Оценка влияния величины коэффициента бокового давления грунта на результаты расчётов грунтовых массивов по первому предельному состоянию Калиновский, Сергей Андреевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава I. Коэффициент бокового давления, диапазон изменения его значений 13

1.1. Аналитические способы определения величины коэффициента бокового давления грунта 14

1.1.1. Определение коэффициента бокового давления грунта засыпки на ограждения Ф.М. Шихиева и М.Н. Варгина. 15

1.1.2. Определение коэффициента бокового давления состояния покоя для зернистой среды по Л. Прушке 16

1.1.3. Метод определения коэффициента бокового давления в насыпи сыпучего материала 17

1.1.4. Анализ существующих аналитических зависимостей, связывающих величину коэффициента бокового давления с углом внутреннего трения грунта 19

1.1.5. Определение величины коэффициента бокового давления грунта в предельном состоянии на основе предложений проф. А.Н. Богомолова 21

1.2. Экспериментальные исследования по определению величины коэффициента бокового давления грунта 26

1.2.1. Экспериментальные данные Н.А. Цытовича 27

1.2.2. Практический метод К.Терцаги 28

1.2.3. Определение коэффициента бокового давления песчаных грунтов в стабилометрах конструкции Н.А. Цилюрика и Е.И. Медкова, 29

1.2.4. Опыты М.Н. Голубцовой по определению влияния динамической нагрузки на коэффициент бокового давления грунта 32

1.2.5. Опыты Г.Б. Кульчицкого по определению коэффициента бокового давления для крупных грунтов 37

1.2.6. Опыты В.И. Щербиной по определению коэффициента бокового давления грунта на центробежной установке 39

1.2.7. Опыты СР. Месчана, Р.П. Малакяна и В.А. Мизюмского по определению коэффициента бокового давления глинистых грунтов 42

Выводы по главе I 45

Глава II. Расчет устойчивости откосов с учетом величины коэффициента бокового давления грунта 46

2.1. Инструменты исследования, параметры механико математической модели и расчетных схем МКЭ при проведении компьютерного моделирования 48

2.2. Расчет устойчивости однородного ненагруженного откоса 50

2.2.1. Влияние коэффициента бокового давления грунта на напряженное состояние однородного откоса

2.2.2. Инженерный метод расчета устойчивости ненагруженных откосов с учетом изменения величины коэффициента бокового давления в зависимости от вида грунта, слагающего массив 52

2.2.3. Примеры расчета ненагруженных откосов, выполненных при помощи предлагаемых формул и графиков, и сопоставление их результатов с результатами вычислений по программе «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние» и разработанной компьютерной программы 58

2.3. Учёт величины коэффициента бокового давления грунта при расчёте устойчивости нагруженных откосов 62

2.3.1. Механико-математическая модель и расчетные схемы метода конечных элементов для исследования устойчивости нагруженных откосов 63

2.3.2. Оценка влияния численного значения коэффициента бокового давления грунта 0 на величину коэффициента запаса устойчивости однородного нагруженного откоса 64

2.3.3 Оценка величины возможного экономического эффекта 70

Выводы по главе II 72

Глава III. Влияние коэффициента бокового давления грунта на величину расчётного сопротивления основания и его несущую способность 74

3.1. Решение Л. Прандтля 75

3.2. Обзор некоторых решений задачи о несущей способности однородного основания

3.2.1. Решение М.В. Малышева 77

3.2.2. Метод М.В.Малышева 78

3.2.3. Решение В.Г.Федоровского 79

3.2.4. Метод К. Терцаги 80

3.2.5. Метод Г.Г. Мейергофа 81

3.2.6. Методы, основанные на гипотезе о круглоцилиндрической форме поверхности выпора 3.3. Недостатки рассмотренных методов расчета несущей способности оснований фундаментов 84

3.4. Компьютерное моделирование процесса образования и развития областей пластических деформаций в основании заглубленного ленточного фундамента 3.4.1 Механико-математическая модель и расчетные схемы МКЭ 85

3.4.2 Обоснование необходимости учета величины коэффициента бокового давления грунта при расчете несущей способности оснований фундаментов на основе анализа напряженного состояния грунтового массива 86 3.4.3.

