Несущая способность и осадка оснований фундаментов с учетом длительного и нелинейного деформирования грунтов

Королева, Ирина Владимировна

Основания и фундаменты, подземные сооружения

автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Несущая способность и осадка оснований фундаментов с учетом длительного и нелинейного деформирования грунтов

кандидата технических наук: Королева, Ирина Владимировна
город: Казань
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.23.02
цена: 450 рублей

Диссертация по строительству на тему «Несущая способность и осадка оснований фундаментов с учетом длительного и нелинейного деформирования грунтов»

Автореферат диссертации по теме "Несущая способность и осадка оснований фундаментов с учетом длительного и нелинейного деформирования грунтов"

005002001

Королева Ирина Владимировна

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ОСАДКА ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ ДЛИТЕЛЬНОГО И НЕЛИНЕЙНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТОВ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 НОЯ 2011

Москва 2011

005002001

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мирсаяпов Илизар Талгатович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зарецкий Юрий Константинович

кандидат технических наук, доцент Прошин Михаил Викторович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Защита состоится « 15 » декабря 2011 г. в 14'00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.08 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Зал заседаний Ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Знаменский В Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений возникает необходимость учета влияния длительности действия нагрузок на грунты основания при количественной оценке несущей способности и прогнозе осадок. Существующие аналитические методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов дают значительные расхождения между фактическими и расчетными величинами и требуют дальнейшего развития с более точным учетом пространственного напряженно-деформированного состояния, прочностных и деформационных параметров грунтов, изменения реологических свойств во время длительной эксплуатации зданий и сооружений. Развитие и уточнение методов расчета несущей способности и осадок особенно актуально для оснований, сложенных глинистыми грунтами, для которых учет фактора времени играет существенную роль.

В связи с вышеизложенным, возникает необходимость усовершенствования методики расчета несущей способности и осадок оснований с учетом изменения прочностных и деформационных свойств грунтов в условиях пространственного напряженного состояния при длительном действии нагрузок.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является развитие теории длительной прочности и деформирования глинистых грунтов при трехосном статическом нагружении и разработка усовершенствованных методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтов.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследо-

вания являются:

- выполнить анализ существующих методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном нагружении, имеющихся результатов экспериментальных исследований, расчетных моделей длительной прочности и деформируемости глинистых грунтов при статическом нагружении;

- провести экспериментальные исследования длительной прочности и деформируемости глинистых грунтов в условиях трехосного сжатия по траектории девиаторного нагружения, а также лабораторные и натурные исследования осадок оснований фундаментов;

- разработать расчетную модель длительного нелинейного деформирования глинистых грунтов при трехосном сжатии;

- разработать методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтов;

- провести оценку точности и достоверности предлагаемых методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном статическом нагружении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана расчетная модель длительного нелинейного деформирования глинистого грунта при трехосном статическом нагружении;

2. Получены аналитические зависимости для описания процесса изменения прочности и деформаций глинистого грунта при длительном трехосном статическом нагружении;

3. Разработан усовершенствованный метод расчета осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании грунтов;

4. Разработан метод расчета несущей способности оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании грунтов;

5. Получены новые экспериментальные данные о характере разруше-

ния, прочности и деформациях глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении, развитии длительных осадок оснований фундаментов реального объекта и двух моделей фундамента в лабораторных условиях.

Практическое значение работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны усовершенствованные методы расчета осадок и несущей способности оснований фундаментов при длительном неупругом деформировании глинистых грунтов, полученные на основе предложенной расчетной модели длительного нелинейного деформирования грунта при трехосном статическом нагружении, позволяющие повысить надежность, а в ряде случаев - расчетную несущую способность, и за счет этого получить более экономичные проектные решения оснований и фундаментов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены применением известных законов механики твердого деформируемого тела, механики грунтов, выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и поверенных контрольно-измерительных приборов и оборудования, обеспечивающих достаточную точность измерений при испытаниях, а также достаточной для практических расчетов сходимостью результатов экспериментальных исследований и расчетов по предложенным методам.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформируемости глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении, развития осадок и изменения несущей способности оснований фундаментов при длительном статическом нагружении;

- аналитические зависимости для описания процесса изменения прочности и деформаций глинистого грунта при трехосном длительном статическом нагружении;

- расчетная модель длительного нелинейного деформирования глинистого грунта при трехосном статическом нагружении;

- усовершенствованный метод расчета осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтов;

- метод расчета несущей способности оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтов.

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных статьях (в том числе в 7 публикациях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ).

Личный вклад автора в решение проблемы

Автором проведены все экспериментальные исследования, выполнен анализ результатов полученных данных и выявлены основные закономерности изменения прочности и деформаций глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии, разработана расчетная модель длительного нелинейного деформирования глинистых грунтов при трехосном статическом нагружении, разработаны практические методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании грунтов.

Апробация работы

технической конференции (Казань 2010), Тринадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (Москва 2010), Юбилейной конференции, посвященной 80-летию кафедры механики грунтов, оснований и фундаментов, 110-летию со дня рождения H.A. Цытовича, 100-летию со дня рождения С.С. Вялова (Москва 2010), V—х Денисовских чтениях (Москва 2010), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции», посвященной 100-летию со дня рождения Б.И.Далматова (Санкт-Петербург 2010), Герсевановских чтениях (Москва 2011), 7-ой Всеукраинской научно-технической конференции «Механика грунтов, геотехника и фундаменто-строение» (Одесса 2011), Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь 2011), Международной научной конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва 2011).

