автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Обеспечение устойчивости слабых пылевато-глинистых грунтов в основании зданий и сооружений методом вертикального дренирования

ОАЖТМЩ'ЕРБУИШЦ! ШМ^ОДТРОПШШй ИНСТИТУТ_

ö о? № правах деко&кш

со Uj U.

c\f К0НУСБА1ЙВ Дйдар Байгожаввот

ОБЕСПЕЧЕНИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОЛЛЕЫХ ШДВВДТО-

гжшсгах грунтов в основании ашщ и

000РУШШ 1ш'одш вертикального дренирования 05.23,02 - Оонования и фундаменты

i в ï о р в ф в pa f

Диосиртации па соискание ученой ртепени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1993

„ Работа выполнена в Санкт-Петербургском ингенчрло-строительном Институте»

11алный руководительI канцвдаг технических наук» ' доцент А.В.ГОЛЛИ

Официальные оппонектШ доктор технических наук, А »Л. Голыш

кандидат технических Паук, доцент А.К.Крутов

Ведущая организации I Всесоюзный институт гидромеханизация, йанитарно-гехнических й специальных строительных работ (ВНКИГС)»

Защита состоится "9 * г»

!в ^^Час» на "заседании специализированного Совета К 063,31*02 в Санкт-41атвр<5ургском инженерно-строительном институте нй адресу} ГЭ8005» Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д,4» иуд* 521-й»

С диссертацией можно ознакомиться Е, фундаментальной библиотеке института.

Автореферат разослан А 3 сргв^ииЦ 1993 г,

Учекьк секретарь специализированного Совета, хандвдят технических наук

// у/ ,/ - £,А.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темп. Для современного этапа развития гражданского строительства характерно увеличение объемов застройки территорий, о ложаиных олабыми водонасыщеньлли пылеват©-глинистыми грунтами. Использование этих грунтов в качестве естественного основания фундаментов зданий и сооружений во многих случаях требует улучшения их свойств.

Одним .га экономичных методов улучшения слабых оснований-является искусственная консолидация сж: лаемой толщи при воздействий статической нагрузки (веса пригрузочной йасыпи) о устройством вертикальных дрен в основании. Искусственная консолидация с вертикальным дренированием направлена на исключение неравномерных осадок основания здайия или сооружения, а также -озможной потери устойчивости грунтов в основании за счет развития избыточного порового давления. Вероятность потери устойчивости основания, сложенного пылевато-глинистыми грунтами в нестабшшзированном состоянии,' возрастает из-за их низких ; прочностных характеристик. •

В последнее время вместо традиционных песчаных дрен стали применять различные конструкции геодрен. Проблема достоверной оценки эффективности их применения является актуальной, так как механизм их работы изучен Недостаточно. Для-одучая слабну пыле-вато-глинистых грунтов такая оценка затруднена дополнительно тем, что при нагружении эти грунты, претерпевают консолидацию, связанную одновременно с процессом отжатая поровой воды и о развитием сдвиговой ползучести скелета грунта.

Искусственная консолидация дренированных грунтов по сравнению с консолидацией нетренированного основания под действием

.. . - 2 -

веса сооружения протекает ускоренно. В естественном основании процесс консолвдации продолжается неоколько десятков лет, так как время отжатия вод"ой среды из грунта определяется значительной утиной пути фильтрации и низкими значениями градиента напора. ...

Применение существующих расчётных моделей консолидации водонаовденной грунтовой среды о определением схемы вертикального дренирования в конкретных геологических условиях не обеспечивают достоверных результатов решения задачи, о чем свидетельствует их раохоадение с натурными данными. В большинстве случаев зто объясняется тем, что в используемых аналитических и численных решениях задачи рассматриваются объемные деформации о учетом фактора времени -при фильтрационной консолидации и мгновенные пластические сдвиговые дефорлации в предельном состоянии грунта. Совместный учет в расчетной модели процесс01 отжатия поров оводь из грунта и вязкчпластического деформирования Скелета грунта отражает реальш. 1 процесс деформирования слабых пылевато-глинистых грунтов под нагрузкой. Следовательно, реализация такого решения' является целесообразной и необходимой в особенности при выборе оптимальной схемы вертикального дренирования основания здания или сооружения.

Целью данной работы является оценка напряжа .но-дефорли-рованного состояния гшлевато-глинпстых грунтов, подвергнутых принудительной консолидации, с учетом фактора времени, разра-б'-г.са чпденного решения задачи о ре^чете ооадок оснопния о учетом развития вязкоплао- леоких деформаций грунтов в проц > се конос-вдавд^, для выбора оптимальной схемы вертикального чре нироваиия оснок .шя.

