автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние искусственных оснований в нелинейной стадии их работы

ВСЕРОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

На правах рукописи

БУГРОВА

Елена Александровна

няпряженно-деформировянное

состояние искусственных оснований

в нелинейной стадии их ряботы

Специальность 05.23.02 — Основание и фундаменты

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 1992

у

/

Работа выполнена во Всероссийском государственном научно-исследовательском институте гидротехники им. Б.Е.Веденеева.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор И.П.БОЙКО

Официальные оппоненты. - доктор техн.наук, профессор

Р.М.НАЕБУТ

кандидат техн.наук, доцент А.В.ГОЛЖ

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский

институт гидромеханизации, санитарно-технических и специальных строительных работ.

' Защита состоится " " _ 1992 года

в_; часов на заседании специализированного совета

Д.144.03.01 при Всероссийском государственном научно-исследовательском институте гидротехники им.Б.Е.Веденеева по адресу: 195220, Санкт-Петербург, К-220, Вкатская ул., 21, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан " " _ 1992 г.

Учены! секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Т.В.ИВАНОВА.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОШ

Актуальность теш. Интенсивное развитие промышленного я жилищного строительства вызывает необходимость освоения территорий, сложенных слабыми, сильносаимаемымя (глинистыми, торфяными, лессовыш и др.) грунтами. Наряду с этим сейчас остро стоит вопрос сохранения земель, пригодных для сельскохозяйственных нужд, что также вынуждает проектировщиков я строителей использовать участки и площадка, ранее считавшиеся непригодными дай строительства. В этих случаях в качестве мероприятий, позволяющих улучшить строительные свойства грунтов, повысить надежность фундаментов и снизить их материалоемкость, широко применяются основания с введенными (устроенными) в них искусственными грунтовыми и негрунтовыми включениями большей, чем естественные грунты, жесткости и прочности (распределительные подушки, массивы из уплотненного, упрочненного грунта, грунтовые сваи, сваи и армирующие элементы яз различных конструкционных материалов и т.п.).

В крупных городах вез большую значимость приобретают работы по укреплению оснований, реконструкции и усилению фундаментов существующих зданий и сооружений, имеющих значительную художественную и историческую ценность. В этих случаях, помимо указанных выше, все чаще прибегают к способам химического закрепления (силикатизация, смолизация я др.), лозвешшщш создавать в основаниях массивы упрочненного грунта различной, конфигурации и объема.

Создание в основании искусственных включений существенным образом изменяет свойства основания, превращая его в неоднородный геотехнический массив по глубине и в плане.

Эффективное проектирование и строительство в подобных сложных инженерно-геологических условиях неразрывно связано с достоверным прогнозированием развития напряженно-

деформированного состояния (ндс) оснований, возможных осадок и кренов возводимых зданий и сооружений. Применение расчетных схем СНиДа не всегда обеспечивает в этих случаях достоверность получаемых результатов. Существенно разная деформируемость и прочность зон основания с искусственными включениями этими схемами описывается весьма приближенно и поверхностно, баз учета современных достижений механики грунтов. Поэтому актуальной является разработка более современной методики расчета оснований с искусственными включениями, построенной для всех их возможных вариантов на единой основе нелинейной механики упругодластяческай грунтовой среды, и исследование особенностей деформирования таких оснований для выработки рекомендаций по их проектированию. В диссертации эти вопросы решаются, главным образом, применительно к основаниям о искусственными грунтовыми вклинениями (распределительные подушки, массивы уплотненного шш закрепленного грунта и др.), наиболее широко практикуемыми в странах СНГ.