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 127 наименований. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включающего 102 рисунка и фотографии, 2 таблицы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Основания, фундаменты, динамика сооружений и инженерная геология» Казанского государственного архитектурно-строительного университета в 2008 — 2011 гг. под руководством советника РААСН, доктора технических наук, профессора Мирсаяпова И.Т., которому автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность за постоянное внимание и помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, приводится краткий обзор содержания диссертации.

В первой главе выполнен аналитический обзор ранее проведенных исследований, в которых установлены основные закономерности достижения предельного состояния и развития осадок оснований фундаментов, разрушения и деформирования глинистых 1рунтов, в том числе с учетом фактора времени, пространственного напряженного состояния и режимов нагруже-ния. Эти вопросы в разное время рассматривали Абелев М.Ю., Березан-цевВ.Г., Бронин В.Н., Вялов С.С., Гольдштейн М.Н., Григорян A.A., Далма-тов Б.И., Егоров К.Е., Жихович В.В., Зарецкий Ю.К., Кравцов Г.И., Криворо-тов А.П., Крыжановский A.JL, Кубецкий B.JL, Ломбардо В.Н., Ломизе Г.М., Максимяк Р.В., Малышев М.В., Маслов H.H., Месчан С.Р., Миндич А.И., Мурзенко Ю.Н., Орехов В.В., Полищук А.И., Пузыревский Н.П., Рассказов Л.Н., Сидорчук В.Ф., Сотников С.Н., Строганов A.C., Тер-Мартиро-сян З.Г., Ухов С.Б., Фабер О., Фадеев А.Б., Флорин В.А., Цытович H.A., Че-кишев В.М., Шейнин В.Н. и другие. Анализ результатов имеющихся экспериментальных и теоретических исследований несущей способности и осадок оснований фундаментов позволяет дать общую оценку современного состояния проблемы, которая заключается в том, что методы, разработанные для однократного кратковременного нагружения, не в состоянии в должной мере учитывать особенности изменения напряженно-деформированного состояния, прочности и деформаций грунтов оснований при длительном действии нагрузки, что приводит к снижению надежности проектных решений.

Во второй главе приведена программа и методика проведения исследований глинистых грунтов в условиях длительного нагружения.

Моделирование основания фундамента выполнено штамповыми испытаниями в лотках с габаритами 1,0x1,0x1,Ом, размеры штампа 40x40x4см.

Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтов в исследуемых зонах сжимаемой толщи основания фундаментов выполнено испытанием грунтов в приборе трехосного сжатия с жесткими штампами, имеющим форму куба с размерами ребра 100 мм, разработанном авторами, позволяющим выполнить независимое приложение усилий в трех направлениях.

Для испытаний применялся искусственно приготовленный глинистый грунт нарушенной структуры с заданными начальными характеристиками: плотность р = \,94г/см*; влажность W = 0,22 ; показатель текучести IL =-0,03; степень водонасыщения S, =0,7; удельное сцепление с = 67,47 кПа ; угол внутреннего трения ^>=2Q6°; модуль общей деформации £ = 23,18 МПа

Для установления влияния режима нагружения и вида напряженного состояния на прочность и деформируемость глинистого грунта проведены экспериментальные исследования 90 образцов при различных режимах длительного трехосного сжатия: сг, > <х2 = сг3 = 80 кПа (режим 1), сг, >сг2 = сг3 =160кПа (режим 2) и сг, >а1 = 160кЯа><х3 = 80к#а (режим 3) при значении параметра Лоде 0 < < -1. На начальном этапе испытаний образцы грунта подвергались всестороннему обжатию ит = сг, = сг2 = а3 в течение 30 минут, для режимов 1 и 3 величина <Jm составляла 80 кПа, для режима 2 - ат = 160 кПа. Затем образцы подвергались ступенчатому девиа-торному нагружению до достижения (сгД и длительной выдержке при различных постоянных для каждого эксперимента значениях (<х,). = (0,6...0,9) ■ (сг1/шД, где а]разр - вертикальное разрушающее напряжение

при кратковременном статическом нагружении.

Для определения влияния режимов нагружения на упрочнение грунтов были проведены дополнительные исследования.

Третья глава диссертации посвящена результатам экспериментальных

исследований глинистых грунтов при длительном нагружении.

По результатами экспериментальных исследований в лотках выявлены характерные зависимости изменения напряжения и деформаций глинистого грунта в основании модели плитного фундамента и построены графики осадки во времени, на которых показано, что деформации с различной интенсивностью развивались на протяжении всего испытания.

По результатам длительных трехосных испытаний построены графики зависимости между средними напряжениями сгт и объемными деформациями между интенсивностью касательных напряжений г1 и интенсивностью деформаций сдвига у1 и между средними напряжениями ат и интенсивностью деформаций сдвига у,, паспорт грунта и паспорт ползучести грунта. Совместный анализ вышеуказанных графиков показывает, что при увеличении средних напряжений и времени действия нагрузки происходит развитие деформаций изменения объема и деформации изменения формы и их взаимовлияние при уплотнении грунта в пределах испытанного объема.

4,-Ю3

- - Режим 3 о2=1бОШа, <й=80кШ 10

Рис. 1. Паспорт ползучести Проведенные исследования позволили установить, что модуль объем-

ных деформаций и модуль сдвига не постоянны не только на этапе девиатор-ного нагружения, но и в процессе длительной выдержки образца под нагрузкой. Уменьшение этих модулей наиболее интенсивно происходит в первые сутки длительного наблюдения. Изменение модуля объемных деформаций составило в среднем 56%, модуль сдвига за первые сутки наблюдений уменьшился на 36%, а начиная со вторых суток наблюдения на 37% и 28% соответственно. В процессе исследований установлено, что скорость развития деформаций ползучести во времени не постоянна, наибольшее значение отмечено в начальный момент наблюдения после приложения максимального значения девиатора, а затем в течение первых суток происходит снижение скорости деформирования до 5 раз, в последующем скорость развития деформаций ползучести стабилизируется.