Для -достижения поставленной цели решены слэдущие задачи;

1) разработка и реализация на ЭВМ алгоритма решения задачи консолидации структурно-неустойчивой грунтовой среды при юпущении совместного развития объемных и сдвиговых деформа-дай;

2) построение реологической кривой для слабого пылевато-'линистого грунта по даннш натурных наблюдений;

■ 3) разработка методики выбора оптимальной схемы дрениро->ания основания.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) установлена разновидность реологической зависимости уш слабого пылевато-глинистого грунта £ = £(I) по данным ютурных исследований;

2) определены параметры реологического деформирования игабого пылев-то-глинистого грунта по данным натурных исследований Xе и . являющиеся мерой нарушения структурных ¡вязей в грунте под внешним воздействием;

3) разработано численное решение задачи консолидации в гпруго-вязкопластич9ской постановке для случая структурно-[вустойчивой грунтовой среды;

4) разработана методика выбора оптимальной схему верти-:ального дренирования под, проектируемое здание или сооруже-йа,- . ' . ' . :

На зашит? выносятся:

1) упруго-вязкопластическое решение задачи консолидации ^руктурно-неустойчивой среды; '

2)' результаты комплексных натурных исследований сильно-, яшаамых пылевато-глинистых грунтов в условиях их естествен-юй и' искусственной консолидации;

3) методика обработки результатов натурного зКсперимеи-

- 4 -

та и реологическая зависимость для пылевато-глинист^го грунта, определенная по даннш натурных исследований;

4) методика определения оптимальной схемы дренирования основания о использованием расчетной программы "Консолидация-3".

Практическая ценность и реализация работы. Результаты натурных исследований и раочетов используются ЛО "Гидропроект" для проектирования вооружений защиты г.Санкт-Пвтербурга от наводнений.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований на участке дамбы Д-3 сооружений защиты для ЛО "Гидропроект ооотавил 42,5 тыс.рублей ( в ценах 1990 г.).

Апробация. Результаты исследований докладывались на 48-й и 4Э-Й научно-технических конференциях Санкт-Нотербургскс го инженерно-строительного ш.^титута (1991-1гг.) научно-технической конфервк да в Санкт-Петербургском доме научно-технический пропаганды (1991 г.), на международном симпозиуме "Реконструкция - Санкт-Петербург 2005" (1992 г.).

Публикации. Основные положения диссертации и матеоиалы исследований изложены в 5 печатных работах.

Объем работы. Диссергация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Список литературы состоит у 158 наименований. Общий объем работы составляет УТб страниц, в том числе "(09 страниц машинописного текста, ¿1 % ри-сг-иов, . таблиц, 1 стра! :ц приложений.

- 5 -

ОСНОВНОЙ СОДЕРЖАНКИ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сфорлулирогл-на цель исследования, перечислен?' основные вопроси, выносимые на закину.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. Рассмотрены основные расчетные модели грунтовой среды применительно к ранению задачи консолидации водонасыщенного пнлевато-глинистого грунта. Деформации дисперсной структурированной грунтовой среды происходят при одновременном развитии процессов фильтрационной консолидации под влиянием меняющихся гра-диьлтов порового давления и ползучести грунте, под действием эффективных напряжений.

Ранние разработки рассматривают теорию консолидации грунтов как задачу неустановившейся фильтрации в деформируемой среде. К нил относятся труды И.Н.Иавловского (1922), К.Терцаги (1Э25), И.М.Герсеванова (1933...1^37). В. последующие годы были сделаны начительные .^гл в- развитии теории . консолидации, которые отражены в трудах.НЛ.Герсеванова, В.А. Флорина, И.И.Веригина, Д.З.Полышша, Н.А.Цытовича; М.Н.Гольд-штейна, а такке в трудах зарубежных авторов (Ревдулик, Беррон» Гибсон, Тейлор, Скекптон, Бъаррум, Хансбо и др.). В.А.Флори-нш (1938) и ¡Л.Био (1941) предложена модель объемных "сил, яв-лявдаяся наиболее, общей теорией консолидации грунтов. Базируясь на оснезной расчетной модели, сформулированной В.А.Фло-Р'-шш, существенный вклад в развитие теории консолидации внесли ¡Л.Ю.Абелев, Л.В.Горелик, А.Л.Голвдин, Н.Н.ыаслов.А.Г. Соколов, З.Г. Тар-Мартиросян* Ю.К.Зарецкий, П.Л.Иванов.

