автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Идентификация динамических характеристик лессовых грунтов

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШКЕНЕРНО- СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В. 3. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

ПОШДО Светлана Дштриешга

УДК 624.131.55

ИДШЖЖАЩЯ ДШАШЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ

05.23,02 - Основания и фундамента

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСШ - 1992

/.Л- / -у

Работа выполнена в Центральном межведомственном институте повышения квалификации строителей при ШСИ км.В.В.Куйбышева.

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук ■ М.Ю.Абелев.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

Ю.К.Зарецний; кандидат технических наук В.А.Сальников.

Ведущая организация: ПНЙИИС, г.Москва

Защга состоится " *Гп г 1992 г. в час. СО шт, на заседании специализированного совета Д 053.11.05 по ыаха-^ нике грунтов, основаниям и фундаментам при МИСИ кн.В.В.Куйбышева по адресу: Москва, Спартаковская ул.,д.2, ауд.Р .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв в двух экземплярах по адресу: 12933?, Москва, Ярославское шоссе, д.26, МИСИ им.В.В.Куйбшева, Ученый Совет.,

Автореферат разослан "¿7"а^/у~й1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор, кандидат техк&ческих^наук'^'

АЛ. Крыжановский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Основания многих зданий и сооружений испытывают длительные динамические воздействия от работы машин и промышленного оборудования, которые в зависимости от интенсивности и характера воздействия, могут вызывать развитие неравномерных осадок фундаментов, нарушать работу точного оборудования, затруднять технологические процессы, оказывать вредное физиологическое воздействие на людей. Одной из основных причин, обусловливающей развитие указанных факторов, является некорректное определение расчетных значений параметров колебаний фундаментов из-за несовершенства расчетных схем системы машна-фундамент-грунт или неточных данных о динамических характеристиках грунта. Основным недостатком практически всех расчетных моделей грунтового основания является отсутствие обоснованно разработанной методики определения динамических характеристик грунтов. Несмотря на серьезную помощь, которую оказали прооктировиркам разработанные СНиП 2,02.05-87 "Фундаменты нашш с динамическими нагрузками", динамические расчеты оснований ц фундаментов остаются достаточно трудоемкими и специфичными. Применяемые метода определения динамических характеристик оснований фундаментов машин базируются на штемповых вибрационных испытаниях грунтов в процессе проведения инженерно-геологических изысканий. При этом необходимо точно и оперативно производить обработку большого количества полученной информации о колебаниях. Если учитывать увеличение количества проектируемых объектов с динамическими нагрузками, рост темпов производства работ, то станет очевидным, что применяемые методики обработки результатов штампо-вых вибрационных испытаний для определения динамических характеристик грунтов, в большинстве случаев не могут удовлетворять задачам проектирования.

Таким образом, при динамическом расчете оснований и фундамен-

тов возникает задача ¡выбора адекватной «одели динамической системы фундамент-грунт путем оптимального определения ее параметров по результатам эксперимента. Элективное решение вгой задачи возможно методом теории идентификации, имеющей уже успешное применение в различных областях науки и техники. Она позволяет по данным эксперимента определять оптимальные параметры принятой математической модели, кроме того, метода идентификации оказываются полезными и для обработки результатов экспериментальных исследований, а также дают возможность максимально автоматизировать процесс расчета и проектирования фундаментов под машины с динамическими нагрузками.

В данной работе рассмотрены вопросы теоретического обоснования, реализации и практического использования метода теории идентификации для определения динамических характеристик грунтовых оснований.

Цель и задачи диссертации. Целью данной работы является разработка расчетво-экспериментального метода определения динамических характеристик системы фундамент- грунт, основанного на положениях теории идентификации с использованием численных методов и ЭШ и последующее применение метода для решения практической задачи -определение динамических характеристик лессовых грунтов различной влажности и плотности.

В соответствии с поставленной целью в задачи исследований входили;

- анализ методов динамического расчета оснований и фундаментов, методов определения динамических свойств грунтов и выбор матеыати ческой модели грунта для дальнейших исследований;

- разработка методики идентификации динамических характеристик системы фундамент-грунт по экспериментальным амплитудно-частотным характеристикам / АЧХ /;.

