Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопроса 9
1.1. Торфяные основания земляных сооружений 9
1.2. Сопротивление торфа сдвигу 16
1.3. Методы определения сопротивления торфа сдвигу 30
1.4. Устойчивость торфяных оснований земляных сооружений 39
1.5. Выводы. Цели. Задачи. Методика. Объем исследований 49
2. Экспериментальные исследования развития порового давления при уплотнении торфов 52
2.1. Методика испытания торфов в условиях трехосного сжатия 53
2.2. Экспериментальные исследования изменения порового давления при трехосном сжатии 61
2.3. Прогноз изменения коэффициента начального порового давления при уплотнении торфа
2.4. Анализ результатов опытов 81
3. Экспериментальные исследования влияния уплотнения торфов на их прочностные характеристики при трехосных испытанях 87
3.1. Аппаратура и методика трехосных испытаний торфа на прочность 87
3.2. Обработка результатов экспериментальных данных по определению прочностных характеристик торфяных грунтов 94
3.3. Расчетные зависимости сопротивления сдвигу и прочностных характеристик торфа при уплотнении 109
4. Оценка устойчивости торфяных оснований земляных насыпей с учетом темпа ее возведения и изменения прочностных характеристик торфа в процессе консолидации основания 118
4.1. Учет темпа отсыпки насыпи, изменения прочностных свойств торфа и консолидации основания при определении устойчивости насыпи 118
4.2. Разработка численного способа оценки устойчивости насыпи с использованием метода кругло цилиндрических поверхностей 124
4.3. Описание подпрограммы 133
4.4. Проверка предлагаемого способа оценки устойчивости на примере определения оптимального темпа отсыпки земляной насыпи (железной или автомобильной дороги, обеспечивающего заданный коэффициент запаса устойчивости) 142
Основные выводы 145
Список литературы 147
Приложение 1 154
Приложение 2 163
Расчет экономического эффекта
- Методы определения сопротивления торфа сдвигу
- Экспериментальные исследования изменения порового давления при трехосном сжатии
- Обработка результатов экспериментальных данных по определению прочностных характеристик торфяных грунтов
- Разработка численного способа оценки устойчивости насыпи с использованием метода кругло цилиндрических поверхностей
Введение к работе
Обширные территории России заболочены. Заболоченность в северных и северо-западных районах составляет 14-25%, но иногда достигает 80%. К заболоченным районам относятся Ленинградская, Архангельская и особенно Тюменская области и др. (см. рис. 1, рис. 2). В указанных районах ведется обширное транспортное, промышленное, гражданское, гидротехническое строительство; прокладка магистральных газо- и нефтепроводов [42, 71].
Торф, заполняющий болота, обладает исключительно плохими строительными свойствами: огромной сжимаемостью, ничтожным сопротивлением сдвигу, переменной водопроницаемостью. В естественном состоянии он водо-насыщенный, в сухом состоянии пожароопасен.
При таких обстоятельствах характерной особенностью строительства в заболоченных районах является возведение земляных сооружений. К ним относятся земляное полотно железных и автомобильных дорог, намыв или подсыпка территории (как способ инженерной подготовки), устройство искусственных оснований (например, подушек нефтяных резервуаров). Устраиваются гидротехнические плотины, приканальные и оградительные дамбы. В про-мышленно развитых районах скапливаются отходы производства (штабели шлака, золоотвалы и др.), которые часто используются в качестве пригрузоч-ных насыпей торфяных оснований.
Почему возведение земляных сооружений характерно для заболоченных территорий?
Как известно, в основе современного фундаментостроения лежит идея о взаимодействии основания и сооружения, рассмотрение основания как части сооружения [ 66, 78]. Большая сжимаемость торфа исключает его использование как основания зданий, даже приспособленных к большим неравномерным осадкам. Земляные сооружения к осадкам мало чувствительны, так как в них не
никают какие-либо недопустимые напряжения или деформации земляного сооружения в результате осадок торфа.
Масштаб: | Ly зґ
Рис. 1. Заболоченность территории России
Изменение отметок можно еще в процессе строительства или последующей выдержки компенсировать досыпкой. С другой стороны, земляные сооружения своим весом уплотняют торф и тем улучшают его строительные качества до начала эксплуатации сооружения.