Решение задач консолидации на основе широкого уче'.а реологических свойств.грунтов получило развитие в работах

-6 -

Ю.К.Зарецкого. Им отмечено, что характер изменения норового давления, а также сложнооть и неоднозначность траектории на-груяения в эффективны?" напряжениях предопределяют необходимость использования соотношений теории пластичности при прогнозе напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований.

Как правило предлагаемые аналитические решения невозмож-* ' '

но применить для неоднородных, гелинейно-деформируемнх, имеющих сложную геометрию оснований.

В связи о развитием вычислительной техники широкое распространение получили численные методы расчета оснований, в частности расчет напр женно-деформированного состояния грунтов применяется метод конечных, элементов.

Рассмотренные аналитичестсиа и численные решения при прогнозе консолидации водонасьщенных пнлевато-глинистых грунтов не учитывают одновременного влияния реологических и фильтрационных свойств дисп ареной структурированной•среды.

С-лбый пылевато-глинпстый грунт, как структурно-неустойчивая среда, способен лри внешнем воздействии резко менять свойства от упруго деформируемого твердообразного тела до пластически дэфошируемого квдкообразного тела. Супу;ость такого явления в версиях Н.Я.Дениоова, И.М.Горьковой, Б.В.Дерягина, Скотт Блэйера, Б*!".Гуменокого, Г.Ф.Новожилова заклнчгзтея в гидратации структурных контактов при освобождении под действием напорных градиентов иммобилизованной в порах воды. Пере-кг-ишиог-а частиц в таком случае cor овождается некоторым раз зкижением среды и снижением, прочности за счет гидратации частиц в местах нарушения структурных связей, что облегчает .взаимное скольж*. :ие частиц.

Дренирование как метод улучшения основания ь r.j^'iao во-

- 7 -

донасыщенных слабых пылевато-глшшстых грунтов, как показал обзор литературы, оказывается на всегда эффективнш, 'а в отдельных случаях бесполезным. К такому выводу приходили многие иссладогатели, занимавшиеся проблемами оценки эффективности вертикальных дрен в олабом основании, например М.Ю.Абелев, Л.В.Горелик, С.Хансбо, Морран, К.А.Цытович, П.Лиозу, А.В.Рау, О.А.Шу&л'ьев и др. Считают, что эффективность дрен ограничена, если улучшаемый грунт способен под действием постоянных напряжении испытывать во времени-одновременно объемные дефор-шщи и деформации формоизменения.

Задачи определения оптимальной геометри;. и параметров вертикальных дрен в условиях водонасыщенного слабого пылеьато-глинистого.грунта осложняется его'структурной .^устойчивостью при нагружени... Рациональность применения вертикального дренирования определяется наличием единой методики выбора оптимального размещения дран в основании с учетом к нтуров здания и сооружения, переменности нагрузки, структурных изменений грунтовок иради при чагрукении, совместного протекания процессов фильтрационной консолидации и сдвиговой ползучести.

Во второй главе приведены особенности уплотнения и упрочнения грунта как дисперсной структурированной системы, представлена упруго-вязкопластическая деформационная модель струк-турно-ноуотоичивои среды как модификация модели упруговдеально-пластичаскои одно-двухфазной орады, а также результаты численного решения задачи консолидации для выбора оптимальной схемы вертикального дренирования основания. Для постановки и ратания упруго-вязкошюстичаской задачи деформирования структурно-неустойчивой грунтовой среды использованы представления физи-хо-химичаской механики дисперсных сред. ■

- 8 -

В процесса нагружэния дисперсным структурированный грунт проявляет свойства структурно-неустойчивой среды. Дефордиро-вание среды мохет иглчть однофазные либо двух(1азны^ характер в зависимтти от степени нарушении связей в структурированно/, система.

■ Однофазная работа структурнЬ-ноустойчивой среды означает отсутствие'фильтрационной консолидации в грунте, а деформация среды в этом случав обусловлена преимущественно дафорлациями формоизменения. При нарушении структурных связей освобождается часть структурированной воды, которш способствует дальнейшему ослаблению свясзй (гвдратация контактов частиц, расклинивающий эффект). Грунт в локальных зонах переходит из твердо-образного состояния в жидкопбразноэ о минимальной вязкостью. Далько-.шза статическое или динашчэское шгрукант- увеличивает напорные градиенты в' кх^ко^ фазе и способствует развитию таких зон, что в и: эге может прнвестч к по.тера устойчивости ОСНОВАНИЯ.

Реализация фильтрационное конооладациы в двухфазной срз-де (например, путем устройства дран) снижает поровое давление и увеличивает концентрацию дисперсно* фазы в единице объема системы. Резко увеличивается суммарная площпдь контактов твердых нчсткц через гидратные'повархностл. а потга.^ возрастает способность среды сопротивляться пластическому дофоплированиа, то есть срада переходит в состояние с более •"'-.оокоу вязкостью - тпордообразкое дношазноэ.

