автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние слабых водонасыщенных оснований насыпей и дамб

005003296

Олодо Теле Давид

Напряженно-деформированное состояние слабых водонасыщенных оснований насыпей и дамб

Специальность 05.23.02- Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ - 1 ДЕК 2011

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

005003296

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тер- Мартиросян Завен Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коновалов Павел Александрович кандидат технических наук, профессор Бестужева Александра Станиславовна Ведущая организация:

ООО «Метротранспроект», Москва

Защита состоится 15 декабря 2011г. В 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.08 при ФГБОУВПО "Московский государственный строительный университет" по адресу: 129337,г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26 в зале Ученого Совета МГСУ

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУВПО «Московский государственный строительный университет»

Автореферат разослан ноября 2011

Ученый секретарь диссертационного совета

Знаменский В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Введение

Актуальность темы диссертации:

Проблема строительства и эксплуатации дамб и насыпей на водонасыщенных слабых грунтовых основаниях, и обеспечение их длительной устойчивости в настоящее время является актуальной для Республики Бенин, а также для других стран, где в качестве оснований насыпей и дамб используются слабые водонасыщенные глинистые грунты.

Насыпи и дамбы играют важную роль в строительстве инфраструктуры, необходимые для освоения экономически перспективных территорий, где распространены слабые водонасыщенные грунты. На этих участках насыпи и дамбы позволяют строить дорога, мосты, общественные здания: больницы, школы, администрации, мелкие здания и др. Их устойчивость должна быть обеспечена в течении длительного времени после строительства. Разработка, научное и экономическое обоснование методов проектирования и строительства на этих территориях является одной из главных задач современного строительства Республики Бенин.

В настоящей диссертационной работе, рассматриваются проблемы количественной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) слабых водонасыщенных оснований насыпей и дамб при различных методах строительства, в том числе методами преобразования слабых оснований с помощью песчаных свай и дрен, усиления конструкции насыпей (армирование) и др. Такие оценки необходимы для расчета слабых оснований по I и II группе предельных состояний, что в конечном итоге связано с разработкой экономически эффективных методов строительства насыпей и дамб на слабых водонасыщенных основаниях.

Настоящая работа ставит целью изучение и совершенствование

/

методов количественной оценки НДС водонасыщенных слабых грунтовых?

оснований насыпей и дамб в естественном и в преобразованном состояниях, с учетом их взаимодействия.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Составлен обзор и анализ современного состояния проблемы строительства на слабых водонасыщенных основаниях;

2. Дано описание инженерно-геологических условий территории Республики Бенин, где имеет место распространение слабые водонасыщенные грунты.

3. Выполнены лабораторные и полевые исследования физико-механических свойств слабых глинистых грунтов;

4. Выбрана геомеханическая расчетная модель систем «насыпь-слабое основание», «дамба-слабое основание», «фундамент-насыпь-слабое основание» в том числе с учетом преобразования слабого слоя, а также армирования дамб;

5. Выбраны нелинейные упругопластические модели материала насыпи, дамбы и слабого основания для количественной оценки НДС системы указанных в пункте 4 численным методом.

6. Поставлены и решены задачи о взаимодействии насыпей и дамб со слабым грунтовым основанием с учетом различных факторов, в том числе консолидации при различных темпах возведения дамб.

7. На основе анализа выполненных исследований даны рекомендации по использованию предложенных решений при проектировании и строительстве сооружений и дамб на слабых водонасыщенных основаниях.

8. Дана количественная оценка НДС основания в процессе предварительного уплотнения слабого основания под действием насыпей и дамб, а также с применением вакуумной технологии.