Экспериментальными исследованиями глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии установлены картина, схема и механизм разрушения опытных образцов.

Рис. 2. а - Схема расположения локальных зон различной плотности в образ. це при трехосных испытаниях 1 — вертикальные уплотненные пирамиды; 2 - уплотненные пирамиды у боковых граней; 3 - зона однородного напряженного состояния; 4 - зона дилатансии; б — Схема напряженного состояния

После разрушения образцов для определения физико-механических характеристик из характерных зон бьши отобраны пробы грунта и установлены основные физико-механические характеристики.

8=1?

локальных зон между уплотненными пирамидами

В результате совместного анализа картины разрушения и схемы расположения локальных зон различной плотности (рис. 2а) можно предположить, что при трехосном сжатии образца грунта возникают различные зоны напряженно-деформированного состояния, т.е. при поэтапном увеличении нагрузки образуются уплотненные зоны в виде пирамид различных размеров и форм в зависимости от режима нагружения: сверху, в нижней части образца и у боковых граней (рис. 2). Деформирование образца происходит за счет движения этих пирамид как жестких тел. В указанных уплотненных зонах не происходит ухудшение физико-механических характеристик грунтов, а наблюдается их улучшение (увеличение плотности в пределах 11%, <р - 88% и с - 138%). Негативные процессы, снижающие физико-механические характеристики грунта, локализуются в зоне между этими «пирамидами» (зона 4 рис. 2а). Визуальное обследование поверхности разрушения показало, что грунт в этой зоне подвергается одновременному отрыву и сдвигу (рис. 2а, 26). После разрушения образца путем отбора проб грунта из локальной зоны 4 зафиксировано снижение плотности до 43%, <р - 45% и с - 67%. В то же время, круги предельных напряжений, построенные по результатам серии испытаний, показывают, что в интегральном объеме при длительном нагру-жении происходит снижение угла внутреннего трения ср в пределах 16%, удельного сцепления грунта с - 6%.

По результатам дополнительных исследований получены функции упрочнения грунта для различных режимов нагружения.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке расчетной модели длительного деформирования глинистых грунтов при трехосном сжатии.

Исходя из результатов экспериментальных исследований, объемную деформацию еу грунта можно представить в виде:

еу=Е°у±е°, (1)

где £у - объемная деформация, при всестороннем обжатии;

¿у - объемная деформация, вызванная воздействием девиатора напряжений.

Учитывая закономерности изменения объемных деформаций, полученные авторами, и результаты опытов С.Р. Месчяна, в соответствии с которыми коэффициент Пуассона в грунтах остается при испытаниях на ползучесть постоянным {у = const), принимаем, что деформации изменения объема и деформации формоизменения развиваются во времени одинаково.

Объемная деформация грунта во времени описывается в соответствии с теорией наследственной ползучести Больцмана-Вольтерра, модифицированной Масловым-Арутюняном применительно к грунтам. Согласно этой теории, полная деформация сдвига или объема при произвольном режиме на-гружения записывается в виде:

где Б (?) и К (?) - модули сдвига и объемных деформаций;

Кг^,т) - ядро ползучести, представляющее собой скорость сдвиговой

деформации при единичном значении интенсивности нагружения;

Ку (?, т) - ядро ползучести, представляющее собой скорость объемной деформации при единичном значении среднего напряжения.

Исходя из анализа результатов экспериментальных исследований, получены ядра ползучести Ку{},т) и Ку(г, г) для грунта при пространственном

напряженном состоянии.

При разработке уравнений деформирования глинистого грунта в пространственном напряженном состоянии учитываются процессы упрочнения (старения) глинистого грунта во времени, для чего вводится функция старения у/({).

+ 777л\КгМ-аХт)-аг,

(2)

\Kv{t,x)-a{y)-dT,

(3)

Исходя из установленной схемы разрушения и зон напряженно-деформированного состояния, предлагается расчетная схема объемного нелинейного длительного деформирования глинистых фунтов с использованием модифицированной модели ^ассоциированного пластического течения В.Н. Николаевского, согласно которой сила сухого трения Кулона отклоняется от площадки предельного равновесия и действует в плоскости чисто тангенциального скольжения физических частиц (рис. 3). Учитывая, что независимо от степени начальной неоднородности напряженно-деформированного состояния элементарного объема грунта разрушение всегда происходит в пространстве главных напряжений, совмещая пространство главных напряжений ег,, сг2, сгъ и пространство главных деформаций ех,ег,е3 и сохраняя принцип коаксиальности тензоров напряжений и скоростей деформаций, принимается, что закон сухого трения Кулона связывает проекции сил, действующих на площадках предельного равновесия на нормаль к площадке скольжения и на нее саму (рис. 3).

