Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Актуальные проблемы ползучести и виброползучести грунтов 13
1.1 Общие положения 13
1.2 Исторический обзор исследований 14
1.3 Анализ экспериментальных исследований 18
1.4 Анализ теоретических исследований 29
1.5 Выводы по главе 1 33
1.6 Цель и задачи исследования 34
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования песчаных грунтов с учетом нелинейных и реологических свойств 36
2.1 Цель, задачи и состав экспериментальных исследований 36
2.2 Установки и методики проведения лабораторных испытаний 38
2.3 Результаты испытаний песчаных грунтов в условиях трехосного сжатия в кинематическом режиме нагружения 45
2.4 Результаты испытаний песчаных грунтов в условиях трехосного сжатия в циклическом и вибрационном режимах нагружения 54
2.5 Определение дополнительных деформаций грунтов при вибрационных нагрузках 64
2.6 Количественная оценка виброреологических свойств грунтов 70
2.7 Критерии оценки разжижения водонасыщенных песчаных грунтов 74
2.8 Выводы по главе 2 77
ГЛАВА 3. Теоретические основы ползучести и виброползучести песчаных грунтов 79
3.1 Исходные положения 79
3.2 Теоретические основы ползучести и виброползучести грунтов 81
3.3 Ползучесть и виброползучесть неводонасыщенного грунта 87
3.4 Ползучесть и виброползучесть водонасыщенного грунта 89
3.5 Виброползучесть грунта обусловленная неодинаковым сопротивлением сдвиговым и объемным деформациям при нагрузке и разгрузке 94
3.6 Выводы по главе 3 97
ГЛАВА 4 Аналитические и численные решения прикладных задач ползучести и виброползучести 99
4.1 Особенности циклических воздействий на основания зданий и сооружений 99
4.2 НДС грунтового массива при погружении сваи в лидерную скважину 100
4.2.1 Определение усилия погружения сваи с учетом упругопластических свойств грунтов 107
4.2.2 Определение оптимального угла острия наконечника погружаемых свай 111
4.2.3 Релаксация напряжений в грунтовом массиве, вмещающем сваю 112
4.3 Взаимодействие сваи с двухслойным основанием при статическом и циклическом воздействиях с учетом нелинейных свойств грунтов 116
4.3.1. Постановка и решение задачи при статическом нагружении 119
4.3.2. Постановка и решение задачи при циклическом нагружении 128
4.4. Выводы по главе 4 131
Выводы по итогам диссертационного исследования 133
Список литературных источников
- Анализ экспериментальных исследований
- Результаты испытаний песчаных грунтов в условиях трехосного сжатия в кинематическом режиме нагружения
- Ползучесть и виброползучесть водонасыщенного грунта
- Определение усилия погружения сваи с учетом упругопластических свойств грунтов
Анализ экспериментальных исследований
В настоящее время строительство высотных зданий и инженерных сооружений повышенной ответственности в крупных городах ведется постоянно возрастающими темпами. Основная задача – обеспечение надёжных условий их возведения и эксплуатации. Первостепенное значение в решении этой задачи имеет изучение и совершенствование методов количественной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) оснований, в том числе остаточных (пластических) деформаций грунтов основания при статических и циклических воздействиях самого различного характера. При циклических и вибрационных воздействиях основания, а, следовательно, и сами сооружения, испытывают дополнительные деформации. В настоящее время методы исследования и количественной оценки таких остаточных деформаций грунтов оснований, в том числе прогнозирования дополнительных осадок и кренов фундаментов сооружений, не получили полноценного развития.
Следует различать задачи динамики сооружений и динамики грунтов. Динамика сооружений занимается расчётами прочности, устойчивости и деформирования строительных конструкций при динамических воздействиях, в то время как основная цель динамики грунтов – дать количественную оценку напряженно-деформированного состояния массива грунта с учетом взаимодействия с сооружением при циклических и вибрационных воздействиях. Объектом исследований динамики грунтов является грунтовый массив неоднородного строения, вмещающий подземную часть сооружения. При взаимодействии неоднородной грунтовой среды с подземной частью сооружения конечной жесткости под воздействием статической и переменной нагрузок возникает сложное НДС, которое может привести к дополнительным остаточным деформациям. Ползучесть и релаксация, снижение прочности при длительном действии нагрузок есть ни что иное как проявление реологических свойств грунтов. Без учета реологии решение основных задач механики грунтов не представляется возможным. Виброреология изучает влияние циклического и вибрационного нагружения на деформационные свойства грунтов во времени.