Прочность грунта-з . >нсолвдированном состоянии (однофазная •юпар.ационная структура) на превышает прочности грунта естеств .шого настайшшзпрова иного состояния (однофазная эстаствэнкая структура) из-за гидратации поверхности

-. 9 -

частиц при нарушении структуры и освобождении иммобилизованной в порах воды.

Перечисленные особенности уплотнения и упрочне-щя слабого пыгчвато-глинистого грунта как дисперсной структурированной системы у.гены в разработанном численном решении задачи консолвдации (рис.1) в упруго-вязкоплястической постановке для случая структурно-неустойчивой среды. Расчетная модель грунтовой среды является реологической моделью, при реализации которой, с одной стороны, решается задача консолидации с учетом распределения напряжений мевду скелетом грунта и поро-во# водой в пространстве и во времени, а с другой - учитывается вязкопластичеокое дефорлирование грунта при выходе срз-ды за пределы зоны упругой работы.' •

Процедур; определения вязкопластических деформаций реализована методом начальных напряжений (МНН) в варианте, предложенном в программе "Геомеханика" - С5ГТ5Р А.Б.Фадеевым и Х.З.Бакеновым при решении задачи ползучести грунтов ¡-ЛКЭ..

Принципиальной особенностью предложенного численного решения является возможность реализации 4-х различных схем деформирования стрг/ктурно-неуотойчивой среды в зависимости от условий нагружения (см.рис.1а). Если состояние элемента среды при однофазном или двухфазном характера работы выводится при нагружении в запредельное состояние, реализуется вязко-пластическое пэшение МНН. Особенность данного решения заключается в том, что при двухфазном характера работы среды учитывается перераспределение паровой составляющей тензора напряжений на скелет грунта.

Присвоение на зависших фиксированных характеристик . грунту, соответствующих его структурному состоянию .(твердо-

Определение X extern

u

0ди0ф*ЗМ1Я

P«OTA¡EI(, KfO

JEZ

НЕТ 3,4

1

ГДйугг<Гл?-ЧА*

|>АвГПАХ fc«f(J, Kf

УпрУГО-ВЯЗКОЛЛАС-ГиЧЕСкОЕ f>EUIEKUtl

) Пврыюд к йиадуцш^му моменту юе.№ш|--j переход к следующей ступеум НАгтвиия I

I кон au, I

Рио.1. Упруговязкопластическое деформирозание структурно. неустойчивой грунтовой .срады:

a - изменэнда напютенно-деформированного сос^оя-HIM среда;

ö - принципиальная сха./д реалии зэгкч;:.

-. II -

образному = о« и ¡однообразному ЧпЛа ), характеру работы структурно-неустойчивой среды (однофазному Ем,

Кр 0 и двухфазному Е^Ец, К^ ), а также условию "структурного" перехода из одного состояния в другое выполняется аналогично численному решению А.Г.Шашкина, испольг 1вавше:лу модификацию упруговдеальнопластической модели для случая квазиодно-квази-двухфазной среды.

Численное моделирование задачи консолидации слабого пыла вато-глинист ого грунта для выбора оптимальной схемы вертикального дренирования выполнено для ленточного фундамента шириной & = 2 м. С позиции экономии материала я временных затрат оптимальным вариантом размещения вертикальных дрен в численном примере принята схема с установкой дрен мелкого заложения только в краевой зоне вне полосы загружайся. Данная схема является также достаточной в плане обеспечения устойчивости фундамента за счет локализации сдвиговых деформаций грунтов в основании.

Численное моделирование позволяет установить, что применение вэртикальных дран существенно ограничивает, область ' развития вязкопластических.деформаций. Использование дрен обеспечивает преобразование процесса деформирования слабого иловато-глинистого грунта с преимущественным развитием деформаций формоизменения <вязкопластические сдвиги) в процесс объемного деформирования грунта за счат отжатая свободной жидкой фазы.

В третьей глагэ представлены результата комплексного натурного эксперимента, в котором использовались искусственные геодрены для ускоренной консолидации слабых пылавато-глинистых грунтов.