Цель работы - Исследование ндс искусственных оснований с различного рода грунтовыми включениями, существенно большей, чем естественный грунт, жесткости и прочности, с учетом нелинейного деформирования грунтов, развития областей предельного состояния и разработка на этой основе прах тических рекомендаций по расчету и проектированию таких оснований.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- выбрать и обосновать расчетную модель грунтов основания, включая искусственно измененные или внедренные, и подтвердить ее адекватность лотковыми испытаниями и численными расчетами;

- на основе численного эксперимента выявить особенное ти ндс оснований с искусственными включениями при различных уровнях их нагружения;

- на основе теории планирования эксперимента долу-

•чить зависимость для осадки основания, усиленного распределительной подушкой;

- исследовать деформируемость н прочность закрепленного грунта в условиях сложного напряженного состояния;

- для нелинейного условия прочности полгчить выражение упругопластической матрицы ер] и вшолнить численные расчеты оснований с использованием указанного условия прочности и полученной матрицы.

Научная новизна и практическая ценность работы

Исследовано и описано по единой расчетной схеме и методике поведение оснований с искусственными грунтовыми и негрунтовыма включениями, выявлены особенности ндс этих оснований на основе представления грунтов дилатансионной моделью В.Н.Николаевского и ее частными модификациями.

Выполнены систематизированные расчетные исследования ндс оснований, усиленных распределительными подушками, втрамбовыванием щебня и грунтовыми сваями в пробитых скважинах, внедренных на большом числе объектов, и выявлена роль и влияние искусственных включений на деформации оснований.

Получена зависишсть я номограммы для определения размеров распределительной подушш при известном модуле грунта основания и заданной предельно допустимой ддя здания осадке.

Впервые выполнены развернутые исследования деформируемости и прочности химически закрепленного песчаного грунта и получено для него нелинейное условие прочности (параболическая зависишсть в координатах О ).

Для грунта, характеризуемого нелинейным условием прочности, получена матрица , связывающая вектора приращений напряжений и деформаций при упругопластическом состоянии грунта.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертации использованы при исследовании ндс оползневого склона (г.Киев, район Батыевой горы), определения положения и

конструкции противооползневого сооружения в виде стенки из буронабивных свай, цря определении осадок здания школы на I7ii6 учащихся (г.Полтава), основание которой было усилено втрамбовыванием щебня и грунтовыми сваями в пробитых скважинах. Экономический эффект от внедрения составил 25 тыс.руб.

Агтообахидя работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждались на Всесоюзном совещании-семинаре "Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР" (1988), Д Всесоюзной конференция "Использование достижений нелинейной механики грунтов в проектировании оснований и фундаментов" (1989), Республиканской научно-технической конференции "Эффективные фундаменты, сооружаемые без выемки грунта" (1991), 45-ой научно-технической конференции научных сотрудников и преподавателей ЛИСИ (1988), 50-й и 51-й научно-технических конференциях КИСИ (1989, 1990), семинаре на кафедре оснований и фундаментов КИСИ (1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ.

Объем работы. Общий объем диссертации 190 страниц, в том числе 122 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 171 наименований. Имеется одно приложение.

На задиту выносятся:

- методика расчетных исследований оснований с искусствен ними включениями;

- результаты расчетных исследований сильно сжимаемых оснований, усиленных распределительными подушками, втрамбовыванием щебня и грунтовыми сваями в пробитых скважинах;

- зависимости и графики, позволяющие определять оптимальные размеры подушек при заданной допустимой осадке зданий и сооружений;

- результаты исследований деформируемости и прочности химически закрепленного песчаного грунта;

- матрица ер] , связывающая вектора приращений напряжений и деформаций при упруго пла стлч е с ком состоянии закрепленного грунта, характеризуемого нелинейнш условием прочности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы, ее научная новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса, постановке целей и задач исследований.