Однако, практика строительства, особенно наиболее массового - дорожного - показывает, что кроме неизбежных осадок сооружения иногда происходит разрушение торфяного основания земляного сооружения, особенно в краевой зоне [65]. Происходит или выпор торфа или обрушение откоса земляного сооружения вместе с торфом (оползень). Особенно часто это бывает в период строительства или начальный период эксплуатации, когда нагрузка на торф уже передается полностью. Такие явления приводят к нарушению технологии строительства или даже нарушению эксплуатации готового сооружения, необходимости в восстановительных работах, дополнительных мероприятиях и соответствующих затратах [38, 65].
Устойчивость сооружения совместно с основанием, как известно, обуславливается количественным соотношением двух факторов: а) действующей нагрузки, вызывающей касательные напряжения в теле сооружения и основания, б) сопротивления сдвигу грунта сооружения и грунта основания, в данном случае торфа. Следовательно, для оценки устойчивости основания (и сооружения) в период строительства и начальный период эксплуатации следует не только иметь данные об указанном соотношении, но и иметь возможность, при необходимости, регулировать это соотношение, управлять им.
Следует обратить внимание на то, что нагрузка на торф от веса готового сооружения является постоянной. Но в период строительства она не постоянна (возрастает) и, при необходимости, может регулироваться [38, 58,67]. Сопротивление торфа сдвигу зависит от целого ряда факторов [3, 8, 17, 27 и др.] Установлено, что наиболее весомым фактором, влияющим на сопротивление сдвигу, является степень уплотненности торфа, а также
ТШШІСІШІ ОБЛАСТЬ
Рис. 2. Карта залегания торфов в Тюменской области
І - торф
поровое давление в воде, препятствующее уплотнению торфа и увеличению его сопротивления сдвигу. Это поровое давление прямо связано с консолидацией торфа, т.е. с его уплотнением (и осадкой) во времени.
Таким образом, для оценки устойчивости торфяных оснований земляных сооружений, особенно в краевой зоне, необходимо изучить сопротивление торфа сдвигу в зависимости от его плотности и порового давления, изменение этих факторов во времени, изучить влияние переменной нагрузки во времени на основание. После этого целесообразно разработать метод расчета устойчивости или воспользоваться существующими, но приспособив их для указанных целей.
Как будет показано ниже, устойчивость торфяных оснований ранее уже исследовалась учеными, проектировщиками, строителями. Выдающийся вклад сделан нашими отечественными учеными, далеко опередившими соответствующие работы в зарубежных странах.
В научном случае задача ставится в новой постановке и решается с новых научных позиций.
Методы определения сопротивления торфа сдвигу
В практике изыскательных и исследовательских работ для изучения сопротивления торфа сдвигу используются полевые и лабораторные приборы.
Полевые приборы. М.А.Шапошников указывает [92], что современное изучение строительных свойств торфа основывается на широком применении полевых методов, существенно расширяющих показания и объем получаемой информации при минимальной затрате времени и средств. Полевые методы при изучении слабых органогенных грунтов дают наибольших эффект, потому что устраняют трудности отбора монолитов, их сохранения при транспортировке, не требуют трудоемких лабораторных испытаний и обработки полученных результатов.
Исключительная роль в этом отношении принадлежит Л.С.Амаряну и его сотрудникам в КПИ [5], разработавшим серии приборов, методику испытаний, передвижные полевые лаборатории. Остановимся пока только на приборах. Полевое определение прочности торфа может выполняться раздельно с помощью зондовых крыльчаток СК-8 или пенетрометров П-4, а также совмещенными испытаниями - вращательным срезом и зондированием или с помощью двух пенетрометров с различным диаметром наконечника. В зависимости от величины наконечников вводятся поправочные коэффициенты. Теоретическими основами использования зондирования являются работы В.Г.Березанцева и В.Ф.Разоренова [10,68].
В полевых условиях для оценки прочности торфа наиболее подходящим является вращательных срез. Это объясняется тем, что слабые грунты, в частности, торфы, обладают малой плотностью и легко проницаемы зондами, что предопределяет портативность приборов.
Кроме указанных приборов в КПИ разработаны механизированные установки для испытаний УЗП-5, УЗП-6, а также полевые лаборатории ПЛБ, ПЛГ-1, 5-Р, ПЛГ-ЗМ, смонтированных на базе автомашин или вездеходов.
Таким образом, комплекс приборов, установок, лабораторий КПИ (а в настоящее время совместно с ПНИИСом) обеспечивает определение прочностных свойств торфа как слабой органогенной породы с особой структурой. Приборы и установки КПИ получили самое широкое распространение и являются в нашей стране основными для испытания торфа и других слабых грунтов.
Д.Д.Козмин [41] в лабораторных условиях использовал стенд из 10 крыльчаток. Штанги заключались в трубы, чтобы исключить трение. Все 10 крыльчаток были закреплены на одной деревянной раме.
