Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор существующих видов анкеров и методов расчета анкеров 16
1.1. Применение анкеров в современном строительстве. История вопроса 16
1.2. Классификация анкеров, использующихся в современном строительстве
1.2.1. Инъекционные анкеры 21
1.2.2. Фиберглассовые анкеры 25
1.2.3. Буроинъекционные винтовые анкеры 26
1.2.4. Анкеры РИТ
1.3. Существующие методы определения несущей способности анкеров. Отражение вопроса в нормативных документах 30
1.4. Современное состояние исследования взаимодействия анкеров с окружающим грунтом 36
1.5. Выводы по главе 40
ГЛАВА 2. Теоретические основы аналитических и численных решений поставленных задач 42
2.1. Общие положения 42
2.2. Описание геомеханической модели массива грунта 43
2.3. Описание расчетных моделей грунта 44
2.3.1. Описание реологических свойств окружающего грунта
2.4. Современные грунтовые модели, используемые при численном моделировании геотехнических задач 50
2.5. Описание выбранной модели при численном моделировании 53
2.6. Выводы по главе 55
ГЛАВА 3. Аналитическое решение задачи взаимодействия анкеров с окружающим грунтом 57
3.1. Постановка задачи 57
3.2. Решение задачи взаимодействия анкеров с окружающим грунтом в упругой постановке 60
3.2. Взаимодействие анкеров с упругопластическим массивом грунта 64
3.4. Взаимодействие анкеров с уширенной пятой и упругопластического массива грунта 72
3.5. Взаимодействие анкеров с окружающим грунтом с учетом реологических свойств
3.5. Численное решение задачи 82
3.6. Выводы по главе 86
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование несущей способности анкеров и изменения напряженно деформированного состояния окружающего грунта во времени 88
4.1. Состав проведенных испытаний 88
4.2. Описание эксперимента 89
4.3. Результаты проведенных испытаний на определение несущей способности 94
4.4. Результаты проведенных испытаний по изучению изменения НДС окружающего грунта во времени
4.5. Анализ и обработка полученных результатов 99
4.5.1. Составление графиков зависимости несущей способности от диаметра анкеров и напряженного состояния 99
4.5.2. Определение зависимости несущей способности 101
4.5.3. Определение зависимости изменения начального напряжения во времени 104
4.6. Выводы по главе 108
Заключение 109
Список литературы 111
- Фиберглассовые анкеры
- Описание реологических свойств окружающего грунта
- Взаимодействие анкеров с упругопластическим массивом грунта
- Результаты проведенных испытаний по изучению изменения НДС окружающего грунта во времени
Введение к работе
Актуальность темы исследования. При проектировании и строительстве высотных зданий и сооружений повышенной ответственности в глубоких котлованах для закрепления ограждающих конструкций, фундаментных плит, а также стен подземных сооружений, фундаментов башен и матч, крепления склонов и откосов используются анкеры, в том числе, инъекционные предварительно напряженные, винтовые, самораскрывающиеся и др. При взаимодействии анкера с окружающим грунтом и ограждающей конструкцией возникает сложное и неоднородное напряженно-деформированное состояние (НДС), как в грунте, так и в анкере, которые изменяются в пространстве и во времени. Количественная оценка НДС системы «анкер – окружающий грунт - ограждающая конструкция» необходима для расчетов несущей способности анкера, изменения растягивающего усилия в тяге анкера во времени.
Степень разработанности темы. Несмотря на многолетний опыт применения анкеров в строительстве в теоретическом обосновании взаимодействия анкера с окружающим грунтом остаются нерешенными широкий круг вопросов, в том числе, расчет несущей способности преднапряженных инъекционных анкеров, релаксация напряжений в окружающем грунте, учет уширения нижнего конца анкера, а также сжимаемости ствола анкера.
Учет этих свойств не вызывает принципиальных затруднений, особенно при линейной постановке задачи. При учете нелинейных упругопластических и реологических свойств грунтов решение задач сводится к трансцендентным уравнениям или системам трансцендентных уравнений. В таких случаях для расчета компонентов напряжений и деформаций в окружающем грунте и в анкере используется программные комплексы MathCad, MathLab. Существуют и альтернативные способы описания взаимодействия анкера с окружающим грунтом, в том числе МКЭ и МКР, которые далеко не всегда обладают достаточной надежностью.