Глава IV. Результаты компьютерного моделирования по определению величин расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на основание 94

Выводы по главе III 101

Оценка влияния коэффициента бокового давления грунта на устойчивость системы «основание фундамента подземная выработка» 103

Механико-математические модели 104

Анализ картин изолиний напряжений в грунтовом массиве системы «основание фундамента - подземная выработка» 105

Определение безопасного расстояния для системы «заглубленный фундамент - подземная выработка» 109

Определение безопасных расстояния и глубины для системы «незаглубленный фундамент - подземная выработка» 115

Выводы по главе IV 123

Сопоставление результатов расчета реальных грунтовых массивов при различных значениях коэффициента бокового давления грунта 124

Расчет устойчивости ненагруженных откосов 124

Расчет устойчивости нагруженного откоса 132

Расчет величины несущей способности основания заглубленного фундамента 134

Выводы по главе V 137

Основные выводы 139

Список использованной литературы 143

Приложения

• Определение коэффициента бокового давления состояния покоя для зернистой среды по Л. Прушке
• Влияние коэффициента бокового давления грунта на напряженное состояние однородного откоса
• Недостатки рассмотренных методов расчета несущей способности оснований фундаментов
• Определение безопасного расстояния для системы «заглубленный фундамент - подземная выработка»

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Изучение технической литературы, в которой рассматриваются способы определения величины коэффициента бокового давления грунта, позволяет сделать вывод о том, что этому вопросу уделяется огромное внимание. Исследования, посвященные коэффициенту бокового давления, проводятся как при помощи экспериментальных, так и на основе аналитических методов, при помощи которых пытаются установить универсальную связь коэффициента бокового давления с расчетными параметрами, которые определяются экспериментально, и являются постоянными величинами для некоторого данного типа грунта. В основном это работы, в которых изучались аналитические взаимные связи коэффициента бокового давления грунта с коэффициентом Пуассона v и (или) углом внутреннего трения р.

Общеизвестно, что при расчетах по второму предельному состоянию коэффициент бокового давления грунта практически всегда используется в качестве одного из переменных расчетных параметров, в то время, как при расчете грунтовых массивов по первому предельному состоянию, эта величина практически никогда не принимается во внимание.

Результаты расчетов устойчивости откосов и склонов, несущей способности оснований сооружений, проведенных с использованием расчетных методов, основанных на анализе напряженного состояния грунтового массива, говорят о том, то величина коэффициента бокового давления при всех прочих равных условиях оказывает на них существенное влияние.

Используя при геотехнических расчетах величину коэффициента бокового давления грунта в качестве переменного расчетного параметра, можно, с одной стороны, получить существенный экономический эффект за счет получения повышенных расчетных значений коэффициентов запаса устойчивости К или несущей способности оснований Р_пд, а с другой - напротив, избежать возникновения аварийной ситуации при получении меньших расчетных значений К и Р_пд, по сравнению с результатами расчетов, проведенных методами, не учитывающими величину _о.

Поэтому, задача об оценке степени влияния величины коэффициента бокового давления грунта _о, на результаты расчетов по первому предельному состоянию, является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по оценки степени влияния величины коэффициента бокового давления на результаты геотехнических расчетов грунтовых массивов по первому предельному состоянию.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ экспериментальных и аналитических методов определения величины коэффициента бокового давления грунта и определены реальные границы изменения его величины для связных грунтов.

2. Проведен анализ методов расчета устойчивости откосов и несущей способности оснований ленточных фундаментов, в результате которого установлено, что величина практически не учитывается в инженерных расчетах.

3. Разработан инженерный метод и соответствующая компьютерная программа, позволяющие выполнять расчеты устойчивости однородных грунтовых откосов, учитывая при этом природные значения коэффициента бокового давления грунта.

4. Предложен подход, позволяющий определить интервалы изменения геометрических параметров откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта. Для его реализации разработана компьютерная программа-калькулятор.

5. На основе анализа напряженного состояния активной зоны основания заглубленного ленточного фундамента и изучения процесса образования и развития областей пластических деформаций под его подошвой, разработан инженерный метод расчета величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки, одним из переменных параметров которого, выступает величина коэффициента бокового давления грунта.

6. Проведен анализ напряженного состояния и процесса развития областей пластических деформаций в грунтовом массиве, вмещающем систему «фундамент - подземная выработка», результаты которого позволили установить, что степень взаимного влияния этих объектов существенным образом зависит от величины Даны рекомендации по определению расстояния между этими объектами в зависимости от величины на котором исключается их негативное воздействие друг на друга.