- разработка алгоритма и программы идентификации динамических ха-

рактеристик на

- анализ исследований динамических свойств лессовых грунтов естественного сложения и уплотненных;

- разработка методики и проведение полевых вибрационных испытаний опытного фундамента на лессовых грунтах различной влажности и плотности;

- сравнительный анализ значений динамических характеристик системы фундамент-грунт, полученных по методике СНиП и по предлагаемой ме-

. тодике идентификации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработан метод идентификации линейной динамической системы фундамент-грунт по экспериментальным АЧХ, обеспечивающий определение наиболее достоверных ¡значений динамических характеристик системы;

- разработана и реализована на ЭВМ методика и.вычислительная программа численного решения задачи идентификации динамических характеристик системы фундамент-грунт;

- проведена идентификация динамических характеристик реальной

с'стеыы - опытный фундамент на лессовом основании различной влажности и плотности, установлено, что найденные динамические характеристики системы дают лучшее приближение к реальным условиям, чем характеристики, полученные по методике СНиП 2.02.05-87;

- установлено, что увеличение влажности лессовых грунтов приводит к уменьшению значений коэффициентов упругого равномерного сжатия; уплотнение лессовых грунтов гндровзрывным методом приводит к некоторому снижению уровня колебаний, способствует увеличению жесткости основания, значение коэффициента упругого равномерного сжатия возрастает, а модуль затухания уплотненных грунтов несколько меньше по сравнению с грунтами природного сложения и влажности.

Практическая ценность и внедрение результатов работы. Раэра-. ботанц эффективная методика, алгоритм и вычислительная програима на алгоритмическом языке ФОРТРАН-77 для определения динамических характеристик грунтов, необходимых для расчета фундаментов под машины с динамическими нагрузками. Применение их существенно сокращает трудоемкость и длительность, а также стоимость инженерно-геологических изысканий, позволяет автоматизировать процесс-расчета и проектирования фундаментов под машины с динамическими нагрузками.

Результаты исследований и разработанные методики подучили внедрение при проектировании и строительстве объектов Таш-Кумыр-ского завода полупроводниковых материалов на лессовых просадочных грунтах в Киргизии.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены, обсуждены и одобрены на Х1У научно-технической конференций МИСИ им.В.Б.Куйбышева /Москва, 1986г./, республиканском совещании "Устройство искусственных оснований под возводимые здания и сооружения на просадочных грунтах сейсмических районов Таджикской ССР /Душанбе, 1986г./, кафедре специальных строительных работ ЦМИПКС /Москва, 1983 г. и 1991 г./.

Объем работы. Диссертация состоит из четырех разделов, введе' ния, выводов, списка литературы из 105 наименований и приложения. Обидой объем работы 117 страниц, в т.ч. основного текста 80 страниц, 8 таблиц, II рисунков. °

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации

- методика и алгоритм идентификации динамической системы фундамент-грунт по экспериментальным АЧХ;

- результаты экспериментальных вибрационных испытаний опытного фундамента на лессовых грунтах различной влажности и плотности;

- результаты и вывода определения динамических характеристик лес-

f1

совых грантов различной влажности и плотности по методу идентификации;

- сравнительный анализ значений динамических характеристик лессовых грунтов, необходимых для расчета оснований и фундаментов под машины с динамическими нагрузками для лессовых грунтов естественной влажности и плотности, увлажненных и уплотненных гидр2-взрывным способом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе анализируется современное состояние исследований в области динамического расчета фундаментов и динамических свойств лессовых грунтов. Рассматривается известный метод расчета оснований и фундаментов под машины с динамическими нагрузками, предложенный в БО-е года Н.П.Павлюкоы и Б.Раушем, получивший дальнейшее развитие в трудах Д.Д.Баркана,- Н.Д.Красниксва, О.А.Савинова, О.Я.Шехтер, В.А.Ильичева и др. и положенный в основу расчетов, входящих в СШП 2.02.05-67 "Фундаменты, машин с динамическими нагрузками". В основе этого метода лежит решение задачи о колебаниях твердого тела, опирающегося на безынерционное улруговязкое основание методами линейной теории колебаний. В качестве модели грунтового основания используется модель Винклера-Фойгта. Динамические свойства основания отождествляются со свойствами модели и полностью определяются АЧХ колебательной системы фундамент-грунт.

Параметры модели - коэффициенты жесткости, характеризующие упругие

г.