Научная новизна данной работы состоит в следующем:

1. Дано описание инженерно-геологических условий территорий Республики Бенин с выделением участков, где распространены слабые водонасыщенные грунты;

2. Поставлены и решены задачи по количественной оценке НДС систем «фундамент-насыпь-слабое основание» и «дамба-слабое основание» аналитическим и численным методами в стабилизированном и в нестабилизированном состояниях;

3. Поставлены и решены задачи по количественной оценке НДС слабых оснований в процессе их преобразования различными методами (пригрузка, вакуум) и при их последующем нагружении;

4. Показано, что НДС и устойчивость основания дамб существенно зависит от учета жесткости дамбы и что использование эквивалентной гибкой нагрузки не приводит к аналогичным результатам;

5. Показано, что боковая пригрузка и армирование дамб существенно увеличивают их устойчивость и прочность слабого основания;

6. Дана количественная оценка толщины насыпи при определении несущей способности слабого основания под действием местной поверхностной нагрузки (фундамента);

7. Разработан метод количественной оценки осадки слабого основания во времени в системе «фундамент-насыпь-слабое основание»;

Практическое значение работы заключается в том, что она позволяет:

1. Обосновать использование слабых водонасыщенных грунтов в качестве основания насыпей и дамб с учетом или без учета их преобразования и предварительного уплотнения;

2. Повысить надежность и достоверность количественной оценки НДС систем «фундамент-насыпь-слабое основание» и «дамба-слабое основание»;

3. Получить экономически эффективные решения при строительстве на слабых водонасыщенных основаниях.

Реализация работы. Результаты работы будут использованы на кафедре механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ и в университете Бенина, а также автором диссертационной работы в его дальнейшей научной и практической деятельности. На защиту выносятся:

1. Результаты лабораторных и полевых исследований физических и механических свойств слабых грунтов распространенных на юге республики Бенина;

2. Результаты решения задач уплотнения слабого основания под действием внешней нагрузки и вакуума на основе теории фильтрационной консолидации;

3. Результаты исследований по количественной оценке НДС систем «фундамент-насыпь-слабое основание», «дамба-слабое основание»;

4. Результаты примеров расчета НДС систем «фундамент-насыпь-слабое основание», «дамба- слабое основание» аналитическим и численным методами;

5. Выводы и рекомендации.

Публикации: Основное содержание работы отображено в 4 научных работах, из них 2 в научных журналах, рекомендованных ВАК Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и библиографического списка, включающего 116 наименований. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста, включающего 8 таблиц и 90 рисунков.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Тер-Мартиросяну Завену Григорьевичу за постоянное внимание и помощь при выполнении настоящей работы.

Автор также выражает благодарность профессору инженерного факультета университета дружбы народов им. П. Лумумбы д.т.н., [Дидуху

Б.И.] , под руководством которого в качестве стажера в период 2000- 2002 года начал свою научную деятельность и особенно за то, что по приглашению министерства строительства Бенина он приехал на объект Товегбамэ (июль-август 2000г.) и читал доклад в университете Бенина по механике грунтов. Основное содержание работы

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводятся обзор и анализ современных проблем строительства на слабых водонасыщенных основаниях, в том числе вопросы изучения и прогнозирования НДС систем «насыпь-основание», «дамба-основание» с учетом их взаимодействия.

Отличительными особенностями слабых водонасыщенных глинистых грунтов являются: высокая степень их влажности и насыщенности водой (\у ~ 40-120 %, Бг > 0.9); большая пористость (е> 1) и сжимаемость (Е < 5 МПа), а также их низкая прочность (си =5-10 КПа, <ри = 3° - 5°) и проницаемость кг < 10 "7 см/сек. Кроме того эти грунты обладают свойствами нелинейной деформируемости и ползучести. При проектировании и строительстве на таких фунтах использование их в качестве естественных оснований чаще всего не представляется возможным, и требуются преобразования их свойств по повышению их прочности и по снижению их деформируемости. Однако, при соответствующем экспериментальном и расчётном обосновании слабые грунты могут быть использованы в качестве естественного основания насыпей и дамб.

Отмечается, что к методам преобразования относятся: предварительное уплотнение слабых грунтов различными способами, которые приводят к увеличению их плотности, прочности и модуля деформации, в том числе, с использованием пригрузочных дамб, вакуумной технологии, шнековых буронабивных грунтовых свай и др., а так же закрепление слабых грунтов

различными способами, которые приводят к увеличению сил сцепления между частицами и к увеличению прочности в целом (цементация, струйная технология и др);

В некоторых случаях при строительстве дамб на слабых грунтах используют конструктивные методы, которые в отличии от предыдущих не улучшают свойства самих грунтов, но создают более благоприятные условия их взаимодействия со слабым основанием, в том числе, армирование дамб, пригрузочные призмы и др.