Таким образом, возникает необходимость разработки новых и совершенствование существующих методов количественной оценки НДС системы «анкер – окружающий грунт – ограждающая конструкция» (далее «система») с учетом линейных, нелинейных и реологических свойств окружающего грунта.
Целью диссертационной работы является изучение и совершенствование существующих и разработки новых аналитических и численных методов количественной оценки НДС системы в осесимметричной постановке с учетом линейных, нелинейных и реологических свойств окружающих грунтов, а также предварительно напряженного состояния «системы».
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучено и анализировано современное состояние вопросов проектирования и устройства анкеров в том числе методов количественной оценки взаимодействия анкеров с окружающим грунтом.
-
Выбрана геомеханическая расчетная модель массива, вмещающего корень анкера в виде толстостенного грунтового цилиндра конечных размеров (длины и диаметра), вмещающего анкер конечных размеров.
-
Выбраны расчетные модели окружающих грунтов, в том числе линейная, нелинейная и реологическая и приведены их математическое описание.
-
Поставлены и решены задачи о взаимодействии (НДС) анкера с окружающим грунтом на стадии его приготовления и создания предварительного НДС в окружающем грунте, в том числе на контакте анкера с окружающим грунтом.
-
Поставлены и решены задачи о взаимодействии инъекционного предварительно напряженного анкера с окружающим грунтом с учетом линейных, нелинейных и реологических свойств окружающего грунта, в том числе конечной жесткости материала анкера.
-
Выполнены расчеты НДС в окружающем грунте на основе полученных аналитических и численных решений, в том числе с использованием программных комплексов MathСad и Plaxis и их анализ.
-
Выбрана расчетная модель взаимодействия анкера с окружающим грунтом для численных расчетов НДС «системы» МКЭ с использованием программного комплекса Plaxis 2d.
-
Разработана и изготовлена модель анкеров из песчано-цементной смеси различной длины и их испытание внутри песчаного цилиндра в камере трехосного сжатия в режимах статического действия выдергивающего усилия на тягу анкера и фиксации длины тяги после предварительного натяжения (релаксация).
-
Анализированы и обобщены результаты выполненных экспериментальных и теоретических исследований.
Объект исследования
НДС толстостенного грунтового цилиндра конечных размеров, вмещающего анкер конечных размеров, находящийся под воздействием выдергивающего усилия в тяге анкера, для определения его несущей способности, а также под воздействием переменного усилия в тяге анкера (релаксация) при фиксации его начальной длины и заданном начальном усилии.
Предметом исследований является анкер и толстостенный грунтовый цилиндр, обладающий линейными, нелинейными и реологическими свойствами.
Научная новизна работы состоит в замкнутом решении задачи аналитическим методом в том числе:
-
В замкнутом виде решена задача для определения остаточных напряжений в окружающем грунте вокруг анкера после создания радиальных напряжений на контакте анкер-грунт и расширении диаметра лидирующей скважины на стадии изготовления анкера с учетом упруговязких свойств грунта.
-
О несущей способности анкера под воздействием выдергивающего усилия с учетом упругопластических свойств окружающего грунта.
-
О релаксации сдвиговых напряжений в окружающем грунте при постоянстве длины предварительно натянутой тяги анкера с учетом упруговяз-копластичеких свойств грунтов.
-
В теоретическом обосновании понятий и решении задач о релаксации напряжений в системе анкер- окружающий грунт.
-
В определении влияния различных факторов на НДС системы «анкер- окружающий грунт –тяга – ограждающая и удерживающая конструкция».
-
В результатах лабораторного эксперимента с составным грунтовым цилиндром, вмещающим образец модели анкера, в камере трехосного сжатия.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в полученных новых решениях и выполненных на их основе расчетов НДС при взаимодействии анкера с окружающим грунтом, как при стадии предварительного сжатия окружающего грунта, так и при последующем приложении статического растягивающего усилия анкера, а также фиксации натянутой длины анкера.
-
Поставлена и решена в замкнутом виде задача для определения остаточного НДС предварительно напряженного окружающего грунта вокруг анкера с учетом релаксации начального НДС.
-
На основе решения задачи по пункту (1) выполнены расчеты предварительного НДС и его релаксации в окружающем грунте с помощью расчетного комплекса MathCAD, в том числе на контакте анкер-окружающий грунт.