странстве X, У, X в произвольный момент времени t в допредельном состоянии (напряжения сгу,тху, т^ условно не показаны); б - Напряженное состояние в элементарном объеме грунта в пространстве главных напряжений на стадии предельного равновесия (напряжения <тъ условно не показаны). Исходя из выше изложенной модели (рис. 3) и результатов экспериментальных исследований, условие длительной прочности при трехосном

сжатии представляется в виде:

4 • [<тг (/) • Дл ■ eos <*,(*)+ xv (/) ■ Ал ■ sin a, (í)] > с, • А,, (4)

где А , =--—рг - площадь поверхности боковых граней вертикаль-

4 eos a2{t)

ных пирамид;

A¡ - площадь поверхности основания вертикальных пирамид;

а, и аг - углы наклона площадки предельного равновесия и площадки сдвига соответственно;

сг„(?)=<х,■l(i)-t(t)+a1-m(í)-rn(í)+a3-n(t)-n{t)+ad(í) ~ нормальные напряжения;

oAt)=-г— • A8d - дилатантные напряжения;

(l+v)-r

tv (í) = S ■ tg<pa (t, т) + с0 (f, г)- касательные напряжения на площадке предельного равновесия.

Таким образом, прочность грунта при длительном трехосном сжатии зависит от изменения угла внутреннего трения rp0(t,r), удельного сцепления с0(/, г) и угла наклона плоскости предельного равновесия a2(t).

Согласно кинетической теории деформирования грунтов, предложенной С.С. Вяловым, Ю.К. Зарецким и др., разрушение наступает, когда степень поврежденности микротрещинами в зоне предельного равновесия достигает критического значения, и снижение прочности грунта во времени происходит, в основном, за счет уменьшения сил сцепления, тогда как угол внутреннего трения меняется незначительно.

Учитывая выше изложенное, и используя расчетный аппарат механики разрушения твердых тел, удельное сцепление между частицами грунта с учетом фактора времени представляется в виде

С5,

где С (/.г,) - мера объемной ползучести грунта,

с0(г,) - начальное значение удельного сцепления грунта при кратковременном нагружении,

- функция упрочнения грунта за счет восстановления водно-коллоидных связей,

А(/,т,) - функция упрочнения за счет восстановления структурных связей грунта при длительном деформировании.

Основываясь на том, что при длительном трехосном сжатии приращение неупругих деформаций происходит в основном на этапах девиаторного нагружения и длительной выдержки, ориентация потенциально возможных площадок предельного состояния (сдвига) в процессе неупругого деформирования определяется в соответствии с формулой

где £?£•,, с1ег, йеъ - приращения главных деформаций;

/, ~(1ех +с1е2 +(1еъ, /2 -¿е^ -с1£2 +с1е2 -с1ел,1ъ -с1ег -<1е}-

первый, второй и третий инварианты приращения деформаций.

Изменение угла внутреннего трения грунта определяется в зависимости от изменения ориентации площадок предельного равновесия при длительном неупругом деформировании, используя уравнение (6), по формуле

= (7)

В пятой главе приведены методы расчета несущей способности и осадки оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном нагружении. В основу инженерных методов расчета осадок и несущей способности оснований при длительном статическом нагружении легли

полученные закономерности изменения деформаций и прочности глинистого грунта при длительном трехосном сжатии. Предложенный подход позволяет с единых позиций рассчитывать несущую способность и осадки оснований фундаментов в зависимости от деформированного состояния грунтов, длительности и режима нагружения и позволяет более достоверно оценивать напряженно-деформированное состояние и несущую способность оснований на всех стадиях нагружения.

В соответствии с действующими нормами проектирования оснований фундаментов, при оценке несущей способности основания расчетное сопротивление под подошвой фундамента определяется по формуле

-Ь-п -П+ -с,, (8)

где Му, , Нс — безразмерные коэффициенты несущей способности грунта под подошвой фундамента, зависящие от угла внутреннего грунта^.

Для грунтов, обладающих реологическими свойствами, угол внутреннего трения #?,(/) и удельное сцепление с,(?) не являются постоянными величинами, а зависят от времени действия и режима длительного нагружения. В расчет вводятся предельно-длительные значения и С[(/) соответствующие моменту времени <=<эя, или (где - время - срок эксплуатации сооружения; - время наблюдения, при котором определяется предельная несущая способность основания). Значения угла внутреннего трения и удельного сцепления определяются по формулам (5 и 7) в зависимости от ориентации потенциально возможных площадок предельного состояния, которая общем случае не постоянна, а изменяется в процессе неупругого деформирования грунта (рис.4) в соответствии с выражением (6).

Тогда безразмерные коэффициенты несущей способности при длительном неупругом деформировании принимают вид

(лг, -1/0,29 + 0,47 • - 2а{1, г)

В основу инженерного метода расчета осадок оснований фундаментов положен метод послойного суммирования с учетом пространственного напряженно-деформированного состояния грунтового массива и длительности действия нагрузки.

Высота сжимаемой толщи определяется по СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений». Значения для эпюр дополнительных вертикальных напряжений по оси фундамента (квадратного штампа) на глубине 2 можно определить по общепринятой нормативной методике. Следует отметить, что для центральной оси вертикальные и горизонтальные напряжения являются главными. Зная компоненты вертикальных напряжений в различных точках^основания, можно определить среднее напряжение ат и интенсивность напряжений сг,. По значениям среднего напряжения и интенсивности напряжений определяем приращения инвариантов тензора деформаций: приращение объемной деформации и интенсивности деформаций.

Условные модули, характеризующие переход из природного состояния основания в состояние в момент приложения местной нагрузки, имеют вид:

Тогда приращение осевой деформации в момент приложения местной нагрузки представляется в виде:

Л<г

А еу '

(10)

А а,

(П)

ЗА£\

. До" . 3Ку-Оу

Д£-2=——Асг—-—(12) Су ЗКУ • Су

Затем учитывается влияние длительности действия нагрузки. Для этого модули (10) и (11) представляются в виде:

Г (Л- А(Т' (14)

где Д,г;(/) = сг -Ку^т) и Лгу(г)= а-Ку((,г) - приращения во времени

нелинейных деформаций изменения формы и объема соответственно.