В последние годы были попытки определять прочность торфа испытанием его сферическим штампом. По усилию вдавливания, осадке штампа и его диаметру расчетом определяется сопротивление сдвигу. Теоретической основой метода является теория пластичности ("Задача Ишлинского"). Однако, мы считаем, что для торфа этот метод совершенно неприменим. В "Задаче Ишлинского" рассматривается выдавливание неуплотняемой среды из-под штампа и возникающий при этом сдвиг. Но сжатие торфа в результате уплотнения может составлять 60% всего объема. Поэтому отпечаток сферического штампа ни в какой мере не свидетельствует о сдвиге торфа. По этой же причине вызывает сомнение строгость определения прочностных свойств торфа пенетрацией, так как теоретическая основа в обоих случаях общая.
Лабораторные приборы. а) Приборы плоскостного сдвига. В лабораториях длительное время используется метод определения сопротивления сдвигу торфа, основанный на принципе сдвига одной части образца по другой в заданной плоскости скольжения, так называемые односрезные приборы. Длительное использование срезных приборов показало, что для торфа высокой степени разложения можно использовать обычные приборы без изменения их конструкции. Однако, при степени разложения менее 35% подобная возможность практически исключается, так как в процессе сдвига вместо среза наблюдается смятие образца. Применение зубчатых штампов не всегда эффективно. Кроме того, это приводит к концентрации напряжений, т.е. к нарушению однородного напряженного состояния грунта. В двухплоскостных приборах при значительных перемещениях плоскости сдвига выражены более четко. По данным Амаряна Л.С. [5] надежный срез достигается применением острых игл, которые крепятся на поверхности верхнего и нижнего фильтров прибора. На этом принципе основана конструкция СП-1.
Кроме того, недостатками данных приборов и методов являются: отсутствие контроля и учета порового давления, уплотнение образца по заданной плотности без возможности бокового расширения, искажение формы и размеров поперечного сечения образца при сдвиге, особенно у сильно сжимаемых грунтов, к которым относится торф.
Все вышесказанное можно отнести и к двухплоскостным срезным приборам. Разновидностью сдвижных приборов является прибор кольцевого сдвига. Непрерывную и постоянную по величине поверхность сдвига можно получить в образце кольцевой формы, в котором верхняя часть срезается относительно нижней при вращательном срезе. Для торфа подобные приборы целесообразны, так как позволяют неограниченно увеличивать перемещение и тем добиваться полного сдвига.
Однако в приборе кольцевого сдвига, как и в приборах одноплоскостного среза, деформации сдвига проходят в узкой зоне сдвига. Напряженно-деформированное состояние образцов неоднородное.
Экспериментальные исследования изменения порового давления при трехосном сжатии
Испытание образцов-близнецов проводились по методике, предложенной Л.С. Амаряном [3]. Водонасыщенный образец подвергался обжатию всесторонним давлением сг3, которое прикладывалось ступеням: по Д з =0,02 МПа до значения 0,16 МПа. При каждой ступени, начиная с т3 =0,02 МПа, после стабилизации деформаций замеряли манометром поровое давление U. Стабилизированным считали значение порового давления при разности отсчетов по манометру за одну минуту - 0,02 мм, далее давалась следующая ступень всестороннего обжатия 0"3=О,О4 МШ и т.д. до сг3=0,16 МПа. Затем при всестороннем давлении т3=0,16 МПа открывался кран и из образца отжимался фиксированный объем воды - 20 мл в мерный стеклянный цилиндр. После отжатая кран закрывали. Сбрасывалось всестороннее давление УЪ ДО нуля.
Опыт продолжали далее, вновь повторяя вышеуказанные операции и прикладывая перечисленные ступени всестороннего давления, замеряя при каждой ступени поровое давление U в образце торфа уже при новом значении коэффициента пористости в; , меньшем еп.
Таким образом, коэффициент пористости перед каждым циклом ступенчатого гидростатического нагружения снижался на одинаковую величину, опре-деляемую объемом отжимаемой воды из образца - 20 см . Проводя испытания на одном образца торфа за время опыта, который продолжался непрерывно в течение 2-3 суток, коэффициент пористости уменьшается ступенчато 10-12 раз (см. схему на рис. 2.6.).
Всего на стабилометрах приведены четыре серии испытаний на двух видах торфов: - верховых со степенью разложения pd =10-15% и upd =20-25%; - низинных со степенью разложения D =25-30% и =45%.