свойства грунта и коэффициенты демпфирования, характеризующие его диссипативные свойства - являются характеристиками динамических свойств грунтового основания, определение которых необходимо для динамического расчета оснований и фундаментов. Многочисленные еко-гериконтольныв исследования, проведенные в СССР и за рубежом подтвердили возможность применения этого метода для широкой области

параметров фундаментов с достаточной степенью достоверности. Однако, кая показали исследования О.А.Савинова, О.Я.Шехгер, М.И.Клагцо« М.Н.ГолубцовоЙ, С.К.Лагпта,, М.Р.Сшнкина и др. у в некоторых случаях наблюдается несоответствие результатов расчета по методу Навлго-ка-Рауша опытным данным, гак1 как основные допущения метода о линейности "системы фундамент-грунт и безынерционностн основания не всегда соответствуют реальным условиям работы системы фундамент-грунт. Введение в расчет коэффициента присоединенной массы грунта дает лучшее соответствие расчетных данных опытным. Таким образом, при расчете колебаний фундаментов поведение системы фундамент-грунт наиболее точно определяется не двумя, а тремя динамическими ■ характеристиками: коэффициентом жесткости грунта,.коэффициентом демпфирования и коэффициентом присоединенной массы грунта. Точность и достоверность результатов расчета зависит от того, насколько правильно и точно определены эти динамические характеристики грунтового основания. . •

Б диссертации приводится также подробный анализ основных методов и методик определения характеристик динамических свойств грунтов. Широко используются полевые вибрационные метода испытаний штампов или опытных фундаментов в натурных условиях с возбуждением свободных затухающих или резонансных колебаний, такие методы испытаний дают наиболее достоверную и полную, информацию о жесткостных и демпфирующих характеристиках основания, облегчается перенос результатов испытаний на натурные крупномасштабные процессы. В втом разделе дан обзор данных исследований динамических свойств лессовых грунтов естественного Словения и уплотненных различными способаш. Обобщая результаты предшествующих исследований отмечается, что:

- динамические воздействия в зависимости от интенсивности и характера воздействия увеличивают просадочные свойства лессовых проса-

■дочшх. грунтов, предрасполагают их к сейсмический просадкам, уменьшают сопротивляемость иг сдвигу и снижают прочность; ' - одной дз важиейЕНх характеристик, определяющих поведение лессовых просадочкшс грунтов при динамических воздействиях, является алажность;

- пршаиешэ различных способов устранения просадочности при устройство искусственных оснований в лессовых просадочных грунтах вносит значительные изменения в их динамические свойства; характеристики динамических свойств лессовых грунтов, уплотненных тем или иным способом мало изучены.

Во згором разделе рассмотрены вопросы теоретического обоснования и реализации метода теории идентификации для определения ди-• ншшчаских характеристик грунтов. Указывается, что основной причиной несоответствия результатов динамического расчета оснований я фуилвмечтоз ок.спер'лг.сг.толъ'.игм данным о колебаниях фундаментов является трудность построения адекватной математической модели и выбора оптимальных значений ез параметров. Для построения расчетных моделей используются аналитические метода, но сформированная на основа только аналитических методов модель, ие может полностью описать происходящие в натуре процессы из-за их сложности. С наибольшей точностью построить математическую модель позволяют экспериментальные метода, которые служат критерием адекватности модели реальной системе. Процедуру такого построения называют идентификацией, а задача определения параметров математической модели динамической системы по экспериментальным данным о ее поведении и факторах, воздействующих на нее, является задачей идентификации. Примеры постановки и решения подобных задач встречаются в различных областях науки и техники. Однако наибольшие успехи в разработке ~ теории и методов идентификации достигнуты в области автоматического управления.

На основе анализа методов расчета оснований и фундаментов под машины с динамическими нагрузками, проведенного в 1-ом разделе, можно заключить, что для дальнейших исследований целесообразна система с одной степенью свобода для модели основания Винклера-Фойгта с тремя динамическими характеристикам - коэффициентом жесткости, коэффициентом демпфирования и коэффициентом присоединенной массы грунта, поскольку она наиболее достоверно описывает поведение динамической системы фундамент-грунт* Гак как исследуемая модель обладает сосредоточенными параметрами, а реальная система фундамент-грунт распределенными, то результаты расчета, выполненного по модели, мо!?уг быть достоверными только при условии эквивалентности ее динамических характеристик. Необходимое условие считается выполненным, если АЧХ реальной и моделирующей динамических систем совпадают. Для достижения этой цели весьма эффективно мож:т служить теория идентификации. Она позволяет по экспериментально полученным АЧХ идентифицировать жестностяые, диссипагивные и инерционные свойства реальной и моделирующей динамических систем, т.е. находить такие параметра модели, при которых АЧХ полученная аналитически, практически совпадает с экспериментальной. Таким образом, решение задачи идентификации для динамической системы фундамент-грунт позволяет сделать расчетную модель корректной, в силу знания всех необходимых параметров, а с другой стороны - адекватной реальной действительности, так как АЧХ модели и реальной системы фундамент-грунт практически совпадают. Решение задачи идентификации дает возможность широко использовать ЭВМ в динамических расчетах оснований и фундаментов.