Отмечается, что существенный вклад в решение проблем строительства на слабых водонасыщенных основаниях внесли: Абелев М.Ю., Амарян Л.С., Далматов Б.И., Зарецкий Ю.К., Коновалов П. А., Крутов В.И, Мангушев Р.А, Сорочан Е.А, Тер-Мартиросян З.Г, Улицкий В.М., Цытович Н.Аидр.

В заключении первой главы даются выводы, приводятся формулировки цели и задач исследований.

Вторая глава посвящена результатам лабораторных и полевых исследований физических и механических свойств слабых водонасыщенных глинистых грунтов, распространенных в равнинных областях республики Бенин, а так же в соседних странах - Того и Нигерии.

Приводится описание инженерно-геологических условий территории республики Бенин, в том числе геологическая карта, история формирования рельефа и типовые разрезы на глубину до десяти-пятнадцати метров, необходимые для строительства дамб и насыпей. Дается описание результатов лабораторных и полевых исследований грунтов.

Лабораторные исследования фунтов включают испытания в условиях компрессионного и трехосного сжатия и одноплоскостного среза. Полевые исследования грунтов включают динамическое зондирование конусом (пенетрометром), и прессиометрические испытания.

Отмечается, что компрессионная кривая (е-сг) существенно нелинейная и может быть представлена , в виде логарифмической или экспоненциальной функцией следующего вида :

8(а)=а.([-е-Ьо) (2.))

где е- относительная деформация, а и Ь - экспериментальные параметры.

Приводятся результаты прессиометрических испытаний в виде зависимостей у-р,

где V — изменение объёма жидкости в камере, р - давление в камере. Криволинейная зависимость у-р позволяет определить модуль линейной деформации на прямолинейном участке этой кривой и параметры прочности с и ф по точке перегиба А кривой у-р. (рис.1)

а)

У,смЗ 800

600 400 200

Глубина 5л[ Давление.

КГ/СМ2

1Л

ЙГа

"1 I

0 0,5 1 1 Р*=2,243 2,5 3

Давление (кГ/см") Объем(см')

0 0

0,5 56

0,8 76

1,2 108

1,6 164

2 268

2,4 444

2,7 680

Давление( кГ/см2) Объем (см3)

0 0

0,5 58

1 100

1,5 165

2 276

2,5 500

2,75 720

Рис.1 Результаты прессиометрических испытаний на глубине 5 м (а) и на глубине 6 м(б). Уровень грунтовых вод 1.2 м.

Для определения модуля деформации на прямолинейном участке кривой у-р, до точки перегиба А используется формула:

(2.2)

к= 2,66 (у0+уга) - поправочный коэффициент, где у0- начальный объем жидкости в камере равный 535 см3, \т - среднее значение объема на прямолинейном участке кривой у-р.

Модуль деформации можно определить также по зависимости и-р, где и- перемещение стенки скважины при давлении р, т. е. по ГОСТ 20276-85 Грунты - методы определения характеристик деформируемости, то есть

Е=Кгг0^ (2.3)

где К - корректирующий коэффициент, г0- начальный радиус скважины..

По точке перегиба А (рис.1) можно определить параметры прочности грунта ф и с для одного инженерно-геологического элемента (ИГЭ). Для этого достаточно в пределах одного ИГЭ провести испытания на разных глубинах г\ и г2. В диссертации проводится вывод формулы, позволяющей определить начальную критическую нагрузку (давление в камере) р*, которая соответствует точке перегиба А (рис.1). Она соответствует моменту начала образования пластического течения грунта на стенках скважины, т.е.

где у- удельный вес грунтов выше глубины г.

В третьей главе излагаются постановка и решения задач по оценке НДС грунтов оснований, дамб и насыпей аналитическим и численным методами с учетом их взаимодействия.