-
Поставлены и решены в замкнутом виде задачи о взаимодействии анкера и окружающего грунта под воздействием выдергивающего усилия в тяге анкера для определения его несущей способности с учетом упруго-пластических свойств окружающего грунта.
-
Поставлены и решены задачи о взаимодействии анкера и окружающего грунта при фиксации длины натянутой тяги анкера для расчетов релаксации напряжений в анкере с учетом упруговязких свойств окружающего грунта, описанной по модифицированной модели Бингама–Шведова с учетом переменной вязкости грунта при сдвиге.
-
Выполнены расчеты по определению несущей способности анкера и релаксации напряжений в тяге анкера при фиксации ее длины, при заданном начальном усилии в тяге и постоянстве ее длины, при различных параметрах реологической модели, в том числе переменной вязкости.
-
Разработана экспериментальная установка на базе прибора трехосного сжатия для испытания образцов анкера разной длины цилиндрической формы из песчано-цементной смеси, помещенной внутрь песчаного цилиндра, обжимаемый боковым давлением по его внешнему контуру.
-
Выполнена серия испытаний образцов моделей анкеров разной длины под воздействием выдергивающего усилия в тяге анкера. Показано существенное влияние обжимающего усилия на несущую способность анкера при релаксации усилия в тяге анкера.
Методология и методы исследования. Для решения поставленной задачи аналитическим методом применены методы теории упругости, пластичности и ползучести сплошных сред применительно к грунтовой среде, широко используемые для решения прикладных задач механики грунтов. При проведении лабораторных модельных испытаний анкеров в камере трехосного сжатия применены экспериментальные методы механики грунтов.
Положения, выносимые на защиту:
Замкнутые решения осесимметричной задачи для количественной оценки НДС составного толстостенного цилиндра, вмещающего корень анкера, в том числе:
о релаксации радиальных напряжений в грунтовом цилиндре;
о несущей способности анкера под воздействием выдергивающего усилия в тяге анкера с учетом упругопластических свойств грунтов при сдвиге;
о релаксации касательных напряжений в окружающем грунте при фиксации длины предварительно напряженной тяги анкера с учетом упруго-вязких свойств грунтов;
- некоторые результаты экспериментальных исследований.
Достоверность полученных результатов. Предлагаемые методы решения
поставленной задачи взаимодействия анкера с окружающим грунтом основаны на строгих теоретических основах механики сплошной среды, в том числе уравнениях равновесия, неразрывности и сплошности, а также физических уравнений механики деформируемой сплошной среды (применительно к грунтовой среде).
Апробация работы. Материалы исследований были представлены на симпозиуме по реологии грунтов в КазГАСУ в г. Казань (2014г.), в научно-технической конференции в СпбГАСУ в г.Санкт-Петербург (2015г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре статьи, в том числе три в журналах из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем состоит из 122 страниц, 59 рисунков, 4 таблиц. Список литературы содержит 90 источников, из них 54 иностранных.
Фиберглассовые анкеры
При устройстве анкеров проводят пробные, контрольные и приемочные испытания [2]. Пробные испытания выполняют на опытной площадке проектируемого сооружения для определения применимости выбранного типа и конструкции анкера, уточнения технологии устройства анкера и его несущей способности по грунту. Испытания подвергаются 3–5 анкеров.
При контрольных испытаниях определяют соответствие фактической несущей способности рабочих анкеров расчетной нагрузке, заложенной в проекте. Число контрольных испытаний должно составлять не менее 10% общего числа устанавливаемых анкеров.
При приемочных испытаниях определяют пригодность анкера к эксплуатации. Если при выдержке во времени на испытательной нагрузке, превышающей рабочую, разность деформаций в интервалах времени остается одинаковой или уменьшается, то анкер считается пригодным. Приемочным испытаниям повергаются все анкеры, кроме прошедших контрольные испытания.
Устройство грунтовых анкеров допускается во всех видах песчаных, глинистых и скальных грунтов, за исключением рыхлых песков (с плотностью сухого грунта менее 1,65 г/см3 и коэффициентом пористости более 0,75), торфов, илов и глин текучей, просадочных грунтов [3].