- T¿ -

В.объема проведенного натурного эксперимента осуществлены оледущиа исследования:

- определены послойные деформации грунтов путем долговременных наблюдении за смещениями глубинных марок конструкции СПбИСИ;

- определены вертикальные и горизонтальные смещения песчаной насыпи, отсыпаемой не слабые пылевато-глинистыэ грунты, путам геодезичеоких наблюдений за поверхностными марками; ' <

- установлено развитие порового давления во времени

в наиболее олабых геологических элементах (слоях) о помощью пьезодинамометричеоких струнных датчиков ЦЦС-Зп;

- определены.прочностные характеристики пылавато-глини-стых грунтов стандартным методом лопастного сдвига на различных стадиях процесса консол.дации: до дренирования и пригруд-ки опытного пнова. ия, после его дренирования в момент окончания полной пригрузки и после ста 'шшзации осадок грунтов.

Комплексные натурные наблюдения за процессом консолидации водонасыщенных слабых пылевато-глинистых грунтов выполнены в соответствии о отлаженной в CIIб ИСК методикой, разработанной под руководством д.В.Голли.

Крупномасштабный натурный эксперимент в' раь.сох настоящего исследования был осуществлен совместно с СПСГГУ при содействии ЛО "Гилропроакт" и ЛенГЭСС на четырех опытных полигонах. Водонасыщенные t основания по агонов прадотавла-ч 20-30 метровой толщей озерно-л.дниковых пылевато-глинистых отлояе-' ний че-пертичлого возраста: преимущественно неяоно-слоист"\ш . суглинками ( У = 19,2 кН/м3, е а о,9, ю- = 33?., u?L

= a°, 4W = 18°. спакоНф . 15 I¿:a, CK0H>-,

-. 13 -

6 кПа, 3 = 6 Ша, Kjrop. = о,01 м/сут, ^вер.= Ю~5м/сут.) и ленточными глинами ( У = 18 кН/м3, © = 1,16, ^ = \2%, WL» 39£, <*р = 22%, Уявкон.» 6°. Ч>кон.= 12°. CHöK0H.= 10 кПа, Скон> = 5 кПа, й = 4 Ша, Kj гор. = 0,03 м/сут, Kf вер. = 3'10_б м/сут.). Отличительной особенностью геологического отроения основания полигона # 4 является наличие разновидности ленточной глинн о повышенной влажноотьэ до 78$ и низкими прочностными характеристиками ( И п 1,71 =55%, ^L = 44?., = т. након. =4°, Ч> кон. = 9°, Снакон>= 3 кПа, Скон> = 2 «IIa, Е' = 1,5 МПа, Kf гор.= 0,005 м/оут, K.f вар.3 S'IO"6 м/оут.).

Опытные полигоны расположены в акватории действующего водного бассейна (Финский залив), отметка поверхности первичной насыпи полигонов, о которой произведен монтаж контрольно-измерительной аппаратуры'(КИА),'.составляет - 1,0 м над .уровнем моря. Состав КИА и схема ее размещения на всех опытных полигонах одинаковы. С отметки - 1,0 м основания полигонов • й 2, JS З.и # 4 дренировались геодренами .со средним шагом соответственно 2,1, 3,6 и 3,0 м и пригружаллсь поэтапно опытной насыпью. Полигон Ш I не дренировался и является контрольным в состава эксперимента. ,

Основные результаты натурных исследований процесса Консолидации дренированных и недренированных грунтов показывают, что условно стабилизированные осадки на дренированных полигонах й- 2, JS 3 и $ 4 на один порядок превышают осадки недрени-рованного основания полигона $ I при сходно;« нагружании. При этом процесс фильтрационной консолидации в недренированком основании затрагивал 2...3 м по глубине под подошвой насыпи. Это наглядно демонстрирует роль дрен как средства инициации

- 14. -

фильтрационных процессов: во-первых, они способствуют образованию гидравлически непрерывной (свободной) воды, которая отсутствует в первоначальной однофазной структуре грунта; во-вторых, они создают благоприятные условия для ускоренного оттока свободной жидкости из грунта. Подтверадением этому, в частности, является совпадение мощности сжимаемой толщи дренированных' оснований с глубиной вертикального дренирования 17...17,5 м.

Установленные методом лопастного одвига величины сопротивления грунтов сдвигу по глубина сжимаемой толщи оснований полигонов $ I, $ 2 и И 4 (рис.2) свидетельствуют о том, что изменение прочнооти грунтов в процессе консолидация не превышает пределов естественного разброса и находится в доверительных интервалах точности измерения. Следует отметить, что это также подтверждается совпадением диапазона величин Ттах (рио.2) с диапазонами сопротивлений (по данным А.В.Кузьмина и Р.Э.Дашко), установленных для природного состояния исследуемых грунтов. Полученные результаты эксперимента указывают на целесообразность использования в расчетах неконсолидированных значений параметров прочности С и Ч' для слабых пшшвато-глшистых грунтов и свидетельствуют о справедливости теории платности-влажности Н.Н.Маслова (расчетное изменение влажности при консолидации слабых пылевато-глинистых грунтов незначительно и составляет в среднем 2...3$).