В начале главы приводится обзор применяемых в настоящее время конструктивных и технологических методов улучшения основании (уплотнение, втрамбовывание грунта, подушки, армирование и др.) и методов химического закрепления грунтов. Все они приводят к образованию в естественном основании искусственных грунтовых или негрунтовых включений (массивов) большей, чем естественный грунт, жесткости и прочности. В разработку методов проектирования и расчета неоднородных оснований с искусственными включениями существенный вклад внесли М.Ю.Абелев-, В.Г .Архангельский, И.П.Бойко, В.Н.Бронин, Я.Д.Гильман, А.В.Голли, Б.ИДалматов, В.Н.Го-яубков, Н.Л.Зоценко, П.А.Коновалов, В.В.Ковтун, И.М.Литвинов, Н.Н.Морарескул, Р.М.Нарбут, О.С.Приходченко, А.М.Сил-юш, С.Н.Сотников, Л.М.Тимофеева и др.

Анализ данных опытов и натурных измерений показывает, что в основаниях с искусственными включениями возможно раз-зитие неоднородного напряженного состояния и появление вследствие этого областей, где грунт переходит в предель-юе состояние, испытывая значительные пластические дефор-лации. В большинстве имеющихся работ, посвященных расчету зсновандй с искусственными включениями, учет указанных особенностей деформирования не осуществлялся, так как притенялись модели линейно-деформируемого грунта, либо теории

предельного равновесия, не обеспечивающие такого учета. Ддя надежного проектирования фундаментов на искусственных основаниях, в том числе с искусственными грунтовыми в шипениями, в нормативной литературе нет пока исчерпывающих рекомендаций .

Кратко рассштрены теоретические и расчетные исследования в области оснований. Как показал анализ, наиболее перспективным является расчет оснований с искусственными включениями в рамках представлений и подходов нелинейной механики грунтов. Значительный вклад в развитие нелинейных моделей и методов, позволяющих существенно уточнить расчеты неоднородных грунтовых массивов и учесть упруго-пластическое деформирование слагающих их грунтов, внесен работами Х.З.Бакенова, И. П. Бой ко, А.К.Бугрова, Е.Ф.Винокурова, С.С.Вялова, А.Л.Гольдина, Ю.К.Зарецкого, А.Л.Крыжа-новского, В.В.Ковтуна, Р.М.Нарбута, М.В.Малышева, А.ВДи-лягина, Ю.И.Соловьева, А.Б.Фадеева, В.Г.Федоровского, Д. Друккера, В.Прагера, А.У.Бишопа, Р, де Борота, И.Вардула-киса, П.Вериеера, К.Роско, А.Скофилда и др. На основании обзора перечисленных работ делается вывод о целесообразности использования для расчета яде неоднородных (с искусственными включениями) оснований смешанной задачи теорий упругости и пластичности, предусматривающей определение напряжений и деформаций в областях допредельного и предельного напряженного состояния. Развитие этого подхода и многочисленные примеры его применения имеются в работах И.Л.Бойко, А.К.Бугрова, М.И.Горбунова-Посадова, С.С.Вялова, М.В.Малышева, Ю.Н.Мурзенко, А.ВДилягина, Г.И.Глушкова и др. Практическая реализация смешанной задачи в большинства работ осуществлялась численными методами, среди которых наиболее эффективным оказался метод конечных элементов (МКЭ), используемый в диссертации для решения поставленных задач.

Вторая глава посвящена выбору расчетной модели и оценке ее точности с точки зрения описания работы основа-

о

0,05

0,1

р. МП а

1 4 В 6 10 и /4

- \

1

РисЛ График зависимости "среднее давление-осадка" 1-ло лотковый испытаниям, 2-ло расчетам ЫКЭ.

а/ а 2 %мпа

Рис.2 Зависимости осадки основания от нагрузки для подуики с размерами 6„=4.7м и к,п- 0,0.Б,1.6,3.2м (кривые 1..4), Ь-однородное песчаное основание,сплои-ные линии-т1> Нл>{, пунктирные-.Л'-#Л^/, штрихпунктир-линейное решение.

следований ндс оснований с искусственными грунтовыми включениями в виде распределительных подушек, массивов из втрамбованного в слабый грунт песка, щебня и грунтовых свай.