Приращение осевой деформации ¿-го слоя на этапе длительного нагру-жения в момент времени I определяется по формуле:

Су(() Л(Т ъКу^.Су^Г (15>

Осадка основания, разделенного на равные слои до условной глубины сжимаемой толщи, представляется в виде:

5 = (1б)

Предложенные методы апробированы при проверочном расчете несущей способности и осадок оснований фундаментов 13 опор трубопровода в г.Нижнекамске РТ (фактические значения установлены по данным геотехнического мониторинга). Рассматривались фундаменты, основания которых сложены глинистыми грунтами на всю высоту сжимаемой толщи. Размеры подошвы от 6,0x3,Ом до 7,2 х10,0м, глубина заложения 2,2-2,5м.

Сопоставление результатов расчета с данными геомониторинга оснований фундаментов опор трубопровода показало, что происходит существенное снижение значения предельного критического давления на основание во времени, но при этом конечная величина остается выше фактического давления на основание, принятого при проектировании (рис. 4).

■ Длительное сопротивление,

предложенной методике

»Расчетное сопротивление по СНнП без учета фактора времени

■ Действующее

53 54 60 61 63 66 67 73 75 89 99 104 256 Опо|ш

Рис, 4. Гистограмма сопоставления значений расчетных сопротивлений оснований фундаментов 13 опор по различным методам Сопоставление результатов расчетов с данными натурных наблюдений за осадками оснований фундаментов опор трубопровода (рис. 5) и лотковых испытаний модели фундамента показало хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных.

С,006

да №» 2?«

61 а а. «т 15-

р { ОчорЧ ч

■ ОкгакацрСНвП,» вОедиажпркщдам^^мадлк,« «4>да11<«жикгала1,м

Рис. 5. Гистограмма сопоставления конечных осадок оснований фундаментов 13 опор по различным методам

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В действующих нормах на проектирование оснований фундамен-

тов СНиП 2.02.83 отсутствуют методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного действия нагрузки и нелинейного деформирования грунтов. Методы расчета несущей способности и осадок оснований, разработанные для однократного кратковременного на-

гружения, не в состоянии в должной мере учитывать особенности изменения напряженно-деформированного состояния и прочности грунтов оснований при длительном действии нагрузки и проявлении реологических свойств, что приводит к снижению надежности проектных решений. В связи с этим назрела необходимость в разработке практических методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов.

2. Разработан усовершенствованный метод расчета несущей способности оснований фундаментов. Предложенный метод позволяет рассчитывать несущую способность оснований фундаментов в зависимости от изменения деформированного состояния и процессов самоупрочнения глинистых грунтов, длительности и режима нагружения и достоверно оценивает несущую способность оснований на всех стадиях нагружения.

3. Разработан усовершенствованный метод расчета осадок оснований фундаментов, в основу которого положен способ послойного суммирования с учетом особенностей, обусловленных пространственным напряженно-деформированным состоянием и длительным нелинейньм деформированием глинистых грунтов. Объемные деформации грунта во времени описываются в соответствии с теорией наследственной ползучести в виде суммы деформаций изменения объема и деформаций изменения формы с учетом их взаимовлияния. Предложенный усовершенствованный метод расчета осадок позволяет с высокой точностью оценивать осадки оснований фундаментов при длительном нагружении.

4. В соответствии с предложенной расчетной моделью длительного нелинейного деформирования глинистых грунтов при трехосном статическом нагружении деформирование происходит за счет движения уплотненных пирамид как жестких тел, образованных в верхней и нижней части образца и у боковых граней. В указанных уплотненных зонах не происходит ухудшение физико-механических характеристик грунтов. Негативные про-

цессы, снижающие физико-механические характеристики, локализуются в зоне между этими пирамидами, и грунты в этой зоне подвергаются одновременному отрыву и сдвигу. Девиаторное нагружение и длительная выдержка под нагрузкой сопровождаются возникновением и развитием множества поверхностей сдвига и разрывов сплошности грунта, положение которых меняется во времени.

5. В диссертации предложены аналитические зависимости для описания процесса изменения прочности и деформаций глинистого грунта при трехосном длительном статическом нагружении. Полученные аналитические зависимости в компактной форме учитывают наблюдаемые в экспериментах влияния режима нагружения, величины девиатора напряжений и длительности действия нагрузки на прочность и деформации глинистого грунта при длительном трехосном сжатии. Использование указанных аналитических зависимостей позволяет более точно оценивать несущую способность и осадки оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном статическом нагружении.

6. Выполнены экспериментальные исследования прочности и деформируемости глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии, и на основании результатов этих исследований можно представить следующую схему развития деформаций ползучести и изменения длительного сопротивления грунта разрушению. В зависимости от величины, режима и длительности действия нагрузки в глинистом грунте происходят два взаимно компенсирующих явления - упрочнение, обусловленное залечиванием дефектов и более плотной перекомпоновкой частиц, и разуплотнение, вызванное переориентацией частиц, а также образованием и развитием микро и макротрещин. В случае, когда разрушение начнет превалировать над упрочнением, возникает стадия разрушения и прогрессирующей ползучести, причем эти процессы охватывают не весь объем грунта, а лишь зоны предельного равновесия, где происходит развитие трещин.