Отмечается, что для количественной оценки НДС водонасыщенных оснований насыпей и дамб необходимо использовать теорию фильтрационной консолидации с учетом нелинейных свойств скелета и сжимаемости паровой газосодержащей жидкости. Отмечается также, что на начальной стадии формирования НДС водонасыщенных оснований насыпей и дамб целесообразно использовать модель квазиоднофазного массива, характеризуемого параметрами деформирования грунта в целом, т.е. К,0,, 01о,,, и прочности ф,0,, с,о,. Это позволяет упростить определение НДС

р*=у.г(1+5т <р)+с.со5 ср

(2.4)

водонасыщенных оснований, а так же оценить их кратковременную прочность и устойчивость, на начальном этапе нагружения.

Согласно теории фильтрационной консолидации, начальный этап слишком мал по сравнению с длительностью промежуточного этапа и поэтому его можно рассматривать как условно-мгновенным. Тогда учитывая зависимость между объемной деформацией скелета и поровой воды следующего вида:

63=П.£И (3.1)

где п-пористоть грунта и пологая, что е^с^,, с учетом принципа эффективных напряжений а,01=а5+и„ получаем

КЮ(=К5+^; О,0,=С5; (3.2)

_ КЮ1:~2С ,,,

^ 2(К10(+С)' ^

где К8, К№ - модули объемной деформации скелета и поровой газосодержащей воды соответственно; 17,0, - коэффициент Пуассона для грунта в целом; С,0, - модуль сдвига грунта в целом.

Модуль объемной сжимаемости поровой газосодержащей воды определится зависимостью, предложенной З.Г. Тер-Мартиросяном в виде:

„ ^¿Цуу+Ра+Уи, г „

1-5г(1-Ю

где ра - атмосферное давление (100 кПа), Диж - приращение парового давления - удельный вес воды (ЮкН/мЗ), г - глубина рассматриваемого слоя от уровня поверхности грунтовых вод(м), - степень водонасыщения; |1 - коэффициент растворимости воздуха в воде по Генри равным 0,02 при 1=20°С.

В первом приближении формула (3.4) можно представить в виде:

(3.5)

Из совместного рассмотрения (3.1), (3.2) с учетом уравнения о ,0,=а5+и№ получим выражение для определения начального порового давления в виде:

ии(х,у,2,0)=Ро.а10,(х,у,2,0), (3.6)

где а =( а^+ог+въ /3),р0 - коэффициент начального порового давления, определяемый зависимостью вида:

Очевидно, что при 8г-> 1, да, (30 -> 1, ии(х,у,г,0)=с1о1(х,у,г,0)

Таким образом, для определения начального распределения порового давления иЛ(х,у,г.О) и эффективных напряженний 5 (х,у,г,1) достаточно иметь соответствующее решение краевой задачи для квазиоднофазного основания, с параметрами К,оЪ 1>[о1 , КЛ, а так же значение среднего тотального напряженияа ,Г11(х,у,2,0) и начального коэффициента порового давления р0

Для количественной оценки промежуточного НДС водонасыщенного основания следует рассмотреть решение уравнения фильтрационной консолидации вида

= (3.8)

31 дг дх2 у ду2 ' у '

где е5 и -деформации объема скелета поровой воды соответственно; кх и ку -коэффициент фильтрации в направлении х и у соответственно.

Это уравнение справедливо для любого закона деформирования скелета и поровой воды. При отсутствии фильтрации, т.е. при кх= ку =0 получим начальное условие (3.1), а при не сжимаемости скелета ( к3= да ) -уравнение фильтрации сжимаемой поровой жидкости в жесткой пористой среде.

Далее в диссертации приводится решение задачи консолидации с учетом нелинейных свойств скелета и коэффициента фильтрации, сжимаемости воды и переменности уплотняющей нагрузки во времени. Они необходимы для прогноза скорости уплотнения водонасыщенных оснований и оценки их устойчивости в нестабилизированном состоянии уплотнения.

