилаемые сравнительно плотными песчаными грунтами. Освоение этих территорий имеет существенные значение для экономики и связано с решением ряда актуальных задач проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений возводимые на таких грунтах.
Разработка, научное и экономическое обоснование методов проектирования и строительства на этих территориях является одной из главных задач современного фундаментостроения юго-западных регионов Йемена.В настоящей диссертационной работе рассматриваются проблемы количественной оценки остаточных деформаций и напряжений в преобразованном слое грунта (преднапряженного состояния ПНС) при устройстве песчаных подушек, шнековых буронабивных свай, глубинным уплотнением и трамбовке а также задачи о влиянии ПНС на напряженино-деформированное состояние (НДС) преобразованного основания под воздействием внешней нагрузки. Они необходимы для расчета преобразованных оснований по I и II грунте предельных состояний и в конечном итоге для разработки экономически эффективных конструкций фундаментов на таких основаниях.
Цель диссертационной работы. Настоящая работа ставит целью изучение и совершенствование теоретических основ преобразования слабых глинистых и песчаных грунтов при устройстве грунтовых подушек, буронабивных шнековых свай и трамбовке. Они позволяют дать количественную оценку ПНС преобразованного массива грунта и учитывать его наряду с изменинем плотности-влажности грунта при формировании нового НДС под воздействием внешней нагрузки, что в конечном итоге позволяет использовать резервы несущей способности преобразованных грунтовых оснований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Составлен обзор и анализ современного состояния проблем преобразования и строительства на слабых грунтах .
2. Выбрана геомеханическая модель двухслойного основания с преобразованным верхним слоем, в том числе: в виде песчаной подушки, уплотненный шнековыми буронабивными грунтовыми сваями и глубинным уплотнением.
3. Выбрана нелинейная упруго-пластическая расчетная модель грунтов основания, построенная на основе теории прочности Кулона-Мора, необходимая для численного моделирования ПНС преобразованного основания а также НДС системы "фундамент- преобразованное основание".
4. Поставлена и решена одномерная задача уплотнения в упруго-пластической постановке при однократном и циклическом нагружении аналитическим и численным методами .
5. Рассмотрена задача по количественной оценке трансверсально изотропного основания под действием полосовой нагрузки (плоская задача) для определения его осадки.
6. Поставлена и решена задача по количественной оценке НДС основания под действием местной нагрузки в зависимости от избыточного бокового давления аналитическим и численным методами.
7. Поставлена и решена задача по количественной оценке НДС основания в упруго-пластической постановке (плоская и пространственная) для определения остаточных деформаций и напряжений при нагрузке и разгрузке МКЭ.
8. Поставлена и решена задача по оценке НДС грунтового основания в процессе устройства в нем буронабивных свай с использованием шнека аналитическим и численным методам.
9. Поставлена и решена задача о взаимодействии отдельно стоящего, ленточного и плитного фундаментов с грунтовым основанием, усиленное шнековыми буронабивными сваями аналитическим и численным методами.
10.На основе анализа выполненных исследований даны рекомендации по использованию методов преобразования слабых грунтов, в том числе для условий Йемена. Научная новизна данной работы состоит в следующем:
1. Дана количественная оценка ПНС слабых грунтовых оснований после преобразования и НДС после их догружения аналитическими и численными методами.
2. Показано, что при одномерном уплотнении и местной нагрузке (штамп) и разгрузке в упруго-пластической среде появляются не только остаточные деформации, но и остаточные напряжения.
3. Показано, что начальная критическая нагрузка, несущая способность и осадка поверхности преобразованного основания существенно зависят не только от их плотности но и от ПНС, т.е. и от плотности и от исходного НДС преобразованного основания.
Дана количественная оценка усилия, прикладываемое на штангу шнека при реверсе в процесса устройства шнековой буронабивной грунтовой сваи с учетом свойств окружающих грунтов аналитическим и численным методами.
4. Дана количественная оценка усилия, прикладываемое на штангу шнека при реверсе в процесса устройства шнековых буронабивной грунтовой сваи с учетом свойств окружающих грунтов аналитическим и численным методами. Практическое значение работы заключается в том, что она позволяет: 1)дать количественную оценку ПНС преобразованного основания и учитывать ПНС при прогнозе его осадок и несущей способности.