7. Разработанные методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (отклонения не более 22%). Их достоверность и надежность подтверждается данными натурных наблюдений за осадками оснований 13 фундаментов опор трубопровода, результатами испытания двух моделей фундамента в лабораторных условиях и 120 образцов грунтов на трехосное сжатие.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:

1. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Исследование прочности и де-формативности глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии. // Известия КГАСУ. - 2009. - №2(12). - С.167 -172.

2. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Экспериментальные исследования физико-механических свойств глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии. // Инженерная геология. - 2010. - №1. — С.57 - б 1.

3. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Исследования механических свойств глинистых грунтов в условиях пространственного напряженного состояния. //Известия КГАСУ. -2010. -№1(13). -С.170- 175.

4. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Физико-механические свойства глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии. // Вестник гражданских инженеров. - Санкт-Петербург - 2011. - №1(26). - С.82 - 87.

5. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Расчетная модель длительного нелинейного деформирования глинистых грунтов при сложном напряженном состоянии. // Известия КазГАСУ. - 2011. - №2(16). - С.121 - 128.

6. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Расчет несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном действии статической нагрузки. // Известия КазГАСУ. - 2011. - №3(17). - С.71 - 78.

7. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Прогнозирование деформаций оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов. // Научно-технический журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов». - 2011. - №4. - С. 16 - 23.

Публикации в других изданиях:

8. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Экспериментальные исследования длительной прочности и деформативности глинистых грунтов при трехосном сжатии. // Современные технологии в строительстве. Теория и практика: международ, научн.-практ. конф., (Пермь, 22-23 сентября 2009 г.). Пермь. Изд-во ПГТУ. - 2009. - С.253-259.

9. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Длительная прочность и дефор-мативность глинистых грунтов при трехосном сжатии. // Труды международ, конф. по геотехнике «Геотехнические проблемы мегаполисов» ГЕОМОС 2010 (Москва, 7-10 июня 2010 г.). Санкт-Петербург. Изд-во ПИ «Геореконструкция» -2010. - С. 1295-1300.

10. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Деформирование анизотропных дисперсных сред при длительном трехосном сжатии. // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии: материалы XV академических чтений РААСН - международ, научн.-технич. конф. Т.2. (Казань, 14-17 апреля 2010 г.). Казань. - 2010. -№1(26). - С.82-87.

11. Королева И.В. Деформирование глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии. // Строительство - формирование среды жизнедеятельности: научные труды Тринадцатая Международ, межвузовская научно-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и докторантов, МГСУ, 14-21 апреля 2010, Москва. -2010. -С.782-790.

12. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Деформирование глинистых грунтов при трехосном сжатии во времени. // Сборник трудов юбилейной конф., посвященной 80-летию кафедры механики грунтов, оснований и фундаментов, 110-летию со дня рождения Н.А. Цытовича, 100-летию со дня рождения С.С. Вялова, МГСУ, 30 сентября 2010 , Москва. - 2010. - С.165-169.

13. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Деформации глинистых грунтов при трехосном режимном длительном нагружении. // Сборник трудов науч-но-технич. конф. «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции», посвященной 100-летию со дня рождения Б.И.Далматова. - 2010. - С.253-256.

14. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Несущая способность и осадки оснований фундаментов при длительном нагружении. // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании: Сборник трудов Международ, научн. конф. (Москва, 19-21 октября 2011 г.); в 2 т. Т.2. / М. : МГСУ, 2011. -С.342-347.

Подписано к печати Формат 60x84/16

Объем уч.-изд.л. Заказ Тираж /¿2?экз.

ПМО КГАСУ 420043, Казань, Зеленая, 1

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Королева, Ирина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ И РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Особенности структуры и физические свойства глинистых грунтов

Прочность и деформируемость глинистых грунтов при длительных статических нагружениях Анализ существующих методов расчета деформации глинистых грунтов при длительных статических нагружениях

Анализ существующих методов расчета прочности глинистых грунтов при длительных статических нагружениях

Анализ существующих методов расчета несущей способности оснований глинистых грунтов при статических нагружениях

Анализ существующих методов расчета осадок оснований глинистых грунтов при статических нагружениях Анализ существующих приборов для проведения длительных испытаний Выводы к главе

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Программа исследований

Методика приготовления образцов и исследуемого грунта 2.2.1. Характеристики грунта (искусственно приготовленного)

2.2.2 Методика приготовления образцов Оборудование и приборы для проведения экспериментальных исследований

Методика проведения экспериментальных исследований 2.4.1. Методика проведения трехосных испытаний

1.8.

ГЛАВА

2.1. 2.2.

2.4.2. Методика проведения дополнительных испытаний

2.4.3. Методика проведения лотковых испытаний 59 2.5. Методика обработки результатов экспериментальных исследований

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Общие сведения. Цели и задачи экспериментальных исследований

3.2. Развитие деформации глинистых грунтов при трехосном статическом нагружении

3.2.1. Развитие деформации глинистых грунтов при кратковременном трехосном статическом нагружении

3.2.2. Развитие деформации глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении

3.3. Характер разрушения и прочность образца при трехосном статическом нагружении

3.4. Модули деформации при трехосном сжатии

3.5. Дополнительные экспериментальные исследования

3.5.1. Прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях одноосного сжатия при кратковременном режимном нагружении

3.5.2. Прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях кратковременного одноосного сжатия при различном времени выдержки образца в форме

3.5.3. Прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях трехосного сжатия при кратковременном режимном нагружении

3.5.4. Прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях кратковременного трехосного сжатия при различном времени выдержки образца в форме

3.5.5. Развитие деформации глинистых грунтов при длительном гидростатическом нагружении

3.5.6. Лотковые испытания

3.6. Выводы к главе

ГЛАВА 4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ

И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ТРЕХОСНОМ СЖАТИИ 116 4.1. Общие положения, основные предпосылки

4.2. Особенности напряженно-деформированного состояния при длительном трехосном сжатии.