7. Выполнено сравнение результатов расчетов реальных объектов, описанных в технической литературе, с результатами расчетов методом, базирующемся на анализе напряженного состояния грунтового массива и позволяющим ввести в рассмотрение величину Установлено, что при использовании в качестве расчетного параметра реальных значений коэффициента бокового давления грунта, получаемые результаты адекватно описывают поведение грунтовых массивов в натуре.

8. Внедрение результатов диссертационного исследования.

Достоверность результатов диссертационного исследования, выводов и

рекомендаций обоснованы:

8. 1. Теоретическими и экспериментальными предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости (методы конечных элементов и теории функций комплексного переменного), теории пластичности, инженерной геологии и механики грунтов;

   2. Удовлетворительной сходимостью результатов сопоставительных расчетов реальных грунтовых массивов при адекватных значениях коэффициента бокового давления грунта с поведением этих объектов в природе.

   3. Использованием в качестве инструмента исследования верифицированных компьютерных программ, зарегистрированных в государственном реестре.

   4. Результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в строительную практику.

   Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что - получены и изучены закономерности преобразования полей напряжений и процесса возникновения и роста областей пластических деформаций в грунтовых массивах, составляющих однородные откосы, основания заглубленных фундаментов и вмещающих систему «фундамент - подземная выработка» в зависимости от величины коэффициента бокового давления грунта

   построены графические зависимости величины коэффициента запаса устойчивости К не нагруженного откоса от численных значений его геометрических параметров, физико-механических свойств и величины коэффициента бокового давления грунта, которые составили базу данных разработанной компьютерной программы;

   предложены рекомендации для определения интервалов изменения геометрических параметров нагруженного откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта; для их реализации разработана компьютерная программа-калькулятор;

   разработан инженерный метод, включающий простые формулы и графики, позволяющий вычислять величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на однородное основание заглубленного фундамента при всех возможных сочетаниях численных значений переменных расчетных параметров, рассмотренных в диссертационной работе, и величинах коэффициента бокового давления грунта, входящих в диапазон его природных значений;

   установлено, что значение коэффициента бокового давления грунта сказывается на величине «безопасного» расстояния, при превышении которого полностью исключается взаимное влияние объектов, составляющих систему «фундамент - подземная выработка».

   Практическая значимость работы. Диссертационная работа является часть научных исследований, проводимых на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2010-2013 г.г.

   Представленные в диссертационной работе результаты исследований могут быть использованы для:

   1. определения величины коэффициента запаса устойчивости свободных от внешних нагрузок однородных откосов при любых природных значениях коэффициента бокового давления грунта;

   2. определения интервалов изменения геометрических параметров нагруженного откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта;

   3. определения величин расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на однородное основание заглубленного ленточного фундамента в зависимости от величины коэффициента бокового давления грунта;

   4. расчета «безопасных» расстояний между объектами системы «фундамент - подземная выработка» в условиях стесненной городской застройки;

   5. оценки погрешности инженерных расчетов по первому предельному состоянию методами, в которых не учитывается природное значение коэффициента бокового давления грунта

   Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах: международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.); III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г.); Всеукраинский научно-практический семинар с участием иностранных специалистов «Современные проблемы геотехники» (Украина, Полтава, 2012 г.); на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно- строительном университете.

   Личный вклад автора заключается в:

   составлении механико-математических моделей и расчетных схем МКЭ исследуемых объектов (граничные условия, размеры, вид, степень дискретизации);

   проведение численных исследований устойчивости свободных от внешней нагрузки и нагруженных однородных откосов и оснований заглубленных фундаментов с учетом величины коэффициента бокового давления грунта, обработке и анализе полученных данных, построении графических зависимостей и записи их аналитических аппроксимаций;

   разработке инженерного метода расчета устойчивости ненагруженных однородных откосов в зависимости от величины коэффициента бокового давления грунта;

   составлении рекомендаций для определения интервалов изменения геометрических параметров нагруженного откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта;

   разработке инженерного метода определения величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на основание с учетом реальных значений

   определении «безопасных» расстояний между объектами системы «фундамент

   подземная выработка»;

   проведении сопоставительных расчетов и анализе их результатов;

   внедрении результатов диссертационной работы в строительную практику. На защиту выносятся:

   Расчетные схемы МКЭ и механико-математические модели исследуемых объектов.