2) получить экономически эффективные решения фундаментостроения на преобразованных слабых грунтах, путем использования резервов их несущей способности. Публикации: Содержание диссертации опубликовано в трех статьях: 1. Напряженно-деформированное состояние преобразованного основания, журнал Основания, фундаменты и механика грунтов.№6,2007г. стр.8-П.
2.Напряженно-деформированное состояние двухслойного основания с преобразованным верхним слоем, ж. Вестник МГСУ № 2, 2008г.стр.81-95.
3.Напряженно-деформированное состояние слоя грунта в процессе его уплотнения грунтовыми сваями и последующего нагружения его под воздействием внешней нагрузки .ж. Вестник МГСУ № 2, 2008г.стр.96-106.
Реализация работы Результаты работы будут использованы на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ и в Аденском университете в Йемене, а также автором диссертационной работы в его дальнейшей научной и педагогической деятельности.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований по количественной оценке ПНС слабого слоя грунта в процессе его преобразования а также НДС преобразованного основания.
2. Результаты примеров количественной оценки ПНС преобразованных оснований.
3. Результаты примеров расчетов НДС преобразованного слоя грунта при взаимодействии с фундаментами с учетом ПНС.
4. Выводы и рекомендации
Диссертационная работа выполнена на кафедре МгрОиФ МГСУ в период обучения в аспирантуре в 2005-2009 годах под руководством заслуженного деятеля науки РФ, профессора, доктора технических наук З.Г. Тер-Мартиросяна.
Автор выражает ему искреннюю благодарность за постоянное внимание и помощь при выполнении диссертационной работы .
Современные методы преобразования слабых песчаных и глинистых грунтах
Для преобразования свойств рыхлых песчаных оснований в настоящее время применяются различные методы, в том числе: - поверхностное и глубинное уплотнение; - уплотнение водонасыщенных песчаных грунтов подводными взрывами, в том числе с использованием РИТ; - устройство песчаных свай, в том числе с помощью струйной технологии; - глубинное виброуплотнение; - закрепление грунтов, в том числе с помощью нагнетания цементного раствора; - устройство песчаных подушек, в том числе с использованием армирования грунта; Последний из перечисленных выше способов относится к категории конструктивных решений, так как он позволяет создавать не только новое основание с заданными физико-механическими свойствами, но также создает благоприятные условия взаимодействия фундамента со слабым основанием. В качестве материала для грунтовых подушек, как правило, используют крупнообломочные грунты (гравий, щебень), крупные и среднезернистые пески, песчано-гравийную смесь (ПГС), и др. Наиболее часто грунтовые подушки имеют толщину 1-Зм. При этом возможно полная или частичная замена слабого основания (рис. 1.1. (в) и (г)). Во втором случае выбор толщины грунтовой подушки должен быть обоснован расчетным путем. 1.2.2.
Методы преобразования слабых глинистых грунтов Для преобразования свойств слабых глинистых грунтов применяются следующие методы: - поверхностное и глубинное уплотнения; - устройства песчаных или грунтовых свай; - уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками; - вытрамбованные котлованы; - глубинное уплотнение; - предварительное уплотнение водонасыщенных слабых глинистых грунтов с применением вертикального и горизонтального дренирования под воздействием дамбы или вакуума (рис. 1.1. (а) и (б)). - закрепление лессовых грунтов (цементация, силикатизация, обжиг); - устройство буронабивных свай, в том числе с использованием шнека; Последний из перечисленных выше способов применяется с целью: 1. Уплотнения слабых водонасыщенных песчаных и глинистых грунтов; 2. Уплотнение просадочных глинистых грунтов; 3. Устройства противофильтрационных завес из столбов уплотненного глинистого грунта или иного материала. Применение шнековых буронабивных свай определяется инженерно-геологическими условиями площадки строительства и техническими возможностями бурового оборудования. При устройстве буронабивной грунтовой сваи с применением шнека используется местный грунт, песчано-гравийная смесь или песчано-цементная смесь. В результате образуется уплотнений столб (свай) из прочного грунта. Кроме того вокруг этой сваи образуется уплотненная зона за счет давления наконечника бурового снаряда на уплотняемый грунт и выдавливания последнего в стороны (рис. 1.2.). Устройство буронабивных свай с использованием шнека в слабых глинистых и песчаных грунтах осуществляется путем непрерывной подачи в забой скважины рабочего материала и уплотнения его при помощи обратно вращающихся шнеков и под действием усилия на штангу , для удержания её на фиксированном уровне .