В работа рассматриваются основные характеристики и свойства динамических систем. Показано, что исследуемая в данной работе модель является системой минимально-фазового типа, такие системы имеют минимальное отставание по фазе при любом значений частоты при

данном значении АЧХ. Системы минимально-фазового типа могут полностью описываться только АЧХ или только ФЧХ, поскольку для таких систем существует взаимооднозначное соответствие между АЧХ и ФЧХ, т.е., если известна одна из указанных характеристик АЧХ или ФЧХ, то другая монет Сыть определена расчетным путем. Таким образом, можно заключить, что для идентификации исследуемой системы достаточно иметь одну из характеристик АЧХ иди ФЧХ, поскольку экспериментальное построение 2?ЧХ сложнее, чем АЧХ, то при проведении динамических испытаний к определению ФЧХ прибегая? рэдно. Чаще всего при динамических испытаниях получают лишь АЧХ. Поэтому эта характеристика и была выбрана для дальнейших исследований, т.е. для решения задачи идентификации исследуемой одномассовой системы.

Известен вид дифференциального уравнения, описывающего движение этой системы

/пг+гй+сг Р , {¿у

и выражение для АЧХ

Лоыл*)* - , 00

где т - масса системы; Я - перемещение; С - коэффициент жесткости системы; Ъ - коэффициент демпфирования системы. После проведения эксперимента, во время которого система подвергалась воздействию гармонической нагрузки Р(^) с различными частотами (лГ , можно построить экспериментальную характеристику/^) для некоторого набора частот для которых проводились испытания. В силу того, что аппарат идентификации одинаков как для систем с шумами, так и для систем без шумов, рассмотшм метод идентификации для линейной одномассовой модели, описываемой уравнением (^1), при отсутствии иумов измерений. Значения двух функций от частоты Д,(|П.г)С>и)г)и Х(и.г) в кандой из точек совпадают, т.е. для } = 1,2 .. .

: Лкг.сур^(^) (з)

Таким образом, получаем систему уравнений относительно, £ . с » состоящую из ^ уравнений. Такая система будет определенной, если . число неизвестных параметров ЛЬ % г , С б>Детравно.числу.урзвш- . ний, Т.е. £ * 3. Если число неизвестных параметров .будет превышать число уравнений, то задачу идентификации решить невозможно. Я,, наконец, если число'' неиз&естных'параметров будет меньше числа уравнений, то система будет переопределенной. Это наиболее подходит для идентификации случай,'т.к. погрешности вачвсявний здесь у. иг- : рают существенной роли. Так как для рдцомасоовой модели в общем случае имеем три неизвестных параметра т , % , С , то уравнение

(4)

представляет собой гиперповерхность в трехмерном пространстве. Длн того, чтобы можно было изобразить задачу, едвитифшацин на плоскости, предположим без ограюгеения общности, что масса является известной т » I. Определению подлска-. параметры % я С . В плоскости "Ъ-С* при фиксированном № гиперповерхности

или

00

для разных частот ¿^((О* 1,2 ...) представляют собой эллипса, смешенные по оси 0 на , ,,' . '

:1; • -У и

которые пересекаются в одной точке £? с координатами С ; 1 . 8та точка и есть решение переопределенной системы уравнений.