История появления грунтовых анкеров начинается в XIX веке. Известно [4], что в 1874 году Фрэйзер (Frazer) провел испытания стержневых анкеров, которые были установлены для удержания склона водного канала. Использование винтовых свай для предотвращения всплытия плитных конструкций было документально описано в 1900 году [5]. Тем не менее, считается, что впервые анкеры нашли крупное применение при строительстве плотины на северо-востоке Алжира в г. Шерфа в 1934 году. Тогда инженер Койн (Coyne) применил анкеры с несущей способностью в 1000 тонн и шагом 3,5 м для удержания фундамента. После такого успешного опыта и появления высокопрочной стали, грунтовые анкеры начали набирать популярность в Европе и США. Начиная с конца 1950-х гг., применение анкеров стало распространенным явлением в Европе при реконструкции и строительстве плотин, а с 1970-х гг. анкеры нашли широкое применение и в США. Это в свою очередь потребовало разработки нормативных документов, регламентирующих производство работ при их устройстве. Основываясь на опытных данных и многолетних наблюдениях при устройстве анкеров, были разработаны своды правил во многих европейских странах: во Франции в 1977 году, в Германии в 1976 г., в США 1984 г.
В СССР грунтовые анкеры начали внедряться в строительную практику с 1970-х гг. В то же десятилетие были проведены первые исследовательские работы, посвященные грунтовым анкерам [6]. В свою очередь, в следующем десятилетии были выпущены первые нормативные документы [7,8], описывающие устройство анкеров, технологию работ, а также их расчет. Стоит отметить, что эти нормативные документы были единственными вплоть до 2007 г., когда был выпущен СТО ГК Трансстрой «Применение грунтовых анкеров и свай с тягой из трубчатых винтовых штанг «Титан».
В настоящее время в строительной отрасли представлено достаточно большое количество анкеров различного типа, отличающиеся друг от друга по многим параметрам. Каждый тип анкера имеет свое назначение, их характеристики и сфера применения значительно отличаются, поэтому возникает необходимость иметь полное представление об их устройстве и особенностях работы. Приводится классификация анкеров различных типов, являющихся наиболее распространенными на данный момент.
Тяга анкера преимущественно выполняется из стержневой термически упрочненной стали с винтовым профилем или из стержневой арматуры. Для закрепления анкера на конструкции изготавливают гайки, шайбы и опорные плиты со сферическими поверхностями. К тягам, изготовленным из стержневой арматуры, приваривают ванной или контактной стыковой сваркой шпильку длиной 0,5 м, выточенную из материала, обеспечивающего равно-прочность стыкового соединения.
На конце тяги приваривают пяту, состоящую из: стального диска толщиной 10 мм и диаметром на 10 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб; коротышей, приваренных к тяге и диску; колпака из листовой стали толщиной 1-2 мм, приваренного к диску. Заделку анкера можно выполнять способом фирмы "Бауэр" - путем поэтапного нагнетания цементного раствора в скважину под давлением через обсадные трубы или повторной инъекцией цементного раствора по стационарной инъекционной трубке, а также без инъекции, свободной заливкой цементного раствора при устройстве анкера в скальных грунтах или с предварительным разбуриванием уширений в пыле-вато-глинистых грунтах.
Описание реологических свойств окружающего грунта
В настоящее время грунтовые анкеры приобрели большое значение в строительной отрасли. В существующей практике принято, что расчет анкеров ведется только по первому предельному состоянию. Причем, при расчете анкеров по несущей способности используются методики, описанные в разделе 1.3. Изучение напряженно-деформированного состояния системы «анкер–сооружение–окружающий грунт» позволит прогнозировать поведение системы в допредельном состоянии и оценить ее несущую способность. К тому же, изучение реологических явлений в грунтовом массиве позволит дать количественную оценку НДС системы во времени. Необходимость исследования реологических явлений вызвана, во-первых, количественной оценкой несущей способности при использовании постоянных анкеров, во-вторых, релаксацией напряжений в системе «анкер–грунт». Явление релаксации известно в практике использования предварительно напряженных инъекционных анкеров: датчики, установленные на тяге анкеров, показывают значительное снижение напряжений, что в свою очередь, требует дополнительного натяжения тяги.
Задачу взаимодействия анкеров с окружающим грунтовым массивом предполагается решить с использованием современных моделей грунта: в упругой, упругопластической и упруговязкопластической постановках. Выбор расчетной модели грунта имеет свое теоретическое и экспериментальное обоснование.