   Выявленные закономерности влияния величины коэффициента бокового давления грунта на устойчивость свободных от внешней нагрузки и нагруженных откосов, однородных оснований заглубленных ленточных фундаментов и поведение системы «фундамент - подземная выработка»

   Инженерный метода расчета устойчивости однородного не нагруженного откоса в зависимости от реальных значений коэффициента бокового давления грунта.

   Рекомендации для определения интервалов изменения геометрических параметров нагруженного откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта, а также «безопасных» расстояний между объектами системы «фундамент - подземная выработка».

   Инженерный метод определения величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на основание с учетом реальных значений

   Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.

   Результаты научных исследований внедрены:

   при проведении предварительных поверочных расчетов несущей способности ленточного фундамента, при составлении «Заключения о возможности

   предполагаемой реконструкции (надстройки 2-х этажей) здания заводоуправления с пристройками, расположенного по адресу: г. Волгоград ул. Профсоюзная, дом 13»;

   -в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

   Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 научных статьях, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, присутствующие в Перечне ВАК.

   Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы, из 146 наименований и приложений. Общий объем работы - 210 страниц машинописного текста, в том числе 158 страниц основного текста, содержащего 64 иллюстрации и 19 таблиц.

   Определение коэффициента бокового давления состояния покоя для зернистой среды по Л. Прушке

   Испытания проводились в лабораторных условиях на стабилометре [45]. Грунт песок влажностью Wp = 7,64; W, = 16,67. Гранулометрический состав частиц диаметром 0,5 - 1 мм. 17,9%; 0,5 - 0,25 мм. 36%; 1 - 2мм. 45,2 %; более 2мм. 0,6%; менее 0,1 мм 0,3%. Исследуемый песок относится к пескам средней крупности. Удельный вес 2,65 г/см3. Значения коэффициентов пористости со 33 ответствующих наиболее плотному и рыхлому сложению, емин=0,47; емакс = 0,73. Методика определения бокового давления заключалась в следующем. Образец грунта помещали в рабочую камеру прибора, ограниченную по торцам пористыми дисками, а с боков тонкой резиновой оболочкой, отделяющей грунт от гидравлической камеры с водой, и загружали вертикальной статической нагрузкой. Возникающее при этом боковое давление грунта передавалось через резиновую оболочку на воду. Давление в воде измеряли аэростатическим манометром, применение которого позволило предельно снизить количество сжатого воздуха, что в совокупности с полной герметичностью гидравлической камеры практически исключало поперечное расширение образца.

   Вертикальную статическую нагрузку, с целью сохранения постоянства массы прибора, передавали на образец посредством тарированной пружины ступенями по 0,45 кг/см2 до максимальной величины 4,4 кг/см2, для создания динамической нагрузки использовали вибрационный испытательный стенд, позволяющий менять частоту и амплитуду вертикальных колебаний.

   Схема опытной установки приведена на рисунке 10. В пез льтате испытаний были пoлvчeны данные о боковом давлении песка q при различной величине вертикальной статической нагрузки р и одновременном действии динамической нагрузки разной интенсивности. Частота колебаний менялась от 5 до 50Гц с постепенно возрастающими амплитудами (максимальное значение амплитуды 2,5мм.). Пределы изменения ускорения колебаний - от 0,007 до 5g (g - ускорение силы тяжести).

   Динамические опыты проводились с образцами, предварительно уплотнёнными до предельно плотного состояния. Это исключало возможность изменения 0 вследствие уплотнения грунта при колебаниях. В связи с этим значение f0, полученное при динамических испытаниях песка, сравнивалось со статическим коэффициентом бокового давления, определённым для песка в состоянии, близком к упруго - уплотнённому (от 0,31 до 0,38 для песка средней крупности).

   Схема экспериментальной установки (а): 1 - вибростенд; 2 - камера стабиломет-ра; 3 - аэростатический манометр; 4 - нагрузочное устройство; 5 - упругие подвески для уменьшения давления на стенд; график зависимости динамического бокового давления песка от амплитуды колебаний (б); график зависимости динамического бокового давления воздушно-сухого песка от ускорения колебаний (в); графики зависимости q =f(p) для песчаного грунта при статических и динамических испытаниях при W, равном соответственно 2,21 и 1,1 lg; в- при отсутствии вибрационного воздействия (г)

   Результаты опытов показали, что вибрационное воздействие достаточно большой интенсивности вызывает мгновенное увеличение бокового давления песчаного грунта, независимо от величины вертикальной статической нагрузки. После прекращения вибрации боковое давление постепенно уменьшается до исходной величины.