4.3. Расчетная модель и уравнение длительной прочности глинистого грунта при длительном трехосном сжатии.

4.4. Уравнение длительного деформирования

4.5. Выводы к главе

ГЛАВА 5 ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ НА ГЛИНИСТЫХ

ГРУНТАХ

5.1 Общие сведения

5.2. Расчет несущей способности основания фундаментов при длительном нелинейном деформировании грунтов

5.3. Расчет осадки

5.4. Практическая реализация методов расчета несущей способности и осадок оснований

5.5. Выводы к главе 5 167 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 169 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение 2011 год, диссертация по строительству, Королева, Ирина Владимировна

В настоящее время при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений возникает необходимость учета влияния длительности действия нагрузок на грунты основания при количественной оценке несущей способности и прогнозе осадок. Существующие аналитические методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов дают значительные расхождения между фактическими и расчетными величинами и требуют дальнейшего развития с более точным учетом расчетной схемы, прочностных и деформационных параметров грунтов, изменения реологических свойств и напряженно-деформированного состояния во время длительной эксплуатации зданий и сооружений. Развитие и уточнение методов расчета несущей способности и осадок особенно актуально для оснований, сложенных глинистыми грунтами, для; которых учет фактора времени играет существенную роль.

В глинистых грунтах напряженно-деформированное состояние меняется со временем, при этом деформации и прочность изменяются в зависимости от траектории нагружения, начальной плотности и влажности, соотношения девиаторной и шаровой частей тензора напряжений, что связано с эффектом стесненной дилатансии.

В грунтах под подошвой фундаментов возникает пространственное напряженное состояние, которое в каждой точке характеризуется компонентами тензора девиатора и шарового тензора, соотношение между которыми различно при переходе от точки к точке основания. В связи с вышеизложенным возникает необходимость усовершенствования методики расчета несущей способности и осадок оснований с учетом изменения прочностных и деформационных свойств грунтов в условиях трехосного сжатия при длительном действии нагрузок.

Цель работы и задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являются: выполнить анализ существующих методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном нагружении, имеющихся результатов экспериментальных исследований, расчетных моделей длительной прочности и деформируемости глинистых грунтов при статическом нагружении; провести экспериментальные исследования длительной прочности и деформируемости глинистых грунтов в условиях трехосного сжатия по траектории девиаторного нагружения, а также лабораторные и натурные исследования осадок оснований фундаментов; разработать расчетную модель длительного нелинейного деформирования глинистых грунтов при трехосном сжатии; разработать методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтов; провести оценку точности и достоверности предлагаемых методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном статическом нагружении.

Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы.

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, приводится краткий обзор содержания диссертации.

Во второй главе приводится программа и методика экспериментальных исследований, описываются характеристики опытных образцов и режимы нагружения образцов.

В третьей главе описываются результаты экспериментальных исследований прочности, деформируемости, характера разрушения глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении.

Четвертая глава посвящена анализу напряженно-деформируемого сжатия глинистых грунтов при статическом длительном трехосном сжатии, а также разработке* расчетной модели длительного нелинейного деформирования глинистого грунта при трехосном длительном статическом нагружении.

В пятой главе приведены методы расчета несущей способности и осадки оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном нагружении и проверка сходимости результатов расчета по предлагаемым методам и экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

5. Получены новые экспериментальные данные о характере разрушения, прочности и деформациях глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении, развитии длительных осадок оснований фундаментов реального объекта и двух моделей фундамента в лабораторных условиях.

Практическое значение работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны усовершенствованные методы расчета осадок и несущей! способности оснований фундаментов при длительном неупругом деформировании глинистых грунтов, полученные на основе предложенной расчетной модели длительного нелинейного деформирования грунта при трехосном статическом нагружении, позволяющие повысить надежность, а в ряде случаев - расчетную несущую способность, и за счет этого получить более экономичные проектные решения оснований и фундаментов.

На защиту выносятся:

Публикации

Личный вклад автора в решение проблемы.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на ежегодных Республиканских конференциях (Казань 2009 - 2011), V и VI Общероссийских конференциях изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва 2009, 2010), Конференции по геотехнике, «Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения» (Санкт-Петербург 2010), Международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы мегаполисов» ГЕОМОС 2010 (Москва 2010), XV академических чтениях РААСН -международной научно-технической конференции. (Казань 2010), Тринадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов^ и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» (Москва 2010), Юбилейной конференции, посвященной 80-летию кафедры-механики грунтов; оснований', и фундаментов, 110-летию со дня рождения H.A. Цытовича, 100-летию со дня рождения С.С.Вялова (Москва 2010), V-x Денисовских чтениях (Москва 2010), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных1 задач нового строительства и реконструкции», посвященной 100-летию со дня рождения Б.И.Далматова (Санкт-Петербург 2010), Герсевановских чтениях (Москва 2011), 7-ой Всеукраинской научно-технической конференции «Механика грунтов, геотехника и фундаментостроение» (Одесса 2011), Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь. 2011), Международной научной конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ' «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва 2011).

Объем работы

Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включающего 102 рисунка и фотографии, 2 таблицы, список литературы из 127 наименований.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Основания, фундаменты, динамика сооружений и инженерная геология» Казанского государственного архитектурно-строительного университета в 2008 - 2011гг. под руководством советника РААСН, доктора технических наук, профессора Мирсаяпова И.Т., которому считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за постоянное внимание и помощь в работе.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ И РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Особенности структуры и физические свойства глинистых грунтов

Глинистые грунты, представляют трехфазную пористую систему, все фазы которой находятся в определенных взаимоотношениях.