Не менее важным является выбор геомеханической модели данной задачи. Правильный выбор геомеханической модели взаимодействия анкеров с грунтовым массивом позволяет дать точную оценку НДС системы при аналитическом и численном решении задачи.
Численное решение поставленной задачи предполагает использование метода конечных элементов. Метод конечных элементов заложен в основу большинства современных геотехнических расчетных программ, таких как PLAXIS, ANSYS, MIDAS GTS и другие. Наиболее важным в численном решении задачи является ее корректная постановка, которая включает в себя: - выбор типа элементов; - задание геометрических параметров и граничных условий, соответствующих геомеханической модели; - выбор адекватных моделей, описывающих свойства грунта основания и конструкций; - задание интерфейсных элементов, описывающих взаимодействие конструкций с грунтом; - задание сетки конечных элементов; - определение начальных условий. После решения задачи необходимо грамотно проанализировать полу ченные результаты и произвести количественную оценку НДС грунта осно ваний и конструкций, взаимодействующих с ними. В диссертационной работе для получения численных решений применялся программный комплекс PLAXIS 2D.
Взаимодействие инъекционных преднапряженных анкеров с окружающим грунтом носит сложный и неоднородный характер. Это обусловлено свойствами грунта, длиной и диаметром анкера, геометрическими параметрами массива грунта. Касательные напряжения, возникающие на контакте анкер–грунт, зависят от размеров массива грунта, а, следовательно, и перемещения, вызванные этими напряжениями.
Анализ многочисленных расчетов МКЭ показывает, что при взаимодействии конструкций цилиндрической формы с окружающим грунтом вовлекается ограниченный объем грунта [24]. На основании этого была использована геомеханическая модель массива грунта в виде цилиндра ограниченного размеров.
Радиус влияния анкеров b составляет от 3 до 5 радиусов самого анкера [25]. Исходя из этого условия определяется радиус цилиндрического массива грунта, перемещения на границе которого равны нулю.
Многочисленные исследования взаимодействия свай и баррет [26] с грунтовым массивом показали, что учет жесткости конструкций оказывает значительное влияние на распределение напряжений и усилий в конструкциях. На основании этого аналитическое решение поставленной задачи предполагает учет жесткости корня анкера и анализ полученных результатов с решением, когда жесткость корня анкера принимается намного превышающей жесткость грунта, т.е. отношение модуля деформации грунта к модулю деформации анкера стремится к нулю.
Необходимо отметить, что взаимодействие анкеров с окружающим грунтом рассматривалось в однородных грунтовых условиях. Подобное рассмотрение позволяет дать полную оценку НДС массива грунта, а учет неоднородности основания не дает качественного изменения аналитического решения задачи взаимодействия грунтов с конструкциями конечной жесткости [27].
Взаимодействие анкеров с упругопластическим массивом грунта
Взаимодействие инъекционного преднапряженного анкера (далее анкера) различного назначения с окружающим грунтом носит сложный пространственно-временной характер. Это обусловлено упруговязкопластическими свойствами грунта, длиной и диаметром анкера, начальным натяжением в тяге анкера и т.п. Изменение начального перемещения или усилия в тяге анкера и соответствующее изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) в окружающем грунте существенно зависят от геометрических параметров анкера и тяги (длина, диаметр) и в первую очередь от реологических свойств окружающего грунта. Описание НДС такой системы во многом зависит от расчетной реологической модели окружающего грунта. В настоящей работе в качестве расчетной для описания сдвиговых деформаций ползучести грунта рассматривается упруговязкопластическая модель Бингама-Шведова в интерпретации авторов настоящей статьи, т.е. в виде . - (t) ,. (t) = н—, (-3-1) () G где () - скорость угловой деформации; () - изменяющаяся во времени вязкость скелета грунта; и - действующее и предельное значения касательных напряжений, причем (?) = tg + c(t), (3.2) где - нормальное напряжение на рассматриваемой площадке сдвига; - угол внутреннего трения; c(t) - коэффициент сцепления с упрочнением.
Реологическое уравнение (1) позволяет описать семейство кривых ползучести при = const, и кривые релаксации при = 0 ((0) = const).