   При определении величины дополнительного бокового давления от динамической нагрузки qdw исследовалась его зависимость от амплитуды А, частоты/и ускорения колебаний W при постоянном значении вертикальной статической нагрузки. На рис. 1.10. (б) показаны графики зависимости динамического бокового давления воздушно-сухого песчаного грунта от амплитуды колебаний для различных частот, построенные по опытным данным при р = 4,4кг/см . Из рисунка видно, что характер зависимости для различных частот одинаков. При амплитудах, меньших некоторого предельного значения А0, боковое давление сохраняет постоянную величину, соответствующую статической вертикальной нагрузке, а затем возрастает пропорционально увеличению амплитуды. Эта зависимость может быть представлена в виде qduH=K,(A-A0) (1.26) где К! - коэффициент пропорциональности между qmH и А при А А0. Параметры А0 и ;К] существенно зависят от f. Величина А0 изменяется в гиперболической зависимости от f. f (1.27) где С и D - числовые коэффициенты. Величина Ki с увеличением f возрастает по параболическому закону K,=af-bf+c (1.28) где а, Ь, с - числовые коэффициенты. Таким образом, чем выше частота колебаний, тем в большей степени на величине бокового давления сказывается амплитуда колебаний. В связи с тем что на величину qmn оказывают влияние как частота, так и амплитуда колебаний, целесообразно выявить зависимость qdUH от ускорения колебаний, являющегося функцией амплитуды и частоты.

   Из рис. 1.10. (в) на котором приведён график зависимости qduH от W для воздушно сухого песка, следует, что до некоторой предельной величины ускорения W0, боковое давление практически не меняется. При ускорениях W WQ боковое давление возрастает пропорционально увеличению ускорения. Характер зависимости для всех трёх исследованных образцов одинаков. qdu„ = K(W-W0) (1.29) где W0 - предельное значение ускорения колебаний, при котором динамическое воздействие не сказывается на величине бокового давления грунта; К - эмпирический коэффициент, характеризующий угол наклона экспериментальной прямой.

   Влияние коэффициента бокового давления грунта на напряженное состояние однородного откоса

   Для уменьшения величины этой погрешности, мы в своем исследовании, в отличие от методики проф. В.К. Цветкова, для анализа напряженного состояния грунтового массива используем метод конечных элементов (МКЭ), особенностью применения которого является отработка граничных условий, накладываемых на расчетную схему МКЭ, при помощи аналитического решения первой основной граничной задачи теории упругости для весомой однородной и изотропной полуплоскости, полученного проф. А.Н. Богомоловым [3].

   Как отмечено в работе [21], отображающая функция, предложенная проф. А.Н. Богомоловым значительно точнее совершает конформное отображение нижней полуплоскости ImZ 0 на криволинейную границу исследуемой области, чем соответствующая функция, предложенная проф. В.К.Цветковым, отображает туже криволинейную границу на внешность (внутренность) единичного круга. Причина этого заключается в том, что отображение полубесконечной области на полубесконечную всегда адекватней, чем отображение полубесконечной области на конечную область, коей является единичный круг [21].

   В качестве основных инструментов исследования при работе над диссертацией используются разработанные в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете под руководством проф. А.Н. Богомолова компьютерные программы ASV32 [19] и «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние» [24], в которых формализовано аналитическое решение первой основной граничной задачи теории упругости для весомой однородной полуплоскости с криволинейной границей L111J и метод конечных элементов (МКЭ).

   Эти программы позволяют проводить моделирование процесса распределения напряжений в приоткосной области при различных значениях переменных расчетных параметров и вычислять численные значения коэффициентов запаса устойчивости откосов.

   Принято считать [30], что граничные условия, накладываемые на расчетную конечно-элементную схему, практически не влияют на распределение напряжений, если границы расчетной области удалены от ее исследуемой части не менее чем на 6 максимальных размеров последней. Поэтому горизонтальный размер модели принят равным L = Н{\2 + ctgfi), а вертикальный размер - 1Н (Н - высота откоса). Кроме того, как отмечалось выше, проверка адекватности выбора размеров расчетной модели проводилась при помощи сопоставления численных значений напряжений в различных ее точках, вычисленных при помощи МКЭ [30], с численными значениями соответствующих напряжений, вычисленных на основе использования методов теории функций комплексного переменного [21].