Усилие на шнеки при набивке скважины рабочим материалом осуществляется весом бурового оборудования а также с помощью анкерных приспособлений, пригрузов и упоров. В слабых грунтах рекомендуется лидирующую скважину устроить продавливанием т.е. при обратном вращении шнеков.Диаметр изготовленный шнековыми способом буронабивной сваи и окружающей ее зоны уплотнения зависит от усилия на шнековую колонну, диаметра шнеков и свойств окружающего грунта [21,22,38,79,92,96]. Решение задачи для определения усилия на шнековую колонну в зависимости от диаметра шнеков и свойств окружающего грунта рассматривается во второй главе настоящей работы. Рас. 1.2. Технологическая схема устройства буронабивных шнековых грунтовых свай ; а- первый этап подготовка скважины прямым обратным вращением шнека; б- формирование буронабивной сваи снизу вверх. 1 .уплотненная зона вкруг скважины при погружении шнека обратным вращением 2. Уплотненный рабочий материал (местный грунт, песок, ПГС, ґрунтоцементная смесь); 3.рабочий материал подаваемиий в забой скважины. Рыхлые песчаные грунты в г. Адене (Йемен) имеют широкое распространение в юго-западной части на узкой полосе (1-2 км) от берега Аденского залива. Абсолютные отметки поверхности морской террасы изменяется в пределах 4-6м. В геологическом отношении терраса сложена толщей четвертичных отложений морского и континентального происхождения. Общая мощность четвертичных отложений по данным бурения превышает 50 м, а в целом по региону, по литературными данным, Верхний слабый рыхлый слой песка толщиной до 3 м подстилается сравнительно плотными песками. Поэтому строительство на этих территориях связано с преобразованием строительных свойств верхнего слоя.
Теоретические основы количественной оценки остаточных деформаций и напряжений в грунтовой в среде
Отличительная особенность грунтовой среды по сравнению со строительными материалами (кирпич, бетон, сталь, дерево, пластмасса и др.) заключается в том, что при цикле нагрузка-разгрузка практически любой интенсивности возникают остаточные пластические (необратимые) деформации.
Эти деформации могут составить до 90% от общей деформации в зависимости от интенсивности приложенной нагрузки, исходной плотности-влажности грунта, а также начального (природного) напряженно-деформированного состояния (НДС) грунта в массиве.
До настоящего времени в прикладной механике грунтов не разработаны эффективные методы оценки остаточных пластических деформаций и напряжений. В инженерной практике для количественного прогноза НДС массивов грунтов чаще всего пользуются концепцией линейно-деформируемой среды, согласно которой грунт на этапе нагружения характеризуется модулем общей (упругая плюс пластическая)линейной деформации Е0 и соответствующим коэффициентом Пуассона (v0). При этом нелинейная зависимость между напряжением и деформацией на небольшом интервале напряжений рекомендуется заменить линейной зависимостью (Рис.2.3.1.).
Однако с ростом диапазона изменения приложенной нагрузки такая линеаризация может привести к значительным расхождениям между прогнозируемым и реальным НДС массива грунта, служащего основанием или средой различных сооружений. Появление новых упруго-пластических моделей грунтов в конце прошлого века и численных методов (МКЭ) прогноза НДС в начале этого столетия дали возможность в значительной степени сократить этот пробел. Появилась возможность использовать модели грунтов с нелинейной зависимостью между напряжениями и деформациями как при объемных так и при сдвиговых деформациях с учетом их перекрестного влияния. Однако вопросы количественной оценки остаточных и упругих деформаций при рассмотрении конкретной краевой задача (штамп, прессиометр и др.) рассмотрены в ограниченном количестве[23,65,70,87].
Если задавать различными значениями напряжений т и а, то можно получить различные модули обшей деформаций Ко и Go- Тангенциальные модули деформаций К и G используют для построения инкрементальной теории пластичности [37,85,87]. Нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями при формоизменении (т-у) и объемном изменении (а-г) в настоящее время часто представляют в виде [87.89] где т - предельное значение интенсивности касательных напряжений, зависящего от среднего напряжения о=(ах + уу + az)/3, т.е. где фі и с; - параметры предельного состояния прямой грунта в плоскости, тга; є - предельное значение объемной деформации грунта.