Из графика U-e следует, что с уменьшением коэффициента пористости уменьшается поровое давление в образце, а зависимость U-e для данного вида торфа - нелинейная (рис. 2.9.).
Во второй серии опытов испытано 15 образцов-близнецов слаборазложившегося верхового торфа со степенью разложения Dpa=l0-\5%. При статистическом анализе зависимости U-e использовано 1320 экспериментальных точек. График зависимости U-e для слаборазложившегося верхового торфа близки к линейным (рис. 2.10.).
В четвертой серии опытов испытано 12 образцов-близнецов среднеразложившегося низинного торфа со степенью разложения Dp(f=25-30%. Статистическая обработка проведена по 800 экспериментальным точкам. Усредненные по экспериментальным данным графики даны на рисунке 2.12. Графики зависимости U-e для низинного среднеразложившегося торфа имеют линейный характер.
Графики изменения порового давления в зависимости от коэффициента пористости торфа и нагрузки имеют одинаковый характер. Они представляют собой систему прямых линий, в основном, параллельных и имеющих более или менее постоянный наклон к горизонтальной оси. Таким образом, зависимости U-еі для большинства графиков являются линейными.
Поровое давление зависит от способности грунта фильтровать воду. Для оценки этих и других факторов напомним некоторые особые свойства воды в торфе [5, 51, 52, 53, 91]. Известно, по данным многих исследователей, что торф имеет пористость "внешнюю", составляющую примерно 25% всего объема торфа и "внутреннюю", которая занимает примерно 70% объема (остальные 5% - твердое вещество). При очень большой влагоемкости торф по этой причине обладает малой водоотдачей, т.е. при свободном стекании из него удаляется только малая доля воды. Остальная вода находится в связанном состоянии и при том в разных формах связи. На водопроницаемость торфа оказывает влияние его степень разложения, направление фильтрации (вертикальное, горизонтальное), геоботанический состав.
Обработка результатов экспериментальных данных по определению прочностных характеристик торфяных грунтов
В качестве примера приведем обработку данных одного из видов торфа, наиболее характерного для торфяных грунтов (низинный торф со степенью разложения Dpd =25-30%).
На графиках рис. 3.7-3.9 представлены зависимости осадки S от вертикального давления без учета порового давления U (рис. 3.7, 3.8а) и с учетом его (рис. 3.86 и 3.9).
С целью поддержания постоянства значений коэффициента пористости опыты на деформацию вплоть до разрушения образца проводились при недренированных испытаниях при различных всесторонних давлениях в пределах О" =0,04; 0,08 и 0,12 МПа, что близко к реальным условиям работы торфяных оснований под дорожными насыпями.
Графики деформирования образцов торфа отличаются в первую очередь интенсивностью нарастания деформации S=f(&) или S=f(CT-u) и неопределенным характером наступления разрушения, характеризуемого критической нагрузкой р . Этот процесс для торфа требует иного подхода к интерпретации момента разрушения или величины разрушающей нагрузки, без чего практически невозможно построение связи т = f(cr-U) по Кулону Хворслеву или Т = /X 7j - 7Ъ) путем построения кругов Мора.
Имеются по этому вопросу опубликованные данные испытаний торфа на стабилометрах, но не приводятся конкретные указания о критерии разрушения образцов, кроме Н.Н. Морарескул [62], построенного по материалам автора. Следует отметить, что понятие "точка разрушения на графике" S=f(G) в данном случае является условной. При испытаниях всегда имеется разброс точек, плавность линий на графиках колеблется существенно. Поэтому при определении рщ, правильнее говорить не о точке, а о некоторой зоне или интервале, куда укладывается разрушающая нагрузка, как это следует из рис. ЗЛО.
Нахождение значения разрушающей нагрузки ркр рекомендуется устанавливать по наступлению существенного нарастания деформации при последующей ступени нагружения вдвое превышающей деформацию по сравнению с предыдущей, обращая внимание на внешние изменения образца (явная потеря цилиндрической формы и образование смятой бочкообразной формы). Кроме того, для качественной оценки ркр необходимо ступени вертикального давления в зоне, приближающейся к ее величине выбирать в малых пределах, то есть нарастание вертикального нагружения осуществлять при большем количестве ступеней.
Знания критических нагрузок по значениям главных напряжений G\ и 0"з позволяет строить круги Мора и установить прочностные характеристики фи С, как это показано на рис. ЗЛО и 3.11 по результатам испытания вышеуказанного низинного торфа.
Статистическая обработка результатов проводилась в соответствии с действующими нормативными документами и требованиями "Пособия по проектированию оснований зданий и сооружений", НИИОСП, [66].