   Расчётные схемы метода конечных элементов в зависимости от величины угла заложения откосов, которые при расчетах принимали значения /? = 25; 35; 45 и 60, состоят из 16900 - 18240 треугольных элементов, сопряженных в 8646 -9012 узлах, при этом ширина матрицы жёсткости системы остается постоянной и равной 146.

   Значения физико-механических свойств грунта, слагающего грунтовый массив, изменяются при проведении вычислений в таких пределах, что позволяют моделировать огромное количество их возможных сочетаний, встречающихся в реальных условиях. Для простоты проведения вычислений принято, что среднее значение объемного веса грунта остается постоянным и равным =2т/м3. Угол внутреннего трения принимает значения р=20; 25; 30 и 35; величина коэффициента бокового давления - о=0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,95, вы 50 сота откоса Н и удельное сцепление С изменяются так, что величина приведенного давления связности crce=C(yHtg(p) = 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0. Количество возможных сочетаний численных значений переменных расчетных параметров при таких диапазонах их изменения равно 672. Таким образом, в процессе компьютерного моделирования было проведено 672 вычислительные процедуры и получено столько же численных результатов величины коэффициента запаса для ненагруженных откосов.

   Как отмечено в работах В.К.Цветкова [111], А.Н.Богомолова [21] и опубликованных нами [18;26;30;31], величина коэффициента бокового давления грунта при всех прочих равных условиях оказывает существенное влияние на распределение горизонтальной составляющей напряжения в приоткосной области, положение и форму наиболее вероятной поверхности скольжения и, как следствие, на величину коэффициента запаса устойчивости однородного откоса.

   Ниже на рис. 2.3 - 2.5 в качестве примеров приведены картины изолиний горизонтальных сх напряжений, наиболее вероятных поверхностей скольжения и углов наклона площадок наиболее вероятного сдвига в приоткосной области при различных значениях угла заложения откосов, физико-механических свойств грунтов, слагающих исследуемый массив, и коэффициента бокового давления грунта 0.

   Недостатки рассмотренных методов расчета несущей способности оснований фундаментов

   Разработке методов расчета несущей способности грунтовых оснований фундаментов посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. В этом контексте отметим работы В.Г. Березанцева [2; 3], А.К. Бугрова [32; 33], А.Н. Богомолова [5-10; 12; 13; 15-17; 20-22], С.С. Вялова [36-38], М.Н. Гольдштейна [44], М.И. Горбунова-Посадова [46-48], Б.И. Далматова [49], Ю.К. Зарецкого [52-55], М.В. Малышева [61-65], Н.Н. Маслова [66-71], Ю.Н. Мурзенко [78], В.В. Соколовского [87-89], А.С. Строганова [92; 93], З.Г. Тер-Мартиросяна [95-99], И.В. Федорова [102; 103], В.А. Флорина [107-109], В.К. Цветкова [110-112; 146], Н.А. Цытовича [114-117], К. Akai [126], R. Hilscher [134], Н. Lundgren, К. Mortensen & J.F. Nixon [135;138;140], Z. Mroz [139], L. Prandtl [141], K. Terzaghi [144], G. Tschebatariof [145] и многие другие.

   Все расчетные методы можно подразделять по различным признакам, например, по тому, основываются ли они на использовании аппарата теории упругости, или на решении смешанных задач или базируются на положениях теории предельного равновесия и т.д.

   Исторически сложилось так, что расчеты по первому предельному состоянию проводятся при решении трех основных типов задач: о несущей способности оснований фундаментов, об устойчивости откосов и склонов, о вычислении предельного давления грунта на подпорные или удерживающие сооружения. В настоящей главе диссертации мы остановимся на первом типе задач, предварительно коротко рассмотрев задачу о внедрении штампа в жесткопластическую среду - задачу Л. Прандтля, которая стала ориентиром для многих разработчиков методов расчета несущей способности оснований фундаментов. В настоящей главе будет показано, что использование методов расчета несущей способности оснований фундаментов, основанных на теории предельного равновесия, не всегда оправдано, а предпочтительным является расчет несущей способности на основе анализа напряженного состояния грунтового массива.

   Задача об определении величины критической нагрузки на грунт для условий плоской задачи была рассмотрена впервые Л. Прандтлем [141].