В начале прошлого столетия формируются научные основы современной механики грунтов. В 1925 г. на немецком языке выходит фундаментальный труд проф. К. Терцаги «Строительная механика грунтов», в котором постулируется необходимость получения достоверных теорий поведения грунтового массива для применения их в дальнейшем для разрешения сложных инженерных задач, в том числе консолидации водонасыщенных грунтов. Им впервые тотальное напряжение было разделено на сумму нейтрального (по-рового) и эффективного напряжений.
В 1934 г. Н.А. Цытович публикует свои «Основы механики грунтов» [121] (труд, переведенный на 10 языков мира, претерпевший неоднократные переиздания вплоть до 1979 г. и до сих пор являющийся хрестоматийным). В это же время печатаются работы Н.Н. Иванова и В.В. Охотина «Дорожное почвоведение и механика грунтов», а в 1936 гг. – серия основополагающих в области реологии грунтов работ Н.Н. Маслова и В.А. Флорина. Так были заложены основы реологии (от греч. , «течение, поток») грунтов.
Определяющее влияние на развитие исследований виброползучести оказали работы отечественных ученых Д.Д. Баркана (1948), О.Я. Шехтер (1948, 1953) и О.А. Савинова (1955, 1959), П.Л. Иванова (1969). Это ряд научных трудов, заложивший расчетно-теоретические основы проектирования фундаментов зданий и сооружений при циклических воздействиях. В этих работах впервые изучалось влияние колебаний различной интенсивности на сжимаемость грунтов оснований, вводились основополагающие понятия: критическое ускорение колебаний, виброползучесть и др. Вторая половина XX в. (начиная с 60-х годов) ознаменовалась заметным прогрессом как в изучении закономерностей прогнозирования поведения грунтов оснований, так и в расчетах подземных частей зданий и сооружений в условиях циклических нагрузок. В области исследования ползучести различных дисперсных грунтов следует особо отметить работы Н.Н. Маслова [62], П.Л. Иванова [41], Л.К. Танкаевой, Г.В. Сида, И.М. Идрисса, Н.М. Ньюмарка [72], Ю.К. Зарецкого [38], В.А. Иоселевича, Л.Н. Рассказова [76], Л.Р. Ставницера [84], А.И. Савича, З.Г. Тер-Мартиросяна [97] и др.
Исследования в области циклической и вибрационной устойчивости грунтов вышли на качественно новый экспериментальный и теоретический уровень после сильнейших землетрясений 1964 г. в Ниагате (Япония) и Ан-коридже (США), повлекших за собой широкомасштабные разрушения, разжижение водонасыщенных песчаных грунтов, многочисленные человеческие жертвы и огромный экономический ущерб.
В этот период реология и динамика формируются как полноценные научные направления в рамках механики грунтов. Для изучения НДС оснований и, следовательно, правильного выбора типа конструкции подземной части зданий и сооружений, необходимо подобрать достоверную расчетную модель основания, определить его реологические (упругие, фильтрующие, демпфирующие) характеристики по экспериментальным данным и оценить степень устойчивости грунтов. Трансформация физико-механических свойств грунтов в результате циклического нагружения (деградация прочности, рост деформируемости и снижение жесткости) может не только повлиять на выбор расчетной модели и конструкции фундамента, но и в особо трудных случаях вообще исключить возможность возведения сооружения на данном месте.
Результаты испытаний песчаных грунтов в условиях трехосного сжатия в кинематическом режиме нагружения
Процесс развития и аккумуляции дополнительных остаточных деформаций в грунтовых основаниях под действием статических и циклических воздействий представляется схожим, потому как обуславливается в обоих случаях вязкопластическими свойствами грунта. Однако существует важное отличие, которое заключается в скорости силового воздействия. При высокочастотных циклических воздействиях возникают большие ускорения, которые оказывают значительное влияние на характер связей между частицами, снижающие сопротивление их взаимному смещению. Исследования в этой области [108] показывают, что в этом случае возможна замена трения скольжения трением качения. В связи с этим, математический анализ процесса аккумуляции дополнительных деформаций в грунте при статическом и циклическом воздействиях должен опираться не только на свойства грунта, но и на изменение этих свойств в условиях периодических нагрузок.