На опытном полигоне й 4 для крайнего ряда поверхностных марок .\lj_g, и по результатам периодических. гео-

дезических наблюдений (рис.3) зафиксирован их подъем соответ-. ственно на 35 мм, 45 мм и 20 мм. Причиной выпора очевидно является интенсивное развитие вязкопластических сдвиговых дафор-

Ф ТТпзх.кПа.

о -О 20 30 АО 50 ,1_■ ■ ■_I

т

й>

-10- ^

1л ■ » о

ЛЯ

о

°о

б) Тшах.кПв.

п <0 «в 30 4) 50 у. ...I-1-1-1-1

83

Л

-•Ю-

-1!

Ь д

А Д А«

д

А

*Д а

ь) Ттцу.кИа

77? "»* й г)-1_1_1 J

-5- * §

[©3

-10- I 0 ".ООО

К О» ,

2 ф ЭюЛ

Нд ■ »ш

О! I

Рис.2. Изменение сопротивления грунтов сдвигу Ттах : а - полигон 'Л I (без дпен); б - полигон Л 2 (шаг дрен 2,1 м); в - полигон Л 4 (шг дрен 3,0 м).

о - серия испытании до пригрузки и дренирования; Ш - то ха посла дренирования и лржгрузкл; А - то за посла стабилизации осадок.

¿04

ГОШ1

г-з__Цсщ.взо!

'-1-

г]_I

стаор 3 ! 4 ДГ5?+80 I скцВЗОО стели 2. I 4»5

о..« |

скв^аиг стяор ± | ЛГб»+ДР|

да

— Низ ггодрвн

ПОЛОСА УСТАНОВки веШНКААЫШХ геодркн

20 30 ¿»ем

Поьемчосткъм. МАП01 *4> 4-7 4-В

а-3 з-А \-ь д-^ ^

ПОКРХНОСПМВ. МАРКИ о ** 2-4 ц.3 Л-4 4-5 3-3_а-А -1-5 3-4 >5

Рис.3. Развитие осадок в попарочнш профиле. опытного полигона й 4,

- 17 -

маций однофазного надренированного грунта в краевой зоне сооружения.

В четвертой главе изложена методика обработки результатов натурных исследований консолидации слабых пылевато-глинистых грунтов в дренированном и недренированном состояниях, ''приведен сравнительный анализ деформирования грунтов в основании опытных полигонов, вьлолнены пример чколенного расчета осадки грунта как структурно-неустойчивой среды для сечения опытного полигона £ 4 л сопоставительный анализ результатов натурного эксперимента и численного расчета, изложены рекомендации по эффективному использованию искусственных геодрен в ооьлзании зданий и сооружений.

Анализ результатов натурных исследований по предложенной методика позволяет учесть реологические факторы деформирования слабых пылевато-глинистых грунтов. Эксперимент показывает, что одна и та же скорость деформирован!:''' на дренированных полигонах с различным шага? дрен.достигается при различных величинах нагрузки: чем'меньта саг дран, тем меньшая нагрузка необходима ддд достижения некоторой скорости деформирования ' С , то есть скорость дефоашрованкя есть функция от гидравлического градиента I. По данным натурного эксперзлон-та для слабо! о пилевето-г.танистого грунта получен график за-ви' жлостм &•* (1) (рис<-4), Физический смыол которой совпадает о оуйюстъю традиционной реологической зэтисшости У = (*) и выражается в изменении окорости деформирования при нарушении структурных связей в грунте,. вызванном внести./, воздействием.

ъсдл полагать, что по оси полигонов налра-шшо-дз" ог;ля-ровапное состояние массива близко к ус.Ю'ляяц,озном^рно:-.

Рис.4. Зясиаршонтальнив зависимости £ - ^(1)

для слабого пыловато-гяинистого грунта.

- I'd -

чи и в дренированном основании имеют место в основном, объемные деформации грунтов то будет справедливо равенство

И<=¿1-

ое ^ (1)

Параметр И. , являющимся аналогом .переменного параметра объемной вязкости при одномерном сжатии Л , при анализе данных натурных исследований трактуется как эмпирический параметр состояния структурированной системы (слабого пылавато-глшшстого грунта). Он отражает меру нарушения структурных связей в грунте при переходе его из состояния твердообразного .тела в состояние яшдкообразного тела (рис.46): для исоледуемого грунта этому переходу отвечает снижение параметра от начального значения 3...8-I03 МПа.оут. до 10 ¡Ша.оут., то есть на 3 порядка.