Численные исследования проводились МКЭ с привлечением программных комплексов "Грунт" (ЛГТУ), "СУПТ" (ШИИТ им. Б.Е.Веденеева), "Росинка" (КИСИ), реализующих описанные выше варианты расчетной модели грунтов. Решение упругопластических задач МКЭ дает полную картину ндс при сложной геометрии основания, произвольной неоднородности, различных схемах нагружения и позволяет учитывать реальные размеры и форму включений, свойства их материалов.

В работе выполнены систематизированные расчетные исследования ндо слабых оснований, усиленных распределительными подушками из уплотненного песка или щебня. В результате была выявлена роль распределительных подушек в формировании областей предельного состояния грунтов, уменьшении осадок фундаментов (рис.2), изменений очертания и размеров осадочной воронки, распределении напряжений в подушке и в основании.

Для случаев оснований с распределительными подушками и однородных оснований выполнены детальные исследования влияния дилатансии грунтов, характеризуемой коэффициентом далатанели А » на все компоненты ндс основания. Установлено, что влияние А на напряженное состояние значительно слабее, чем на деформации основания. Одновременно показано, что расчет деформаций с использованием ассоциированного закона пластического течения дает удовлетворительные результаты в случае глинистых грунтов, например при У = 10° изменение А от 0,5 ¿ШУ до , т.е.

в 2 раза, дает изменение осадки не более, чем на 10%. В случае песчаного грунта с большим ^ использование ассоциированного закона может при нагрузках р (2-3( Л - расчетное сопротивление) давать занижение осадки в 1,5 и более раз, если реальное значение

Л. существенно меньше, чем Ли* \Р . В случае плотншс песков ассоциированный закон дает вполне приемлемые результаты при определении осадки.

Для оснований, усиленных распределительными подушками, выполнено развернутое исследование влияния соотношения модулей слабого грунта основания и грунта подушки на ндс основания. По результатам расчетов построены графики зависимости осадки основания от нагрузки при различных значениях модулей грунтов подушки £ п и основания Е &р . Пример таких графиков приводится на рис.3. Эти графики позволяют найти оптимальное отношение Еп/Егр , отвечающее допустимой осадке при различных размерах подушки. При этом установлено, что устройство песчаных подушек эффективно для уменьшения осадок при Еп 7/ 20 Ша и при отношении Еп/£гр б* Для этих же оснований с привлечением методов математического планирования выполнен 4-х факторный расчетный эксперимент для выявления зависимэсти осадки от факторов, в качестве которых фигурировали высота подушки , модуль грунта подушки Е п , модуль грунта основания Е зр , нагрузка . В итоге получена зависимость для осадки и построены номограммы, позволяющие определять размеры уплотненной распределительной подушки при заданной допустимой осадке для здания и известном модуле деформации естественного грунта основания.

В качестве реальных примеров расчета неоднородных искусственно усиленных оснований были выполнены исследования ндс основания реакторного блока Балаковской АЭС, усиленного подушкой из щебня, и оснований зданий, усиленных втрамбовыванием щебня в слабый слой природного основания через пробитые скважины. Показано, что численные исследования оснований с искусственными включениями (массивами) на основе упругопластической модели грунтов позволяет в итоге определять оптимальные параметры этих включений, исходя из требований получения допустимых дам сооружения деформаций (осадок, неравномерноегей осадок, кренов и т.п.). Расчеты ее-

Рис.3 Зависимости осадки„основания, усиленного песчаной подушкой /]„ =1,6м, Оп =4,7м от модуля слабого грунта £ 1р и нагрузки (2

' МП а г

) у* /__

Л

1 * за; мл а

Рис.4 Предельные круги напряжений по результатам

испытания закрепленного грунта в стабилометре.