Очевидно, что при т — оо и є —» 0 получим упругое решение y=T/Go; e=a/Ko В случае простого сдвига и компрессионного сжатия вместо (2.3.4) получим соответственно Изложенные выше линейные и нелинейные модели грунта, описывают деформационные свойства скелета грунта. В случае водонасыщенного грунта, в условиях отсутствия дренирования (недренированные испытания), следует пользоваться приведенными модулями грунта и приведенными параметрами прочности грунта, отнесенные к тотальным напряжениям . Так, для определения параметров деформируемости (Gnp, Кпр) и прочности фпр, спр испытания следует проводить в условиях закрытой системы (неконсолидированные нетренированные испытания) в приборах трехосного сжатия. Для параметров прочности часто пользуются индексом "и" т.е. фи, си (undrained). Для параметров деформируемости также можно пользоваться этим индексом. При известных значениях степени водонасыщения и модулей деформаций скелета (Ks, Gs) и грунта в целом (Ku, Gu) можно определить связь между ними в виде [15,85,87]; где Jw - степень водонасыщения , yw - удельный вес воды, ра - атмосферное давление, z - глубина от поверхности грунта в массиве.
Параметры деформируемости и прочности, определенные по результатам недренированных испытаний используются для определения НДС глинистого грунта при действии кратковременной нагрузки на массив грунта а также при определении несущей способности глинистого грунта, имеющего низкий коэффициент фильтрации т.е Kf 10" см/сек.
Преднапряженность слоя грунта при нелинейной зависимости параболического типа
Эта зависимость может быть представлена графически (рис.3.3.1) и формулой где уо и т0 - параметры нелинейной зависимости, причем п 1, при п=1 имеем упругую среду, т.е. Подставляя значения у; - Tj из (3.2.9) и (3.2.10) в (3.3.2) получим С учетом (3.2.11) получим (о-, -ст,)" = 2(у " "1+2(Т2 (3.3.4) Если воспользоваться обозначением , = о2 / о і, то получим В случае п=1 получим выражение для а2 совпадающее с (3.2.18), т.е. упругим решением. Вычитая из (3.3.9) (3.2.18) получим остаточное значения а2)0ст- Таким образом в этом случае поставленная задача полностью решена. Показана, что если грунтовая среда обладает упруго-пластическими нелинейными свойствами, то при ее нагружении и разгрузке в условиях компрессии возникают остаточные деформации уплотнения и боковое давление. Использование МКЭ для решения одномерной задачи уплотнения обусловлена широкими его возможностями варьирования параметрами грунта и режимом нагружения. В качестве расчетной примем нелинейную модель грунта типа Кулона-Мора, в которой объемная деформация линейная а сдвигая нелинейная, при этом предельное состояние описывается условиям прочности Кулона-Мора. Параметрами этой модели являются Е, У,Ц , С, ЕР Е, vp v где Ер— модуль разгрузки; v - коэффициент
Пауссона при разгрузке. Рассмотрим НДС слоя грунта при ступенчатыми его нагружении до определенного предела и при последующем полном снятии нагрузки. Будем считать после каждой ступени нагружения модуль деформации и сцепление увеличиваются на 10% а угол внутреннего трения и модуль разгрузки не меняются (см табл.3.4.1) Результаты расчета представлены на рис. 3.4.1 и 3.4.2 Видно, что на ветви нагружения зависимость є w - а„, существенно нелинейная. При разгрузке наблюдается остаточная деформация, которая в данном случае превышает упругую (при разгрузке) почти в 10 раз. Важным результатом решения этой задачи является еще и то, что зависимости о\х - Оуу (рис.3.4.2)на ветвях нагрузки и разгрузки не совпадают, т.е. имеет место остаточное боковое давление, которое составляет 33% от приложенной уплотняющей нагрузки. Таким образом по результатом численного моделирования НДС слоя грунта при одномерном уплотнении (компрессия) подтверждаются выводы сделанные в предыдущем разделе на основании аналитических решений. Необходимо отметить ,что при поверхностном уплотнении и при устройстве грунтовых подушек в грунтовой толще возникает НДС аналогичное НДС при однородном уплотнении слоя грунта. Следовательно после завершения устройства грунтовой подушки в ней также формируется преднапряженное состояние, в котором имеются остаточным горизонтальные напряжения превышающие вертикальные, т.е. о Суу .