Согласно экспериментальной зависимости рис.4 ) установлены величины характерных пределов реологического деформирования слабого шшвато-гхинистого дефогшро-s

Еания в терминах гццрайлячаркого градиента:

1) начальный ирэчвл' текучести jC-kt 2,5;

2) лрэдэл, до которого сохраняется начальная структура, X» • = 3,5;

3) предел, itoo^R которого начингэтся лавинообразное разрушение структурам соязеи Хкц = 4,5 (при этом скорооть относительной дефорлации возрастает примерно в 5 раз).

Деформирование оснований опытных полигонов под нагрузкой, сопровождающееся структурными изменениями в грунте, формально описывается сложной взаимосвязью процессов фильтрационной консолидации и ползучести, в ходе которых происходит изменение физико-механических характеристик грунта. Результаты натурного эксперимента позволяют судить в целом о рчаль-

- 20 -

ном процесса деформирования без разделения его на слагаемые, обусловленные теми или инши феноменологическими представлениями о габоте грунта. При сравнительном анализе процессов деформирования оснований опытных полигонов был введел параметр = —> Графики зависшооти ^^Х^) > полученные для грунтов всех опытных полигонов (рис.4 ), демонстрируют, что изменение на ветви нагружения происходит от некоторого начального значения в момент приложения первой ступени нагрузки ( 0+ ) до минимального значения • На ветви вкдеркки нагрузки во времени значение параметра Iе изменяется от при "Ыт (момент окончания нагружения)до бесконечности при *: о*3 по прямолинейной зависимости. Тангено угла наклона .равен коэффициенту при степенном показателе функция вида

то есть "Ъд Ж— С ,

Следует отметить,' что че.м зышэ градиент напора, тем меньших значений достигает экстремум функции (Ч^тла^^

4 ^'^пт.1 ) и тем;болыю угол наклона ветви графика при "Ь > Т ( с^ > с1-*, > оСц > л-х . или с

> С* > ). Числовые индексы соответствуй« номеру опытного полигона. .

Таким образом, изменение параметра свидетельству-

ет о структурных, изменениях,. происходящих в грунте при его нагрулсении и выдержке во времени. Снижение до значащи

^^ип. свицетельстЕует о пароходе грунта из твэрдообраз-ного состояния в жвдкообр:зное; При вццаргска под постоянной нагрузкой происходит восстановление структуры грунта со скоростью (которую отрзкает коэффициент С) тем большой, чем больше .

- 21 -

нарушение структур» грунта имело место: для полигона № 2

3 = 1,2* Ю-2 сут-1, для полигона .'<" 3 С= 1,13-10~2 сут""1, для

полигена & 3 0= 1,13'М-2 сут"*, для полигона № 4

С = 1.0Ч0"3 сут~*. На полигоне й I (баз дрен) величина С = „•э _т

6,9*10 сут характеризует скорость затухания процесса вязкого деформирования грунта.

Расчет осадки основания сечения опытного полигона й 4 выполнен на ЭШ с использованием специально разрабо энной рас-, четной программы, дополненной сервисными процедурами графического оформления результатами численного расчета. Численное решение показывает сходимость результатов расчета с данными натурных наблвденим в пределах 8. ..20$. Расхождения в указанном диапазоне обусловлены подбором фиксированных значений характеристик грунта в зависимости от состояния грунтовой среды, поэтому в расчетной.модели переход среды из твердообразного состояния в жидкообразное и обратный переход ..зляится мгновенными. В реальных условиях преобразование' свойств грунта носит монотонный характер, .

Зоны вязкопластичоского деформирования грунта по результатам числ-зкного решения получают развитие преимущественно в краевой области основания опытного полигона, где массив грунта находится в недранарованном состоянии..Расчет показывает, чти при отсутстгяя условий оттока жидкой фазы из грунта и низкой сопротивляемости его сдвигу деформирование основания характеризуется выпором грунта в кравдой зоне полигона. Данный прогноз полностью подтвержден данными натурных наблюдении на опытном полигоне № 4 ^см.рис.3).