Решение (3.8) получено при кх=0 и при действии постоянной нагрузки р с учетом нелинейной зависимости коэффициента фильтрации от а, начального условия вида (3.6) и граничных условий

ита(0,с)=0, ау-0 (3.9)

Для частного случая, когда кГ-=согш, к5=согШ получаем

= (3.10)

л ,^5 1 2Ь ^ 4Ь ;

где И- толщина уплотняемого слоя, р0- определяется по (3.7) На основании этого решения определена степень консолидации и(1)=5(1)/5(оо), т.е. получаем

и(1)=1-^Ро1Г=1.з.5.^е(-!1Е?£) (3.11) При переменности внешний нагрузки по закону

р(0=ро(1 - е-Р{) (3.12) где (3-параметр скорости нагружения, получаем следующее уравнение

= + (3.13)

Решение неоднородного уравнения (3.18) с начальным условием и№=(о,у)=о и граничных условиях и№=(оЛ)=аии,/=ау(у=11)=о полученное с помощью рядов Фурье методом разделения переменных имеет вид

¡2Л2Су{ ¡2Т12СуК

V«! ли2 г!-е *ьг е'^-е1 4Ь2 -1 . ту

и«=(у,0=с121=14Ь2 {—^---ЯП ^ (3.14)

где С!=ар

В диссертации приводятся кривые изменения порового давления в основании слоя с учетом и без учета переменности внешней уплотняющей нагрузки, рассчитанные по (3.13) с помощью МаШсас1 (рис.2).

Далее в диссертации рассматриваются осесимметричные задачи консолидации применительно к проблеме ускорения уплотнения слоя с использованием дренирующих скважин.

Отмечается, что в этом случае для определения степени консолидации удобнее использовать уравнение Н.Корилло, которое имеет вид

и=1-(1-й3)(1 - 02)= Б^УБН (3.15)

1.103 2.103 cyr.

Рисунок2 - Кривые изменения порового давления в основании слоя толщиной h с учетом

изменения внешней нагрузки р во времени p=p0(l-e"tn); ai=0,l ; а2=0,01 ;аз=0,001 где Ür = f(Tr), Oy=f(Ty), причем

1 Т — ——■ Т — —• Г — kz • Г — —— • t ¿1/

В диссертации рассматривается задача уплотнения водонасыщенного слоя с использованием вакуумной технологии (рис.3). Она позволяет создать уплотняющую нагрузку на поверхности слоя интенсивностью порядка 0,8-> 0,9 атмосфер (80-^90кПа), что эквивалентно песчаной насыпи толщиной до | шести метров.

При этом ускоряется процесс отжатия воды в сторону дренирующих скважин и исключается выдавливание грунтов основания на краях вакуумного штампа.

Отмечается что при отсутствии уплотняющей нагрузки изменения I порового давления, вызванное действием вакуума неизбежно приводит к

изменению напряжения в скелете, причем

ffs = |uw| (3.16)

где uw - отрицательное поровое давление, as -напряжения всесторонности сжатия в скелете грунта, т.е. as = (crx + ау + az)/3.

РисунокЗ- Принципиальная схема уплотнения водонасыщенпого грунта под воздействием вакуума при вертикальном и горизонтальном дренировании. 1 - слой грунта, 2 - дренирующие скважины, 3 - дренирующий слой, 4 - непроницаемый экран, 5 -глиняные замки, 6 - вакуумный насос, 7 - прижимающий слой песка.

Для решения задачи стационарной фильтрации в водонасыщенном слое, достаточно рассматривать решение уравнения Лапласа \72ивд(х,у) = О при соответствующих граничных условиях. Учитывая (3.19) можно считать, что полученное решение ивд(х,у) дает значения а5(х,у). В диссертации проводится решение плоской задачи фильтрации под воздействием вакуума на поверхности грунта на полосе шириной 2а (рис.4) при граничных условиях

|х| < а и№ = -ра |х| > а и№ = О

оно имеет вид

(3.17)

На оси х=0 получаем

и„(г) = -^(тт - 2агс18|)=05(у) (3.18)

Сравнивая выражения (3.18) с известным решением Фламана для случая действия нагрузки р по полосе шириной 2а находим их сходства, т.е. их эквивалентность т.к. по Фламану на оси х=0

Вакуум

Рис.4. Расчетная схема стационарного фильтрационного потока под действием вакуума на участке шириной 2а(WL - уровень грунтовых вод; 2а - ширина штампа)

o2=^(n-2arctgJ) (3.19)