При наличии шумов картина меняется. Для гтой самой системы : при возмущенных значениях характеристики

кривые уже'ив имеют общей точки, т.е. проекции, гиперповерхностей

М^щуХ^-о (е)

образуют несовместную систему уравнений и суть задачи идентифи-

нации состоит гз определении некоторого квазирешения системы (8) т.е. з поиске такой точки ^ (с* Ъ*), которая бы давала в некоторой синоде шншшльнуп суш арную "невязку" по всем уравнениям систе-

/V

мы (8 ) .В плоскости неизвестных параметров определяется точка 5> , являющаяся наименее удаленно^'от системы кривых (8) . В качестве общей меры уклонения точки одновременно от всех кривых принято выражение в сшсле метода наименьших квадратов

- % (9)

где ^ - кривая на плоскости, шеьцая уравнение /Ь(С, ОУ^ а индекс ^ пробегает множество частотных значений £ я 1,2..К ; ^ревклидово расстояние от точки плоскости с координатами (0,1) до каждой из кривых

Таким образом, задача идентификации сводится к минимизации функционала У в пространстве неизвестных параметров С , *Сг .

Далее в диссертации рассматривается частные случаи идентификации линейной одномассовой динамической системы: I. известна масса П1 ; 2. известен-ковффициенг демпфирования ^ ; 3. известен коэффициент жесткости О .

В третьем разделе приводятся результаты половых вибрационных испытаний опытного фундамента на лессовых грунтах резонансным методом с целью определения их динамических характеристик. Описываются иняенерно-геологические условия экспериментальной площадки, физико-механические свойства лессовых грунтов, характеристика оборудования и измерительной аппаратуры для испытаний.

Экспериментальная площадка располагалась на территории строящегося детского сада в пос.Восточный г.Ош Киргизской ССР. В геологическом строении территории принимают участие аллювиально-про-лювиальные отложения среднечетвертичного возраста, представленные с поверхности лессовидными суглинками палево-желтого цвета, маловлажными, макропористыми, твердыми, мощностью от б,б м до 13,5 м.

На 1-ои участке лессовидные просадочные суглинки залегали на глубину 9,3 м и находились в состоянии естественной влажности и плотности, 2-ай участок находился в непосредственной близости от 1-го, грунты на 2-ом участке перэд началом испытаний замачивались.в течение 16 суток. 3-й участок представлял собой основание строящегося детского сада, лессовые проеадочные. грунты которого были уплотнены методом замачивания и энергией взрывов. В качестве опытного фундамента был использован массивный железобетонный блок размерами 0,76 х 1,01 х 0,70 л и ыаосой 920 кг. Площадь подошвы блока составляла 0,77 м2. Вынужденные вертикальные колебания опытного фундамента возбуждались инерционным вибратором, возмущающая сила которого меняется пропорционально квадрату частоты колебаний. Основные характеристики. вибратора следущие: масса 480 кг,нагсравление колебаний вертикальное, даапозоц изменения частоты колебаний 2-25 Гц, регулируемый момент массы дебалансов 0,222; 0,630; 1,520; 2,160 кгм; максимальное значение возмущающей силы 23 500 Н. Расшифровка осциллограмм динамических испытаний сводилась к определению амплитуд и частот измеренных вибропроцессов. По средним значениям амплитуд и частот для всех съемок были построены резонансные кривые колебания опытного фундамента на трех исследуемых участках. Определение динамических характеристик лессовых грунтов производилось по методике СНнИ 2.02,0&~87. Сравнение полученных упругих и демпфирующих характеристик иаловлажкых лессовых грунтов естественного сложения, увлазшешшх и уплотненных замачиванием и энергией взрывов показало, что увеличение влажности лессовых грунтов приводит к уменьшению значений коэффициентов упругого равномерного сжатия и относительного демпфирования. Уплотнение лессовых грунтов замачиванием и взрывами, способствовало увеличению жесткости основания, значение 'коэффициента упругого равномерного сжатия возросло, а ко-

2. Ионидн С.Д. Динамические свойства лессовых просадочных грунтов г.Ош Киргизской ССР // Материалы республиканской научно-технической хонф.Проблемы защити и строительства зданий и сооружений на просадочных грунтах.-Запорожье:НШСК Госстроя СССР,„1987.-с.100-101.

3. Иониди С.Д. Идентификация динамических характеристик грунтов // Тезисы докладов я республиканской научно-технической конф. в честь 25-лотия КПИ км.С.Лазо.-Кишинев:КПП, 1989.-с.61.'

Подписано в печать 05.02.92 Формат 60x84Печать офс. И-39 Объем I уч.-11зд.л. ' Т.100 Заказ^ Бесплатно

Ротапринт МИСИ им.В.В.Куйбышева