Отметим, что при взаимодействии анкера с окружающим грунтом преобладает сдвиговой механизм телескопического вида. Поэтому объемными деформациями можно пренебречь.
Пусть анкер, устроенный в грунтовую среду в момент времени t = О под-вергается действию растягивающего усилия через тягу анкера 7V(0)= 0, где а - радиус анкера, Q- начальное напряжение в тяге анкера в точке z = 1к. Пусть модуль линейной деформации материалов анкера и тяги намного больше модуля деформации окружающего грунта ііагП Е . Пусть окружающий грунт обладает реологическими свойствами типа (1). Необходимо определить НДС в «системе» при постоянстве начального напряжения в «системе» 0 = const (ползучесть) и постоянстве начального удлинения «системы» w0 = const (релаксация). В первом случае корень анкера будет медленно перемещаться наружу, а во втором случае напряжения в тяге анкера и в самом анкере будут релаксировать. При этом в окружающем грунте возникает сложное, неоднородное НДС, изменяющееся во времени и обусловленное перемещением анкера или его фиксацией.
Таким образом, возникают две самостоятельные задачи:
Количественная оценка НДС системы «окружающий грунт - анкер -тяга» (далее «системы») при постоянстве или переменности усилия в тяге -ползучесть.
Количественная оценка НДС «системы» при фиксации начального удлинения «системы» - релаксация.
Эти задачи будем решать в отдельности. Для понимания механизма взаимодействия анкера с окружающим грунтом в первую очередь рассмотрим простую задачу в упругой постановке.
Известно, что при взаимодействии конструкции цилиндрической формы (свая, анкер) с окружающим грунтом под воздействием осевого усилия N возникают контактные касательные напряжения (а), которые с расстоянием от поверхности цилиндра затухают по закону: где а - радиус анкера; г - расстояние от поверхности анкера. Эти напряжения вызывают деформацию сдвига в окружающем грунте и перемещение, при этом (r) = -dw(r) / dr , (3.4) где w(r) – относительное перемещение анкера с окружающим грунтом, которое зависит от радиуса r (рис.3.1).
Для определения w(r) необходимо учитывать расчетную модель окружающего грунта, полагая, что имеет место полное прилипание грунта с поверхностью анкера. Поместим начало координат в расчетной схеме на уровне нижнего конца анкера (z = О). Рассмотрим зависимость между перемещением грунта w(r) от контактных напряжений, полагая, что оно постоянное из-за условия ііагП Е , и что напряжениями на нижнем конце анкера (усилие отрыва) можно пренебречь (в запас). Известно, что между касательными напряжениями и угловыми деформациями существует зависимость вида:
Отсюда следует, что с ростом длины анкера /к, радиуса анкера ак, при одинаковых N и G перемещение анкера уменьшается, но с ростом Ы а перемещение увеличивается. Поэтому выбор а имеет важное значение. Изложенная выше задача является базовой для рассмотрения взаимодействия анкера с окружающим грунтом, обладающим сложными реологическими свойствами типа (1). Учет конечной жесткости корня анкера Из условия упругого сжатия ствола корня получаем, что z = zE = (dw / dz)Eк, где w - перемещение ствола вдоль оси z. Подставляя сюда значение (а) из (3.12), после некоторых преобразований получаем дифференциальное уравнение относительн о z в виде
Результаты проведенных испытаний по изучению изменения НДС окружающего грунта во времени
Диссертационное исследование предполагает изучение напряженно– деформированного состояния (НДС) системы «анкер–окружающий грунт», которое включает в себя описание поведения системы в допредельном по прочности состоянии, оценку несущей способности, а также количественную оценку НДС с учетом реологических свойств грунта. В экспериментальной части данного исследования предполагается изучить величину несущей способности анкеров при различных величинах напряженного состояния окружающего грунта и релаксацию напряжений в грунте при фиксации перемещений анкера.
Моделирование эксперимента построено таким образом, чтобы наиболее точно отобразить поведение анкера при его взаимодействии с окружающим грунтом. Особое внимание было уделено созданию исходного напряженного состояния при помощи камеры трехосного сжатия, который смог бы смоделировать напряженное состояние грунта, соответствующее природному на глубине нескольких метров. Измерение релаксация напряжений в грунте достигалось за счет фиксации тяги анкера на опытной установке таким образом, чтобы перемещение тяги анкера и его корня при заданном уровне напряжений не происходило. Подобное моделирование соответствует явлению релаксации напряжений в системе «анкер–окружающий грунт» в период эксплуатации удерживаемых сооружений.