Следует сделать предположение, что процессы накапливания остаточных деформаций в грунтах под действием локальной нагрузки (штамп, фундамент) и собственного веса аналогичны процессам, наблюдаемым при лабораторных испытаниях образцов грунтов в условиях компрессии, трехосного сжатия, сдвига и кручения. Количественная характеристика процесса накопления остаточных деформаций и напряжений в грунтовых массивах методами математического анализа связана со значительными трудностями, и прежде всего с необходимостью учета неоднородности НДС, которое изменяется в пространстве и во времени как при статических, так и при циклических воздействиях. Кроме того, известно, что в процессе вибрационного воздействия грунты изменяют свои деформационные и прочностные характеристики (Тер-Мартиросян А.З., 2009).
Методы изучения и прогнозирования НДС грунтовых массивов требуют выделения различий и выявления черт сходства рассматриваемых явлений и процессов. Задачи изучения и прогнозирования НДС сводятся к математиче-29 скому анализу наблюдаемых реальных свойств грунтовой среды. В результате создается расчетная модель или расчетная схема грунта, частично отражающая действительную природу рассматриваемого процесса в грунте.
В настоящее время в теоретической механике грунтов нашли применение различные математические модели для описания механических свойств грунтов. Некоторые из этих моделей описывают свойства грунтов и при циклических воздействиях различного характера.
При этом всякой модели соответствует некоторая степень идеализации и схематизации свойств реальных сред, полученных по результатам экспериментальных данных и натурных наблюдений.
Адекватность любой математической модели оценивается по результатам анализа соответствия расчётов и прогнозирования НДС оснований с измеренными деформациями. Основное различие между используемыми моделями грунтов заключается в характере принимаемых исходных гипотез относительно вида физических уравнений, т.е. законов деформирования и условий предельного состояния грунтов при циклических воздействиях.
Вязкопластическое поведение тел может быть рассмотрено более наглядным и физически понятным способом путем введения пружинно-демпферных моделей (Ishihara К., 1976). В этом типе моделей упругие свойства представлены пружиной, а демпфирующие характеристики - демпфером. Эти элементы соединяются параллельно или последовательно (рис. 1.13). Потери энергии при деформировании тел могут происходить в различных внутренних механизмах. Отметим, что демпфер способен представить характеристики потерь энергии, происходящих только из-за вязкости, т.е. деформирование, пропорциональное скорости деформации.
Простейшая модель Кельвина содержит пружину и демпфер, соединенные параллельно (рис. 1.13, а). В этой модели деформация одинакова для обоих элементов, а напряжение делится на две части - напряжение в пружине ї и напряжение в демпфере 2. Напряжение, передающееся на пружину, вычисляется как G, напряжение в демпфере - как rjc/dt, где G - упругая константа; ц - вязкая константа. Таким образом общее напряжение = і+ 2, выражается так
Ползучесть и виброползучесть водонасыщенного грунта
Анализ процесса разжижения может осуществляться путем сравнения касательного напряжения, вызванного циклической нагрузкой, и касательного напряжения, необходимого для начала процесса разжижения грунта, или уровня амплитуды деформаций сдвига, который считается неприемлемым для проектирования. Обычно [43] критерием определения циклической прочности является возникновение 5%-ной осевой деформации, а также увеличение избыточного давления поровой воды Auw/a до 100%.
В геотехнической лаборатории Московского государственного строительного университета проводились также испытания песчаных грунтов ос нований для определения опасности разжижения при циклических нагрузках. Рисунок 2.22. Результаты испытаний средней крупности водонасыщенных песков для оценки разжижения. Глубина отбора - 27,5 м. Зависимости порового давления от касательного напряжения и приведенного порового давления PPR от времени динамического нагружения Для испытаний были отобраны образцы грунтов с глубины до 35 м. Испытания проводились в режиме трехосного сжатия с циклическим нагру-жением частотой 0,5 Гц и амплитудой, рассчитанной по ф. 2.16.