тесхвенних оснований и оснований , усиленных втрамбовыванием щебня л грунтовыми сваями в пробитых скважинах (метод Полтавского ИСИ), подтвердили возможность существенного уменьшения деформаций и повышения несущей способности оснований. В случае рассмотренных оснований за счет усиления слабого слоя этих оснований втрамбованаем щебня осадки согласно расчетов уменьшаются в 1,6 - 1,8 раза (при нагрузках 0,2 - 0,4 МПа), несущая способность повышается в 1,5-1,6 раза.

В четвертой главе рассматриваются основания, содержащие малодефоршруеыне искусственные включения из химически закрепленного грунта, плотного щебня или песка, для которых представляется необходимым учет в расчетах зависимости параметров прочности от напряженного состояния, т.е. учет нелинейной прочности.

К настоящему времени практически отсутствуют опытные данные испытании химически закрепленных грунтов в условиях сложного напряженного состояния, а при расчетах оснований с зонами закрепленных грунтов не учитывается возникновение и развитие областей предельного напряженного состояния в закрепленном грунте. В работе впервые выполнены систематические параллельные исследования деформируемости и прочности химически закрепленного фенолформальдегидной смолой песчаного грунта на приборе трехосного сжатия (стабилометр типа Б), а также в условиях одноосного сжатия и в срезных приборах. Результаты опытов частично показаны на рис.4. Как показали исследования, прочность закрепленного грунта в условиях сложного напряженного состояния характеризуется существенно нелинейным условием прочности - для исследованного грунта вместо линейной вависишсти V от С . Принятие нелинейного условия прочности, отличного от широко используемого условия Кулона-Мора, влечет за собой изменение определяющих связей между напряжениями и деформациями, используемых для пластической стадии деформирования в смешанной задаче теорий упругости и пластичности, реализован-

ной в упомянутых ранее программах "Грунт", "СУПГ" и др. Для грунтов закрепленных массивов, характеризуемых нелинейным условием прочности параболического вида, получена физическая матрица ер] для удругопластического состояния грунта. С использованием полученной матрицы введенное в программу "Грунт", исследовано ндс основания с массивом закрепленного грунта. Показано, что использование линейного условия прочности Кулона-Мора вместо нелинейного, характерного для закрепленного грунта, может существенно занижать расчетные осадки, особенно при больших нагрузках, и одновременно неоправданно завышать несущую способность основания.

Для случая линейного условия прочности Кулона с углом внутреннего трения, зависящим от обжатия грунта (нормального напряжения Ф ), что имеет место при устройстве, например, плотной, песчаной подушки или втрамбовывании щебня, получена также упруго пластическая матрица ер] , дозволяющая учитывать эффект уменьшения у грунтов внутреннего трения с ростом обжатия, отмеченный во многих исследованиях, Как показано в работе, учет этой особенности поведения несвязных грунтов позволяет повысить точность и достоверность расчетов оснований, особенно при повышенных нагрузках на основания.

Пятая глава посвящена внедрению результатов работы.

В качестве примеров грунтовых массивов, для оценки ндс которых применена разработанная в диссертации методика расчета оснований с искусственными включениями, исследован склон в центре Киева (Батыева гора) и рассчитаны осадки здания школы на 1726 учащихся (г.Полтава). В расчетах использовалась модель идеально упругопластического грунта (А = ) при переходе грунта в предельное состоя-

ние по Кулону. Для стабилизации склона Батыевой горы было предложено укрепить его стенкой из буронабивных свай. С помощью расчетов установлено положение стенки, наиболее эффективно удерживающей оползень склона.

Расчетами осадок здания школе, основание которой бы -ло усилено втрамбовыванием щебня и грунтовыми сваями в пробитых скважинах, обоснована эффективность указанных мероприятий и определены необходимые размеры искусственных включений, обеспечивающих допустимые для здания осадки. Последующие натурные измерения осадок в течение двух лет эксплуатации здания подтвердили достоверность расчетов.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований диссертационной работы составил 25 тыс.руб. (в ценах 1991 г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Широко применяемые в строительстве конструктивные методы улучшения оснований и химического закрепления грунтов приводят к образованию в естественном основании искусственных включений (массивов) большей, чем естественный грунт, жесткости и прочности. В результате формируется неоднородное основание с различными свойствами грунтов отдельных зон и включений. Для надежного проектирования фундаментов на таких основаниях в литературе нет исчерпыващих рекомендаций и необходимы дополнительные исследования.