В экспериментальной части была проведена серия испытаний в лабораторных условиях на специальной установке, которую можно разделить на две части: 1) Изучение несущей способности анкеров различной длины при варьировании напряженного состояния грунта. 2) Изучение релаксации напряжений в системе «анкер–грунт» при заданном уровне напряжений. Серия экспериментальных испытаний по определению несущей способности анкеров и изменению НДС окружающего грунта во времени была проведена в лаборатории НОЦ «Геотехника» МГСУ.
Для проведения испытаний использовалось оборудование производства ООО "НПП "Геотек" и APS Wille, включающее в себя комплект из пневматического нагрузочного устройства APS Wille Gmbh UL 60, блоков управления, камеры ГТ 2.3.6 для образцов высотой 210 мм и диаметром 100 мм и персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением GEOsys 8.7.8.
Камера ГТ 2.3.6. применялась для создания бокового давления на образец. Размеры образцов составили 210х100 мм. Общая схема камеры ГТ 2.3.6. представлена на рис. 4.1.
Нагрузочное устройство APS Wille Gmbh использовалось для управления заданными перемещениями и измерения усилий, приходящихся на дина мометр. Нагрузочное устройство с электромеханическим приводом позволяло задавать перемещения с определенным шагом, минимальное значение которого составляло 0,1 мм, и вести измерения усилий. Точность измеренных усилий составляла ± 0,05% от максимального усилия, равного 50 кН, а точность заданных перемещений равна ±0,05мм.
С помощью подключенного к установке персонального компьютера на программе GEOsys 8.7.8 отображались значения полученных усилий, заданные перемещения и давления в камере.
После закрепления тяги анкера на динамометре создавалось боковое обжатие образца до требуемой величины. Затем задавались перемещения вниз с шагом 0,1 мм нагрузочного устройства и соответственно камеры, закрепленной на нем, что в свою очередь, вызывало натяжение в тяге анкера. Значение усилия в тяге отображалось в программе GEOsys 8.7.8.
Критерием достижения несущей способности анкера было принято максимальное усилие, сохранявшееся при дальнейшем увеличении заданных перемещений. Если же усилия в тяге анкера продолжали увеличиваться при перемещении анкера более чем на 10 мм, то несущей способностью считалось усилие, соответствующее перемещению, равному 10 мм.
В качестве образца был использован кварцевый песок средней крупности фракции 0,5-0,8 мм и следующими механическими свойствами: модулем деформации Е=55 Мпа; коэффициентом Пуассона v=0,27; углом внутреннего трения р-35 ; удельным сцеплением с=0 кПа.
Анкеры были изготовлены путем твердения цементно-песчаного раствора в специальных формах – полипропиленовых трубках. При укладывании цементно-песчаного раствора в трубку одновременно с этим в форму закладывался стальной трос диаметром 6 мм с зажимом на конце. Таким образом, изготовленный анкер наиболее близко соответствует устройству инъекционного анкера, применяемого в строительной практике.
Для увеличения трения с вмещающим грунтом боковая поверхность анкеров покрывалась эпоксидным клеем с кварцевым песком. Диаметр корня анкера подбирался исходя из условия, что отношение диаметров образца и корня находилось в интервале от 3 до 5. Длина корня варьируется от 4 см до 8 см. Следовательно, геометрические параметры анкера и образца грунта соответствует принятой ранее геомеханической модели. Размеры изготовленных анкеров приведены в таблице 4.1.
Напряженное состояние в камере, создаваемое боковым давлением, моделировались таким образом, чтобы значения напряжений соответствовали природным на глубине нескольких метров. Значения напряжений составляют 50, 100 и 150 кПа. При каждом уровне заданных напряжений проводились испытания со всеми 9 анкерами. Следовательно, было проведено 27 испытаний по определению несущей способности.
Затем при действии предельной нагрузки перемещения анкеров фиксировались, и измерялось падение напряжений до достижения остаточной прочности, т.е. до неизменного уровня напряжений. К тому же, после измерения остаточной прочности напряжения в системе были снова увеличены до предельного значения, и при фиксации перемещений повторно измерялась релаксация напряжений в системе.