Следовательно, осадка поверхности грунта под вакуумным штампом шириной 2а можно определить по известной формуле

s(x,0) = ^ • - a)ln(x - а)2 - (х + а)1п(х + а)2] (3.20)

В центре вакуумного гибкого штампа максимальную осадку можно определить по формуле

s(0)=-(з-21)

В диссертации приводится решение нестационарной задачи консолидации(3.8) водонасыщенного слоя толщиной h под воздействием вакуума равная ра на поверхности слоя. Показывается, что проникновение вакуума вглубь слоя происходит медленно и описывается зависимостью вида uw{y, 0 = -Ра [1 - erf (ф^] (3.22)

к

где су—- - коэффициент консолидации у- изменяющийся во времени

У*Л' .ту

глубина на которую проникает вакуум, т„- коэффициент относительной сжимаемости скелета,

erf(z) = - С е z2dz = 0(z)

(3.23)

где ег%) интеграл ошибок, причем ег^у) изменяется от нуля(0) при z=0 до единицы (1) при да.

Из решения (3.22) следует, что созданной на поверхности слоя вакуум под защитой непроницаемого экрана проникает вглубь слоя медленно, что обусловлено коэффициентом консолидации су . Для ускорения процесса уплотнения слоя, как правило, используют дренирующие скважины с определенным диаметром и расстояниями между ними (рис.3)

В заключительном разделе главы 3 рассматривается постановка и решение задачи по количественной оценке НДС оснований дамб с учетом их взаимодействии численным методом с использованием программного комплекса Р1ах1Б-8.2 в стабилизированном и в нестабилизированном состояниях.

кН/м2

0,00 -5,60 -11,30 -17,00 -22,00 -25,00 -34,00

Рис.5- Общий вид изополей отрицательного порового давления (вакуума) при откачке воды на ограниченном участке поверхности грунта в стационарном режиме фильтрации (плоская стационарная задача) построенные с помощью программы Р1ах1з 2с!

Показывается, что НДС оснований дамб существенно зависит от жесткости дамбы, и что учет эквивалентной трапецеидальной гибкой нагрузки приводит к результатам, которые существенно отличаются от случая учета взаимодействия самой дамбы с основанием. На рис.6 показаны изополя коэффициентов относительной прочности ге1 =г/т*< 1 с учетом взаимодейсвия дамбы с основанием (6.а) и с учетом действия эквивалентной нагрузки (6.6).

Рассматривая НДС водонасыщенных оснований дамб отмечается, что наиболее опасным с точки зрения их устойчивости является начальный период возведения дамбы, а также скорость ее возведения в этот период.

(6)

Рис.6. Изополя тге| в основании и в теле дамбы с учетом (а) и без учета ( б) жесткости

На рисунке 7 представлены изополя избыточного порового давления (левая сторона рисунков) и коэффициентов относительной прочности! г,[ (правая сторона рисунков) в начальный момент времени г=0(а), соответствующий времени окончания укладки тела дамбы, и в момент времени, Х=\90И, где Ъ)0 время соответствующая 90% стабилизации осадки основания, причём 190=11,56 лет.

Далее в диссертации приводится описание процесса формирования областей предельного равновесия в основании дамб с учетом и без учета жесткости дамб, а также с учетом пригрузочных призм. Показывается, что пригрузочные дамбы увеличивают запас прочности основания дамбы, при этом области предельного равновесия смещается от краев основания дамбы к центру

дамбы (рисун ки обрезаны снизу и с боков)

1: ИР^

::

(а)

(б)

Рисунок7- Изополя избыточного порового давления (левая сторона рисунков) и коэффициентов относительной прочнсгсти rei (правая сторона рисунков) в водонасыщенном основании дамб в момент времени ,t=0(a) и t= tgo/2(6)

В четвертой главе на основе анализа расчетов НДС МКЭ систем «дамба-основание», «фундамент-насыпь-основание» приводится описание особенностей формирования НДС этих систем. Отмечается, что использование упруго-пластической модели основания с пределом прочности по Кулону - Мору позволяет анализировать процесс формирования НДС в грунтах указанных систем при поэтапном возведении дамб и насыпей.