2. В работе предложено учет искусственных включений осуществлять по единой методике, в основу которой положено представление грунтов дилатансионной моделью В.Н.Николаевского и ее упрощенным вариантом - моделью упругоидеально-пластического грунта. Сопоставлением результатов расчетов и экспериментов показано, что принятая модель весьма точно и всесторонне описывает процесс дейормирования оснований с искусственными включениями: расхождение расчетных и опытных осадок и смещений не превышало 10-15$, по величине предельного давления - 4%.

3. Выполнены систематизированные расчетные исследования ндс оснований, усиленных распределительными подушками из песка или щебня. В результате:

- выявлена роль подушек в формировании областей пре-

дельного состояния грунта и уменьшении осадок фундаментов;

- получена оценка влияния дилатансии грунтов на коль

поненты вдс основания;

- исследовано влияние соотношения модулей слабого грунта основания и грунта подушки на осадки фундаментов;

- выполнен многофакторннй анализ и получена зависимость, позволяющая определять размеры подушек для заданной предельно допустимой для здания осадки.

4. Выполнены расчетные исследования оснований, усиленных втрамбовыванием щебня и грунтовыми сваями в пробитых скважинах, внедренных на большом числе объектов Украины. Показано, что за счет усиления слабого основания втрамбовыванием в него щебня расчетные осадки уменьшаются в

1,6 - 1,8 раза, а несущая способность повышается в 1,5 -1,6 раза.

5. Впервые выполнены систематические исследования деформируемости и прочности химически закрепленного песчаного грунта на приборе трехосного сжатия, в условиях одноосного сжатия и в срезных приборах. Установлено, что прочность закрепленного грунта характеризуется нелинейным условием прочности (параболическая зависимость в координатах f ).

6. Для закрепленного грунта, характеризуемого нелинейным условием прочности, получено выражение для физической матрицы, связывающей вектора приращений напряжений и деформаций при ^шругопластическом состоянии грунта. Показано, что использование линейного условия Кулона-Мора вмео-то нелинейного может занижать расчетные осадки и одновременно завышать несущую способность основания.

Основное содержание работы опубликовано в следующих статьях.

1. Деформации слабого основания, усиленного песчаной подушкой. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1987, Jí 7, C.IIQ-II3.

2. Напряженно-деформированное состояние слабого осно-

вания, усиленного песчаной подушкой. - Известия ЕНИИГ, 1988, т.207, с.36-42.

3. 0 влиянии дилатансии грунта на напряженно-деформированное состояние основания. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1988, № 10, с.118-121.

4. Исследования напряженно-деформированного состояния искусственных нелинейно деформируемых оснований. - Тезисы докладов 2-ой Всесоюзной конференции "Использование достижений нелинейной механики грунтов 5 проектировании оснований и фундаментов". Йошкар-Ола, 1989, с.62-63.

5. К вопросу об эффективности распределительных песчаных подушек. - Межвузовский сб. "Численные методы в геомеханике и оптимальное проектирование фундаментов", Йошкар-Ола, 1989, с.81-83.

6. Деформации основания, уплотненного втрамбовыванием щебня в слабый слой его через пробитые скваяины. - Доклады Республиканской конференции "Эффективные фундаменты, сооружаемые без выемки грунта". Полтава, 1991, с.26-28.

ГИП.ВНИИГ.им.Б.Е.ВЕДЕНЕЕВАЛОДПИСАНО К ПЕЧАТИ 21.04.92.УЧ.-ИЗД.1. ЗАКАЗ 206.ТИРАЖ 100. БЕСПЛАТНО.