Формирование ПНС в слое грунта в процессе устройства буронабивных шнековых свай (аналитические решения)
Рассмотрим случай, когда лидирующая скважины пробивается прямым вращением шнеков. В этом случае вокруг скважины формируется новое НДС. В связных и увлажненных песчаных грунтах стенки лидирующей скважины могут держаться в определенное время за счет арочного эффекта. Этого времени бывает достаточное для производства работ второго этапа т.е. подачи рабочего материала и уплотнения его в забое скважины (рис.4.2.1.б).
В результате образования лидирующей скважины вокруг нее возникает избыточное НДС. Его можно определить на основании решения задачи Лямэ о НДС толстостенного цилиндра с внутренним радиусом „я" и внешним радиусом „с" т.е. имеем [10,87,91]: причем рс = y.h 0 , где h-расстояние от поверхности грунта 0- коэффициент бокового давления. стенки скважины будут держаться за счет тангенциальных напряжений
При рассмотрении дальнейшего развития НДС вокруг скважины в процессе уплотнения окружающего грунта при выдавливания в стороны рабочего материала начальные напряжения не будем учитывать, т.к. с ростом радиуса лидирующего скважины они уменьшаются.
Отметим лешь, что при повторном нагруженим стенок скважины грунтовый массив вокруг нее будет деформироваться упруго до тех пор , пока тангенциальние напряжения при г = а будут равны нулю .Так как при действии внутреннего компенсирующего давления д на радиусе г = а тангенциальное напряжения ,будут равны нулю ,то имеем: отсюда получим компенсирующее давление
Очевидно, что процесс уплотнения рабочего материала неизбежно сопровождается его выдавливанием в стороны и раздвижкой стен лидирующей скважины. Очевидно также, что чем больше усилие прикладывается на штангу шнека и чем слабее грунт тем больше рабочий материал будет выдавливаться в стороны. Количественная оценка этого процесса связана с решением задачи о НДС рабочего материала и окружающего массива грунта, взаимодействующие между собой.
Рассмотрим НДС рабочего материала в начальный момент его выдавливания в стороны. Очевидно, что оно соответствует условию предельного равновесия, которое для условий осевой симметрии записывается в известном виде т2 sin ср +2с-cos p где т, и уг - главные напряжения, действующий в направлениях 1и2 соответственно (см. рис.4.3.2.)
Расчетная схема взаимодействия рабочего материала в забое лидирующей скважины в начале его уплотнения и выдавливания в стороны. а,Ь, радиусы скважины, уплотненного грунта до и после выдавления в стороны и "с" радиус зоны влияния соответственно.
После перехода в предельное НДС рабочий материал начинает выдавливается в стороны практически не меняя свай объем. Следовательно, если известен объем рабочего материала V подаваемого в забой заданных размеров (a, h), то после его уплотнения можно определить радиус расширения "Ь". Для этого достаточно приравнять объем уплотненного грунта с объемом цилиндра радиусом "Ь", и высотой h т.е. имеем: где V=V0 - Va ;- V0 - общий объем рабочего материала, подаваемого в забой скважины; Уа-объем рабочего материала в пределах радиуса „я". Объем подаваемого рабочего материала можно определить путем измерения его объема в рыхлым состоянии полагая что существует зависимость вида где V о, V0 - объемы подаваемого и уплотненного рабочего материала; р 0, р0 - плотности подаваемого и уплотненного рабочего материала.
Плотность рабочего материал р 0-ъ уплотненном состоянии при напряжении 0\ можно определить по результатом компрессионных испытаний пологая, что он уплотняется в допредельном напряженном состоянии в условиях одноосного сжатия без возможности бокового расширения. Радиус расширения стен лидирующей скважины от "а" до "Ь" (рис.4.3.2.) можно определить на основании рассмотрения задачи Лямэ о НДС толстостенного цилиндра [10,87,90,101,114].
В рассматриваемом случае в момент завершения процесса уплотнения и расширения рабочего материала получается многослойный цилиндр с тремя радиусами. Для того, чтобы рабочий материал расширился необходимо преодолеть сопротивления окружающего массива грунта. Примем, что на внешнем радиусе "с" — зоне влияния действует радиальное напряжение равное где 0 - коэффициент бокового давления грунта в условиях естественного залегания.