Анализ результатов испытаний показал, что разжижению подвержены водонасыщенные пылеватые песчаные грунты с глубины до 20 м (рис. 2.22), в то время как пылеватые и средней крупности песчаные грунты с глубины более 20 м не подвержены разжижению.
Такие выводы полностью согласуются с результатами натурных наблюдений отечественных [74, 99] и зарубежных [43, 125, 130] исследователей за разжижением песчаных грунтов при сейсмическом воздействии.
Анализ результатов лабораторных исследований реологических и виброреологических свойств песчаных грунтов, приведённых в рамках диссертационной работы показал: 1. Возможность определения коэффициента вязкости воздушно-сухих и водонасыщенных грунтов на основе вязкоупругой реологической модели песчаного грунта по результатам испытаний в приборе трехосного сжатия по траектории раздавливания образца в кинематическом режиме. 2. В процессе циклического нагружения наблюдается уплотнение как воздушно-сухих, так и водонасыщенных грунтов. 3. Процесс развития угловых деформаций во времени (ползучесть и виброползучесть) в случае воздушно-сухих грунтов имеет преимущественно затухающий характер 4. Водонасыщенные песчаные грунты в случае испытания с учетом природного порового давления (ВФС), проявляют свойства прогрессирующей виброползучести. 5. Подтверждено, если в процессе приложения циклической нагрузки приведенное поровое давление (uw/) в образце песчаного грунта достигает 100% величины, отмечается явление динамического разжижения образцов. 6. В ходе анализа лабораторных испытаний в приборе трехосного сжатия в кинематическом и вибрационном режиме выявлена зависимость вязкости от частоты вибрационного нагружения. Показано, что с ростом частоты нагружения вязкость грунтов уменьшается.
Установлено, что при возрастании статических касательных напряжений растут и деформации в режиме циклического и вибрационного воздействия, что говорит о зависимости от степени приближения к предельному состоянию (i/ i ).
Чувствительность песчаных грунтов к вибрационным воздействиям при испытаниях в режиме трехосного сжатия выше, чем при компрессионном испытании. Причём, если в первом случае процесс может иметь как затухающий, так и прогрессирующий характер, то во втором случе - только затухающий характер.
Предложена методика для оценки дополнительных деформаций в режиме трехосного сжатия с помощью коэффициента виброползучести. Использование такой методики упрощает решение инженерных задач расчета дополнительных осадок и разности осадок фундаментов с учетом реологических и виброреологических свойств грунтов основания.
Определение усилия погружения сваи с учетом упругопластических свойств грунтов
Кроме того, можно отметить, что параметр вязкости, входящий в уравнение (4.30) зависит от скорости погружения сваи в лидерную скважину. На рисунке 4.6 показаны зависимости контактных напряжений от времени релаксации при различных значениях коэффициента вязкости.
Очевидно, что чем вязкость меньше, тем контактные напряжения ре-лаксируют быстрее. Такой результат полностью согласуется с экспериментальными данными, полученными при изучении вязкости грунтов в режиме трехосного сжатия (см. главу 2 настоящей работы).
Таким образом, можно добиться снижения времени отдыха свай, если погружать их в грунт с большей скоростью или используя вибрационное погружение, тем самым увеличивая вязкость грунтов на контакте с поверхностью сваи.
Взаимодействие сваи с двухслойным основанием при статическом и циклическом воздействиях с учетом нелинейных свойств грунтов
При взаимодействии абсолютно жесткой сваи с окружающим грунтом возникает сложное неоднородное напряженно-деформированное состояние (НДС), которое и определяет ее несущую способность и осадку. Усилие, приложенное на оголовок сваи, распределяется между боковой поверхностью и нижним торцом сваи в соотношении 4:1, а в некоторых случаях и того меньше, в зависимости от длины сваи. В большинстве случаев сваи нижними торцами опираются на сравнительно плотные слои грунтов с модулем деформации не менее 40 МПа. Несущая способность этих грунтов также высокая, но не реализуется полностью из-за неравномерного распределения усилия между боковой поверхностью и нижним концом длинной сваи. Возникает необходимость при заданной длине сваи подобрать такой ее диаметр (площадь поперечного сечения), при котором несущая способность грунтов под ее пятой использовалась бы эффективно и полноценно.