На основании выполненных исследований предлагаете- методика выбора оптимальной схемы вартигсальногс дренирования оаноьа-

- 22 -

ния под проектируемое сооружение. Ее основные положения заключаются в следующем:

- выполняется расчет по предложенном расчетной программе, напряженно-деформированного состояния недренированн^го основания при проектяом нагружонии;

- устанавливаются зоны развитии вязкопластического деформирования грунта;

- назначается вертикальное дренирование в этих зонах для повышения устойчивости основания, при этом глубина дренирования принимается равной глубине распространения области вязкоплаоти-чеокого деформирования;

- в других областях основания под пятном загружания установка дрен производится для предотвращения каравномерных оса-док;

- расстояние между отдельными дренами (ваг дренирования) определяется из условия, обеспечивающего уплотнение грунта по всей глубина дренированной толщ.з, по следу икзду варааанию:

£ ^[Е^зр/Змin.(з)

где <5зр - меньшее главное тотальное детслшкгальное напряжение на.глубине h (глубина дренировакш); ' •

_Х min. - градиент начала фильтрационной консолидации грунта (терлин введен Э.Р.Дашко);

- выполняется расчет дренированного основания по принятой схеме- дренирования. Напряженнодеформированноё состояние дренированного основания сравнивается с напряженно-дефорлиро-ваннш состоянием основания баз дрен. Уменьшение зон вязко-пластического дефорлирования будет свидетельствовать об эффективности принятой схемы дренирования.

основные выводы

1. Вертикальное дренирование слабых пылевато-глинштых грунтов-оснований зданий и сооружений является средством для устранения неравномерных осадок, инициирующим процесс фильтрационной консолидации, а именно реализующим возможность-образования в грунте свободной жидкой &азы и ее отжатие.

Фильтрационная консолидация в недренированном основании имеет ло"альное распространение под подошвой фундаментов, ограниченное условием равенства градиента напора градиенту начала фильтрационной консолидации.

2. Скорость развития относительных деформаций в случае пылевато-глинистого грунта есть функция гидравлического градиента, являющаяся разновидностью реологической зависимости. Эта функция отражает природу слабого пылевато-глинлстого грунта как дисперсной структурированной системы, вязкость которой зависит от величины градиента капора. .

3« Изменение прочностных свойств грунта не превышает ве-лпгшш естественного довэрктелхного интервала, определяемого как естественной изменчивостью свойств грунта в пределах одного геологического элемента, так и точностью измерения сопротивления сдвигу. Для "?°СПС1ЧЗН/-Я устойчивости Э^ЭНИЙ и сооружений на слабых пылетаао-глинистых грунтах целесообразно расчет основании выполнять, используя неконсолидированные характеристики прочности.

4. При дренировании с различным шагом наблюдается следующие закономерности: чем меньше шаг "становки геодрэн, тем значительнее уменьшение язкости грунта происходит при нагру-жвнии и тем интенсивнее восстанавливаются структурные связи

- 24 -

при выдержке нагрузки постоянной во времени.

5. Роль дренирования основания является средством обеспечения его устойчивости посредством перевода грунта из со-, стояния жвдкообразного тела в зонах развития вязрпластичес-кии деформаций-в твердообразное за счет отвода свободной жидкой фазы из грунта в дрены.

Такая работа грунта может быть описана предлож лной модификацией расчетной модели, реализующей упруго-вязкошшсти-ческую задачу дефорлированпя грунта как структурно-нвустой-чквой среды.

6. Численное решение на ЭШ задачи о деформировании уп-руговязкопластичаской структурко-неуст o;v-iheo»i среды клеет удовлетворительную сходимость с результатами натурного'эксперимента и позволяет найти оптимальную схему вертикального дренирования основания.

7. При назначении схемы вертикального дренирования целесообразно: ••

- шаг дрег определять из условия,- обеспечивающего уплотнение грунта по всей глубине- дренированной толщи;

- для повышения устойчивости основания располагать драю; в ~онах возможного развития вязко-пластяческих деформаций;

- для предотвращения неравномерных осадок глубину дренирования под пятном застройки принимать рашой мощности сла-

' бой грунтовой толши.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

I. Голли А.Б., -Конусбаев А.Б. Комплексные натурные исследования слабых водонасщеннкх Грунтов в основании гидро- • технических заптных -сооружений// Строительство на структурно-

неустойчивых грунтах: Тезисы докладов науч.-тэхн.конф./ Сам.

Гооуд.арх.-отроит. ин-т,- Самарканд, 1992 (в печати).

. 2. Конусбаев А.Б. Определение прочностных свойств слабых пылевато-глшшстых грунтов в процессе их коноолвдации// Возведение и реконструкция фундаментов на слабых грунтах: Мал вуз.та'мат.сб.тр./ Санкт-Патврбургокий инж.-строит.ин-т.- СПб., 1992.- С.34-40.

3. Расчет осадок фундаментов реконструируемых зданий на слабых грунтах/ Голли A.B., Цйшкин А.Г., Парамонов В.Н., Конусбаев А.Б.// Фундаменты реставрируемых и реконструируемых зданий и памятников архитектуры: Материалы науч.-техн.конф./ Ленингр. дом науч.-техн.пропаганды.-Л., I99I.-C.19-25.