Приводится сравнительная оценка НДС системы «дамба-основание» с учетом и без учета жесткости дамбы. В первом случае зона пластического течения (тге1= 1) начинают образовываться, и расти под краевыми зонами дамбы, и уходят в глубину. Во втором случае, когда действует эквивалентная нагрузка, зона пластического течения начинают формироваться под центральной частью дамб и распространяются в стороны по мере роста нагрузки.

Далее анализируется влияние конструктивных особенностей дамбы на НДС системе «дамба-основание», в том числе при ее формировании и при устройстве пригрузки.

(б)

Рис.8 Вид потенциально опасных поверхностей скольжения(зон потери устойчивости) в случае моделирования дамбы грунтовым материалом К51=1.39 (а) и в случае моделирования дамбы эквивалентной нагрузкой. кя=1.871(6)

Показывается, что с ростом размеров боковых пригрузок (длины, высоты) зоны предельного равновесия смещаются к центру и в глубину, и что это приводит к росту коэффициента устойчивости дамбы и основания до 1.61 вместо 1.33 (без устройства пригрузки). Однако при этом увеличивается общая осадка основания . Если же на первом этапе строительства дамбы до уровня верха пригрузки отсыпать дамбу и предварительно уплотнять основание, то осадка к моменту завершения дамбы существенно сокращается. Примечательно, что осадка основания при приложении эквивалентной нагрузки, получается такая же, как и при действии дамбы и пригрузок, следовательно, учет жесткости дамбы не влияет на осадку основания.

Далее приводятся результаты исследования НДС системы «фундамент-насыпь-слабое основание». Отмечается, что в общем случае НДС такой системы следует рассматривать на начальном, промежуточном и стабилизированном состояниях уплотнения, т.е. с учетом консолидационного процесса. Приводятся примеры таких расчетов. Показывается, что в некоторых случаях такая система может быть устойчивой без предварительного уплотнения слабого основания, так как насыпь играет роль песчаной подушки и в ней гасятся напряжения. Для этого достаточно подобрать толщину насыпи с соответствующими характеристиками и анализировать НДС двухслойного основания «насыпь-слабый слой» под действием фундамента заданных размеров - нагрузок. В диссертации приводится примеры НДС двухслойного основания МКЭ и их анализ.

В пятой главе приводятся результаты расчетов НДС реально возведенной дамбы Товегбамэ. На естественном многослойном слабом основании в Бенине под руководством автора настоящей работы. Расчеты

I 21

НДС выполнены МКЭ с помощью программы Р1ах1з 2П в упруго-пластической постановке в рамках плоской задачи с учетом поэтапного возведения и устройства боковых упорных призм. Расчетная схема НДС

I

дамбы и его основания приводятся на рисунке 9. На этом же рисунке указаны характеристики механических свойств грунтов, определенные в лабораторных и полевых условиях.

Расчеты НДС дамбы проводились МКЭ с учетом и без учета жесткости дамбы, а также с учетом поэтапного возведения и упорных призм.

Анализ НДС дамбы показал, что процесс формирования НДС основания дамбы в процесс возведения существенно зависит от жесткости дамбы и от свойств грунтов, слагающих многослойное основание. Отличаются также формы потенциальной поверхности положения и соответствующие им коэффициенты устойчивости, которые равны 1.595 и 1.75 при учете и не учёте жесткости дамбы соответственно. Следует отметить, что остальные компоненты НДС основания практически совпадают.

б)

Рисунок 9- Вид вероятных поверхностей скольжения системы дамба-основание (а)- по

первой схеме расчета к5,=1,595 ; (б)- по второй расчетной схеме к5,=1,75

Основные выводы

1. Обзор и анализ современных задач по теме диссертации показали, что методы количественной оценки НДС слабых водонасыщенных оснований насыпей и дамб требуют совершенствования путем учета основных и определяющих факторов, выявленных в последние десятилетия.

2. Анализ результатов исследований НДС систем «насыпь-слабое основание», «дамба-слабое основание», «фундамент-насыпь-слабое основание», показал, что в некоторых случаях слабые слои водонасыщенных грунтов могут служить естественным основанием для возведения на них насыпей, дамб и легких сооружений без предварительного их уплотнения.