В настоящей работе ставятся и решаются задачи об НДС двухслойного массива грунта ограниченных размеров в виде цилиндра, вмещающего сваю, находящуюся под воздействием статической и циклической нагрузки, с учетом упругопластических свойств грунтов. Показывается, что в зависимости от физико-механических свойств грунтов при заданной длине сваи, обусловленной геологическим строением площадки строительства при статическом нагружении, можно определить оптимальный диаметр сваи, при котором максимально реализуется сопротивление грунтов под нижним ее концом. При циклическом нагружении происходит перераспределение контактных напряжений на ее боковой поверхности и нижнем конце. Анализ НДС грунтов вокруг сваи и под ее нижним концом показывает, что объемными деформациями грунта можно пренебречь, и что преобладает сдвиговая деформация, т.е. имеет место телескопический механизм перемещения грунта вокруг сваи без проскальзывания. При этом считается, что жесткость сваи намного превышает жесткость грунта (Gс г).
В качестве расчетной модели для описания нелинейных сдвиговых деформаций примем упругопластическую модель, которая описывается уравнениями вида:
Расчетная схема взаимодействия длинной сваи с двухслойным грунтовым цилиндром: L – глубина расчетной области (грунтовой ячейки); l – длина сваи; 2a – диаметр сваи; 2b – диаметр расчетной области (грунтовой ячейки); N – усилие на оголовке сваи; T – усилие на боковой поверхности сваи; R – усилие на пяте сваи; y – вертикальная ось; r – горизонтальная ось; (r) – касательное напряжение по радиусу грунтовой ячейки; V(r) – вертикальное перемещение грунта по радиусу грунтовой ячейки
Исследования НДС вокруг длинной сваи численными методами, выполненные в Московском государственном строительном университете, показывают, что влияние сваи на окружающий массив грунта распространяется на расстояние не более 6–7 ее радиусов, а под нижним ее концом – на расстояние такого же порядка в глубину [98].
Это позволило задачу о взаимодействии сваи с массивом грунта в виде полупространства свести к задаче о ее взаимодействии с массивом грунта ограниченных размеров в виде цилиндра ( грунтовой ячейки ) диаметром L 1 ( радиусом b) и высотой ( где 1 - длина сваи ) ( рис . 4.7). деформационные характеристики грунта под нижним концом сваи; ке 1 - коэффициент, учитывающий глубину приложения нагрузки на пяту сваи (для круглого сечения сваи ке =0,78, для квадратного сечения ке =0,88). Приравнивая перемещение сваи от действия сил на боковой поверхности к перемещению нижнего конца сваи VT = VR из (4.43) и (4.44), получаем
Анализ полученных зависимостей R= f(N) при R= f(p2) с учетом упру-гопластических свойств грунтов показывает, что при постоянном отношении радиуса зоны влияния к радиусу сваи б/а = б-7, нагрузки на оголовок сваи N= /(д) и длине сваи 7, при росте диаметра сваи 2а растет и соотношение нагрузок на ее пяту и оголовок р2/р1 . Так, при 1 = зом и N=450 кН отношение Р2/ ! при а = о,1м составляет 0,04, а при а = о,5м оно равно 0,17.
Используя полученные зависимости, можно утверждать, что с увеличением длины сваи уменьшается напряжение на ее пяте. Нетрудно вычислить, что для сваи длиной 10 м при нагрузке на оголовок 450 кН доля усилия, приходящаяся на нижний конец сваи (Р2 Pl), составляет 0,1, а при тех же нагрузке и прочих исходных данных, но длине сваи 30 м отношение Pl Pl равно 0,04.
Кроме того, для анализа уравнения (4.48) были построены графики зависимости усилия на пяте сваи R (кН) от радиуса сваи а (м) при различных нагрузке на оголовок сваи ( N1 N2 N3 , кН) (рис. 4.9, а) и длине сваи l1 l2 l3 (м) (рис. 4.9, б). Анализ этих графиков позволяет сделать вывод о том, что для эффективного использования несущей способности грунтов под пятой сваи и увеличения доли p2 необходимо подобрать оптимальное соотношение длины и диаметра сваи.
Решение поставленной задачи было также получено методом конечных элементов (МКЭ) с помощью программного комплекса PLAXIS 2D AE в уп-ругопластической постановке с использованием модели упрочняющегося грунта (Hardening Soil Model) . Результаты решения представлены на рис. (4.10).