   Согласно принятой расчетной схеме под загруженным участком образуется клиновидная область, состоящая из уплотненного грунта. Уплотненный грунтовый клин (или ядро, что одно и то же) тесно связан с сооружением и перемещается совместно с ним, как некое твердое тело. В своем движении уплотненное ядро оказывает на окружающий грунт распирающее действие. При определенной нагрузке, расположенный по бокам от уплотненного ядра грунт, переходит в предельное состояние, в результате чего происходит выпор грунта из-под фундамента на дневную поверхность.

   Расчетные схемы задачи Л.Прандтля для идеально связного (а) и невесомого сыпучего основания (б) (Цитируется по работе [141])

   В первом случае {у = 0; ср = 0) величина критической нагрузки на основание определяется формулой

   В настоящее время в замкнутом виде на решение задачи Прандтля дано для двух частных случаев: невесомой сыпучей среды и идеально-связного весомого основания. ркр=(х + 2,0)С = 5,14С, (3.1) где: С-сцепление. Для грунтов, обладающих внутренним трением, но, как и прежде, невесомых (у= 0; р± 0), Л.Прандтль предложил следующее выражение: PKp = C,g- tg4 + У -\\ (3.2) или Ркр= + с-сХ%ф)х_ъ-Ш(ре bY-c-cXgcp,. (3.3) Если рассматривается заглубленный фундамент (q - интенсивность боковой пригрузки). Выражения (3.2-3.3) иногда называют формулами Прандтля [28], а полученное решение принято считать одним из основных в механике грунтов в силу того, что для инженерной практики чаще всего применяется двухчленная форма записи выражений (3.2 - 3.3) PKP = Nq l + Ncc (3-4) где Nq, Nc - коэффициенты несущей способности, зависящие от угла внутреннего трения ср: 1 + Sin(p tttgq) 1-sincp Nc = + Sin(pg7ttg(p j І-БІПф ctg9 = (7V -l)ctg(p. (3.5) Анализ формул (3.1-3.3) показывает, что величина предельно допустимой (критической) нагрузки в обоих рассмотренных случаях не зависит от объемного веса грунта и ширины штампа. Ниже нами будет показано, что это не так.

   Для определения величины предельно допустимой нагрузки, которую может воспринимать основание через жесткий фундамент профессором М.В. Малышевым [65] решена задача о равновесии весомого клина, являющегося зоной II (см. рис. 3.2). При этом было принято, что уплотненное грунтовое ядро имеет треугольную форму, а боковые стороны ядра представляют собой отрезки вогнутых кривых.

   Расчетная схема проф. М.В. Малышева для определения предельно допустимой нагрузки на основание (Цитируется по работе [65]) В результате была получена формула, позволяющая вычислить среднюю интенсивность предельного давления для оснований, сложенных песчаными грунтами

   Определение безопасного расстояния для системы «заглубленный фундамент - подземная выработка»

   Для условий примера, рассмотренного в работе [40], уменьшение величины 0 от 0,75 до 0,01 влечет за собой уменьшение величины коэффициента запаса устойчивости однородного откоса, определенного на основе анализа напряженного состояния грунтового массива, с KQj5 = 1,36 до A"o,oi = 0,98, т.е. на 28%. Величина / f0,oi точно совпадает с величиной коэффициента запаса устойчивости, приведенного в работе [40], который вычислен с учетом лишь вертикальной х (одной из трех) составляющей компоненты напряжения в точке грунтового массива. Численные значения коэффициентов запаса устойчивости, полученные авторами работ [39;40;41;82] для рассмотренных ими объектов, могут быть получены на основе анализа напряженного состояния грунтовых откосов методами [21;111] при определенных значениях коэффициента бокового давления грунта. Так, для примера № 1 величина 0С21:1П] = 0,013, для примера № 2 - [21;П1] = 0,27, для примера № 3 - ,[21;Ш] = 0,23, а для примера № 4 - &[21:П1] = 0,66. Таким образом, правильное определение величины коэффициента бокового давления грунта на уровне проведения инженерно-геологических изысканий и использование этого значения при проведении расчетов устойчивости метопами, основанными на анализе напояженного состояния ГОУНТОВЫХ массивов, позволит существенно повысить надежность и достоверность результатов.

   В работе [25] дан подробный анализ работ [127;128], в которых приведены примеры расчета устойчивости нагруженных равномерно распределенной нагрузкой откосов.

   В работе [128] приведены инженерные графики, позволяющие определить величину разрушающей критической нагрузки qp в зависимости от ее ширины и положения на откосе, геометрии откоса и физико-механических свойств грунтов его слагающих.