3. Обзор существующих методов преобразования слабых водонасыщенных грунтовых слоев показал, что наиболее экономичным, эффективным и безопасным способом уплотнения на больших площадях является использование вакуумной технологии при вертикальном и горизонтальном дренированиях.

4. Количественная оценка НДС уплотняемого водонасыщенного слоя с применением вакуумной технологии на основе теории фильтрационной консолидации показала, что при вакуумировании в пористой среде отрицательное паровое давление вызывает эквивалентные эффективные напряжения в скелете, то есть |Диж|=Дст5 (всестороннее сжатие). Действие вакуума на поверхности слоя на ограниченной площади эквивалентно действию внешней нагрузки интенсивностью р=|-ра|

5. Количественная оценка НДС водонасыщенного слабого слоя в процессе предварительного уплотнения при переменой во времени нагрузке показала, что избыточное поровое давление имеет экстремальный характер, и что устойчивость слабого основания существенно зависит от скорости возведения насыпей и дамб.

6. Анализ НДС слабого основания, взаимодействующего с дамбой, показал, что использование эквивалентной гибкой нагрузки равной весу дамбы приводит завышенным коэффициентам устойчивости основания.

7. Области предельного равновесия в основании дамбы по схеме дамба-основание начинают формироваться под краями дамбы, а по схеме «эквивалентная нагрузка-основание» под центральной ее частью и в глубине слоя. Потенциальные поверхности скольжения в основании в системе «дамба-основание» имеют кругло-цилиндрическую форму, причем во втором случае в верхней части дамбы образуется клиновидная область предельного равновесия.

8. На НДС системе «дамба-основание» существенное влияние оказывают пригрузочные (упорные) призмы, устраиваемые на обоих сторонах дамбы, причем с ростом размеров упорных призм коэффициент устойчивости дамбы и осадка основания увеличиваются.

9. В двухслойном основании, состоящий из насыпи и водонасыщенного слабого слоя грунта, возникающее напряжение и деформации затухают в пределах насыпи, играющую роль песчаной подушки. Учет трения между слоями слоев насыпи и слабого грунта существенно влияет на осадку слабого основания.

10. Сравнение результатов расчетов НДС на начальном промежуточном и стабилизированном состояниях показало, что 50% стабилизированной осадки накапливается в нестабилизированном состоянии, вследствие горизонтальных перемещений слабого слоя.

11. Анализ результатов расчета НДС системы «дамба-слабое многослойное основание» при поэтапном возведении дамбы (Товегбамэ в Бенине) показал, что формирование НДС системы существенно зависит от принятой расчетной схемы. На завершающем этапе возведения дамбы формируется потенциально опасные поверхности скольжения, при которых коэффициенты устойчивости основания равны 1.595 при учете и 1.75 без учета жесткости дамбы, соответственно.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Тер-Мартиросян З.Г.,Олодо Т.Д Ускорение процесса уплотнения водонасыщенных оснований насыпей и дамб с применением дренажа, журнал Вестник МГСУ № 2,2011 г. Стр.269-278 (по списку ВАК)

2. Тер-Мартиросян З.Г.,Олодо Т.Д., Сидоров В.В Напряженно-деформированное состояние оснований дамб с учетом их взаимодействия, журнал Инженерная Геология, № 1,2011г. Стр.30-34(по списку ВАК)

3. Тер-Мартиросян З.Г., Олодо Т.Д Теоретические основы вакуумной технологии для уплотнения слабых водонасыщенных грунтов, журнал Геотехник, №2, 2011г. Стр.53-58

4. Олодо Т.Д Консолидация слабых грунтов способом предварительной нагрузки в 2002г. на французском языке (Consolidation des sols mous par préchargement- ISBN 999-986-5-9) стр. 1-41

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.97 г.

Подписано в печать 14.11.2011г. Формат 60x84 1/16 Печать офсетная Объем 1,5 п.л. Т.100 Заказ 474

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»

Ред.-изд.отдел. Тел. (499) 183-97-95, e-mail rio@mgsu ru. Типография МГСУ. Тел. (499) 183-91-90, (499) 183-67-92, (499) 183-91-44