В результате испытаний различных видов торфов при заданных коэффициентах пористости получены разнообразные формы разрушения образцов: в виде "бочки", "бочки со сколом", "грибовидные бочки" и т.п. Формы разрушения образцов представлены на фотографиях рис. 3.13-3.17. В некоторых образцах наблюдалась явно выраженная линия скола. На рис. 3.16 приведены формы разрушения образцов низинного торфа с Dpd =25-30%, на рис. 3.17 верхового торфа с Dpd =20-25%.
Разработка численного способа оценки устойчивости насыпи с использованием метода кругло цилиндрических поверхностей
Рассматривается задача о возведении трапециевидной в сечении насыпи на слое торфа значительной мощности (до Юм). Характеристики торфа с и изменяются в процессе возведения насыпи в зависимости от степени уплотнения основания. В целях упрощения расчета примем ступенчатый закон изменения этих характеристик, связанных со ступенчатым темпом возведения насыпи. Распределение напряжений в основании принимаем, используя решения задач по линейной теории упругости.
Для расчета устойчивости основания принимаем гипотезу круглоцилиндри-ческой поверхности скольжения. При определении коэффициента запаса устойчивости насыпи будем учитывать удерживающие силы, возникающие на поверхности скольжения как в пределах торфяного основания, так и в теле насыпи.
При определении Муд_торфа предполагается мгновенная отсыпка первой ступени насыпи. Вся нагрузка передается на поровую воду, а эффективные напряжения в скелете торфа равны нулю. Сопротивление сдвигу в торфе обусловливается только силами сцепления. Алгоритм предусматривает определение длины дуги поверхности скольжения в торфе - Д ST, которая умножается на Со и R (радиус), где С0 - начальное сцепление торфа до его уплотнения насыпью.
При определении вращающего момента Мврмасыпи призма обрушения насыпи разбивается на ряд элементарных фигур (прямоугольных треугольников, прямоугольников), для каждой из которых вычисляется центр тяжести и расстояние от центра тяжести фигуры до центра поверхности вращения (рис. 4.2).
Полученные нормальные напряжения используются для нахождения изменения коэффициента пористости, параметров сцепления и угла внутреннего трения согласно зависимостям (ЗЛО.; 3.11.), установленным в главе 3. Таким образом, при отсыпке второй ступени насыпи, вращающий момент вычисляется от общей высоты насыпи (первая и вторая ступени суммируются), а при вычислении удерживающего момента за счет сил сопротивления торфа нормальные напряжения по поверхности скольжения вычисляются от действия первой ступени насыпи, консолидация от которой завершилась.
При фиксированном положении центра окружности на луче, меняя радиус в заданном диапазоне с заданным шагом, определяется наименьшее значение коэффициента запаса. Поиск продолжается до тех пор, пока предыдущее — Т] последующее, т.е. сохраняется монотонность убывания коэффициента запаса. При нарушении этого условия производится изменение координат центра окружности с шагом А х, и вновь повторяются операции пункта 4.
Найденные минимальные значения коэффициента запаса для пары раз личных координат центра окружности на рассматриваемом луче сравниваются между собой, если Л предыдущее — Л последующего, то поиск продолжается на данном луче (двигая центр поверхности вращения по лучу). При нарушении этого условия осуществляется переход к новому лучу, изменяя угол ОС наклона луча к горизонту в сторону его увеличения (до ALFMAX) с шагом Л# =2: ALF = ALF + DALF и переход на пункт 2.
Если увеличение угла ОС наклона луча приведет к нарушению монотонности убывания коэффициента запаса, то переход в область меньших значений угла ОС от ALFCP до ALFMIN. Принимается следующее значение угла наклона ALF = ALF - DALF и повторяется процедура, начиная с пункта 1, а значение коэффициента запаса для ALF = ALFCP, нужное для сравнения с последующим значением коэффициента запаса при первом сравнении, уже подсчитаны в пункте 1. Если при этом происходит нарушение монотонности убывания коэффициента запаса, то процесс для рассматриваемой высоты насыпи HI заканчивается.
Полученное минимальное значение коэффициента запаса сравнивается с заданным коэффициентом запаса: 7min с Лзад , то действия программы завершаются, печатается результат вычислений. Если не выполняется это условие, то наращивается текущее значение высоты ступени насыпи на 0,1 м и переход к пункту 1. Блок-схемы для нахождения компонентов напряжений и высоты первой ступени насыпи и общей структуры основной программы приведены соответственно на рис. 4.6, 4.7,4.8.