   Проведем теперь расчет устойчивости склона, описанного в работе [77] методом, основанным на анализе напряженного состояния грунтового массива [21], и методами, приведенными в работах [77;128], а затем сравним полученные результаты.

   Итак, в работе [77] описан случай, когда в ГДР на "участке Лейпциг-Зейц на карьере Цинзендорф в экскаваторном уступе высотой Н=17м с углом заложения /?=36 образовался оползень, который привел к аварии отвального моста....".

   Грунты, слагающие тело оползня, представляют собой «ленточные глины, содержат 42,9-58,5% ила и 30,6 -43,5% глины. Влажность грунта составляла 25,3%, консистенция была мягко пластичной, а способность восприятия влаги была 57% и 134,4%). Угол внутреннего трения грунта нарушенной структуры составил по результатам проведенных опытов р= 21, а удельное сцепление С = 1,75т/м2 . Используя эти численные значения физико-механических характеристик грунта, автором работы [77] методом К.Терцаги [77] проведен статический расчет откоса высотой Н=20м (это проектное значение его высоты) для поверхности скольжения (по глинам), имеющей чашеобразную форму. При расчете учтена пополнительная внешняя нагрузки от экскаватора, погонная интенсивность которой составляет джс=45т/м. Ширина базы экскаватора (ширина нагрузки) Ь=7м, на таком же расстоянии от бровки откоса зафиксирован выход поверхности разрушения.

   В результате расчетов величина коэффициента запаса устойчивости этого нагруженного откоса, приведенная в работе [77], оказалась равной КМос= 1,19, а величина коэффициента запаса устойчивости, вычисленная на основе метода [128], оказалась равной КА=1,11.

   Оба этих значения коэффициента запаса устойчивости К противоречат физическому смыслу, ведь произошло разрушение откоса. Поэтому автор работы [77] находит этому факту объяснение в том, что физико-механические характеристики грунтов определены несколько завышенными по сравнению с тем, что имеет место на самом деле.

   Расчет устойчивости данного объекта методом [21], используемым в настоящей диссертационной работе в качестве инструмента исследования, дает результат /С=0,81 при о=0,1 и К=0,95 при =0,8. Второе значение всего на 5% отличается от Кпред=\, что соответствует действительному положению вещей.

   В работе [95] рассматривается расчет несущей способности основания, сложенного однородным грунтом со следующими прочностными характеристиками: С=78,48КПа; ср =20. При этом принято, что объемный вес грунта основания равен объемному весу грунта засыпки уі=у2=1,9т/м3, а соответствующие значения коэффициента бокового давления одинаковы и равны =1. Глубина заложения фундамента Я=3м; ширина дна котлована L = 2,7м; ширина фундамента 26= 1,52м [91].

   Похожие диссертации на Оценка влияния величины коэффициента бокового давления грунта на результаты расчётов грунтовых массивов по первому предельному состоянию

   

   Оценка несущей способности оснований щелевых фундаментов на основе анализа напряженного состояния грунтового массива и экспериментальных данныхИванов, Антон Андреевич

   

   Оценка влияния шпунтового ограждения на напряженно-деформированное состояние основания существующей застройкиЧиж Ирина Николаевна

   

   Определение величины оползневого давления на основе анализа напряженного состояния грунтового массиваБабаханов Борис Станиславович

   Напряженно-деформированное состояние неоднородного грунтового массива, взаимодействующего с барретами большой длиныСидоров, Виталий Валентинович

   

   Расчет напряженно-деформированного состояния и устойчивости оснований фундаментов, грунтовых сооружений и массивов на основе методов теории функций комплексного переменногоУшаков Андрей Николаевич

   Определение давления грунтового массива на горизонтальные перекрытия подземных пространств на основе анализа напряженного состоянияСтатун, Александр Сергеевич

   Оценка состояния и назначение критериев безопасности намывных золошлакоотваловФилиппова Елена Александровна

   

   Оценка технического состояния бутовых фундаментов при реконструкции зданийКолмогорова Светлана Сергеевна

   Методика оценки технического состояния арочных плотин на кусочно-однородных основаниях по данным натурных измеренийСоколовский, Игорь Казимирович

   

   Оценка напряженно-деформированного состояния армированных оснований в пылевато-глинистых грунтахКлевеко Владимир Иванович