Введение к работе
Актуальность работы. Оценка устойчивости оснований имеет первостепенное значение для обеспечения надежной работы насыпей железных и автомобильных дорог. Особое место здесь занимают слабые основания, сложенные медленно уплотняющимися водонасыщенными глинистыми грунтами, которые при строительстве дорожных насыпей широко распространены как на территории Российской Федерации, так и на территории Республики Корея. Проектирование дорожной инфраструктуры в таких условиях сопряжено с рядом принципиальных трудностей, обусловленных особенностями работы слабых оснований. В частности, в полностью водонасыщенных грунтах при быстром нагружении, что характерно именно для транспортных сооружений и, в том числе, для оснований насыпей, нагрузка распределяется между скелетом грунта и поровой водой, что приводит к уменьшению сопротивления грунта внешним нагрузкам, конкретно – сдвигу. Способы описания данного явления, в основе которых лежит принцип эффективных напряжений Терцаги, до сих пор недостаточно разработаны для их широкого практического применения.
С другой стороны, отдельной проблемой остается расчет предельного давления на основания насыпей как трапецеидальной нагрузки. В отличие от случая ленточного или круглого фундамента этот класс задач пока не нашел отражения в нормативных документах.
Еще одной стороной проблем, связанных с расчетом оснований насыпей, является комплексность подхода с позиций предельных состояний. Так, на сегодняшний день приходится констатировать дефицит методов расчета первой и второй критической нагрузок на водонасыщенные основания насыпей.
Отчасти эти вопросы могут быть решены в рамках метода конечных элементов, однако здесь возникают вопросы и относительно способов описания прочности таких грунтов, и относительно адекватности описания в рамках МКЭ предельного состояния грунтов, и относительно выбора адекватной модели и определения ее характеристик.
Степень разработанности проблемы. Проектирование земляного полотна на слабых полностью водонасыщенных глинистых грунтах в значительной степени базируется на теоретическом анализе работы консолидирующихся оснований. К настоящему времени имеются ряд приближенных и строгих методов расчета оснований насыпей. В рамках теории линейно-деформируемой среды В.Д. Казарновским разработан метод безопасной нагрузки. Применение данного метода к водонасыщенным основаниям связано с использованием теории плотности-влажности Н.Н. Маслова. Ю.И. Соловьевым и А.М. Карауловым предложена приближенная методика определения предельной нагрузки на консолидирующееся основание. В то же время до сих пор не было получено строгих решений задач о безопасной и предельной нагрузках с позиций принципа эффективных напряжений и с использованием статического метода теории предельного равновесия грунтов.
Таким образом, совершенствование и разработка методов расчета водона-сыщенных оснований дорожных насыпей является актуальной и многоплано-
вой проблемой, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы. Цель диссертации заключалась в разработке методов расчета безопасной нагрузки (первой критической нагрузки) и предельного давления (второй критической нагрузки) от насыпи на водонасыщенное основание в рамках теории линейно-деформируемой среды и теории предельного равновесия с использованием теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки с учетом касательных напряжений на границе «насыпь-основание» и определить границы применимости упрощенной схемы (без касательных напряжений по границе «насыпь-основание») в рамках теории плотности-влажности Н.Н. Маслова;
разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки без учета касательных напряжений на границе «насыпь-основание» в рамках теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева;
разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки насыпи с учетом его предварительного уплотнения основания и на этой основе методику расчета безопасного режима возведения насыпи;
получить строгое решение теории предельного равновесия грунтов задачи о начальном (минимальном) предельном давлении насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами и установить границы существования решения;
получить строгое решение теории предельного равновесия грунтов задачи о конечном (максимальном) предельном давлении насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами и установить границы существования решения;
конкретизировать понятие коэффициента мгновенного порового давления для практического использования.
Предметом исследований данной диссертационной работы является предельное равновесие медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтов оснований дорожных насыпей.
Объектом исследований является медленно уплотняющийся водонасы-щенный грунт основания дорожной насыпи в момент его разрушения в неста-билизированном состоянии.
Научная новизна работы заключается:
в получении решения задачи о безопасной нагрузке на водонасыщенное основание с учетом трения на границе «основание-насыпь» и исследовании влияния основных параметров системы «основание-насыпь» на величину искомой нагрузки;
в установлении границ применимости решений задач о безопасной нагрузки на водонасыщенное основание с учетом трения на границе «основание-насыпь» и без учета его;
в получении решения задачи о безопасной (первой критической) нагрузке на базе теории мгновенной прочности и анализе геометрических параметров насыпи и характеристик грунта на величину искомой нагрузки;
в получении решения задачи о начальной несущей способности водо-насыщенного медленно уплотняющегося основания насыпи в нестабилизиро-ванном состоянии и анализе влияния основных параметров системы «насыпь-основание» на величину несущей способности;
в получении решения задачи о конечной несущей способности водо-насыщенного медленно уплотняющегося основания насыпи в нестабилизиро-ванном состоянии и анализе влияния основных параметров системы «насыпь-основание» на величину несущей способности, в том числе в зависимости от величины уплотняющего давления.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при расчете и проектировании земляного полотна автомобильных и железных дорог на слабых, полностью водонасыщенных грунтах, а также:
разработана методика определения безопасной (первой критической) нагрузки насыпи на водонасыщенное основание, даны соответствующие таблицы;
разработана методика безопасного режима возведения насыпи на во-донасыщенном основании;
разработана методика определения начальной (минимальной) несущей способности водонасыщенных насыпей;
разработана методика определения конечной (максимальной) несущей способности водонасыщенных насыпей.
Методы исследований. Основными методами, использованными в работе, являются: методы теории линейно-деформируемой среды; методы теории мгновенной прочности грунтов; методы теории предельного равновесия; экспериментальные методы исследований механики грунтов.
Положения, выносимые на защиту:
формула и методика расчета безопасной (первой критической нагрузки) насыпи на основание с учетом трения на границе «насыпь-основание» в рамках теории плотности-влажности и без трения в рамках теории мгновенной прочности;
методика определения режима безопасного возведения насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами;
методика определения начальной (минимальной) несущей способности оснований насыпей в рамках теории мгновенной прочности;
методика определения конечной (максимальной) несущей способности оснований насыпей в рамках теории мгновенной прочности;
практическая методика определения коэффициента мгновенного по-рового давления.
Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе методов исследований и расчета оснований насыпей, в том числе, оснований, сложенных водонасы-
щенными грунтами с учетом их возможного нестабилизированного состояния; в разработке нового метода расчета безопасной (первой критической) нагрузки на основания, а также предельной (второй критической) нагрузки - с предварительным уплотнением основания и без него, в проведении лабораторных исследований коэффициента пористости.
Степень достоверности. Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается сходимостью и достаточным объемом результатов проведенных численных расчетов и экспериментов по исследованию работы оснований, сложенных медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2008, 2009), научно-технических конференциях СГУПС (Новосибирск, 2009, 2010), научно-технической конференции СПбГАСУ «Геотехника: теория и практика» (г. Санкт-Петербург 2010), VII международной научно-технической конференции TRANS-MECH-ART-CHEM (г. Москва, 2010), а также на научно-технических семинарах СГУПС и ТГАСУ в 2013 г.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России. Общий объем публикаций по теме диссертации составляет 2,45 п.л. (в т.ч. авт. 1,47 п.л.).
Внедрение результатов. Основные положения диссертации были использованы при расчете и проектировании оснований железнодорожных насыпей на ряде объектов в России и Республике Корея.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка литературы и двух приложений. Общий объем составляет 131 страницу, в т.ч. 48 рисунков и 33 таблицы. Список литературы содержит 157 источников.