Глинистые минералы обуславливают физико-химические свойства глинистых грунтов и подразделяются на минералы с жесткой кристаллической решеткой, раздвижной и ее промежуточным типом. К основным глинистым минералам с жесткой кристаллической решеткой относятся минералы группы каолинита, с раздвижной — монтмориллонита, а к промежуточному типу - гидрослюды.

Вода в глинистых грунтах, в зависимости от степени их увлажненности, по А.Ф.Лебедеву [35], может находиться в виде водяного пара, гигроскопической, пленочной, гравитационной и химически связанной воды, а также в твердом состоянии (лед).

Размеры твердых минеральных частиц глинистых грунтов изменяются в широких пределах. Наряду с крупными (пылевидными, песчаными и более крупными) существуют мельчайшие глинистые частицы, размеры которых измеряются тысячными долями миллиметра. Частицы грунта, размеры которых по шкале Стокса составляют менее 0,002мм, называются глинистыми. Частицы размером менее 0,0001мм называются коллоидами.

На свойства глинистого грунта наиболее сильное влияние оказывают глинистые фракции (в особенности коллоидные), которые отличаются от более крупных размером, минеральным составом, формой и свойствами. В формировании свойств существенную роль играют весьма малые размеры глинистых частиц и из-за этого большая их удельная поверхность и большие значения сил молекулярного притяжения между частицами.

Особенностью глинистых грунтов является их способность оказывать сопротивление растягивающим усилиям, обусловленная наличием структурных связей (сцеплением) между частицами. Прочность связей между частицами глинистого (связного) грунта по сравнению с прочностью минеральных частиц очень мала, следовательно, основным фактором, обуславливающим прочность грунта, является прочность его структурных связей. Изучение структурных связей важно для изучения природы прочности и деформируемости глинистых грунтов. К. Терцаги [124] считал цементом всех глинистых грунтов коллоидные компоненты, от состояния которых зависят физические I свойства глин.

Прочность структурных связей глинистого грунта изменяется под действием естественных факторов и инженерной деятельности человека. В каж-< дом конкретном случае прочность глинистого грунта обусловлена состоянием плотности, влажности и структурной прочности грунта в данный момент времени. Доказательством влияния инженерной деятельности человека на величину прочности структурных связей глинистых грунтов может служить изменение прочности в результате нарушения естественного сложения при всех остальных равных значениях влажности и плотности.

После нарушения естественного сложения грунта начальное сцепление (прочность структурных связей) восстанавливается не полностью.

В результате физико-химических и других процессов сцепление глинистых частиц постепенно возрастает. Дополнительное упрочнение связей между глинистыми частицами во времени при отсутствии уплотнения Н.Я. Денисов [35] назвал сцеплением упрочнения. Оно проявляется в тех случаях, когда кроме сил вторичной валентности (межмолекулярных), катионно-анионных и водородных связей оказывают влияние также силы первичной валентности (химические связи), проявляющиеся при небольших расстояниях между атомами. В возникновении сцепления упрочнения большую роль играют физико-химические процессы на границе раздела твердой и жидкой фаз. Особое значение имеют адсорбированные на поверхности грубодис-персных зерен коллоидные оболочки (пленки), которые в течение времени застудневают и прочно склеивают более крупные частицы грунта [35].

Структуру глинистого грунта изучали В.М. Гольдшмидт, В.Д. Ломтад-зе, А.Н. Заварицкий, М.М. Филатов, В.А. Приклонский, Е.М. Сергеев, С.А.Захаров, Р.В. Максимяк.

На важность влияния структурной прочности на прочностные и деформационные свойства глинистых грунтов указывали Г.И. Тер-Степанян [98], С.А. Роза [80], Н.Я. Денисов [35], В.А. Приклонский [78], В.Д. Ломтадзе [35], И.М. Горькова [26], М.Н. Гольдштейн [25], H.A. Цытович [106], С.Р. Месчян [70, 72].

Прочность связных грунтов определяется величинами межчастичных связей, нарушение которых может происходить при деформировании грунта в результате его сжатия, отрыва или сдвига.

1.2. Прочность и деформируемость глинистых грунтов при длительных статических нагружениях

Глинистые грунты обладают явно выраженными реологическими свойствами,, которые проявляются в виде ползучести, релаксации напряжений и снижения прочности при длительном действии нагрузок.

Впервые ползучесть глинистых грунтов исследована К. Терцаги [124] в 1925 г., а первые исследования длительных деформаций сдвига пылевато-глинистых грунтов выполнены в 1932-1933 гг. H.H. Масловым [62, 64]. Значительный вклад в теорию ползучести и длительной прочности внесли отечественные и зарубежные ученые: Н.П. Анахов [3], С.С. Бабицкая [20], С.С. Вялов [14, 15, 16], М.Н. Гольдштейн [24, 25], С.Э. Городецкий [20], С.Е. Гре-чищев [30], Р:Э. Дашко [57], Н.Я. Денисов [35], В.В. Жихович [40], Ю.К. За-рецкий [42-44], Я.Л. Коган [99], Г.М. Ломизе [20], Р.В. Максимяк [58],

С.Р. Месчян [65, 72], H.H. Маслов [62, 64], В.А. Мизюмский [99], С.Е. Моги-левская [74], Н.К. Пекарская [17], С.Н. Сотников [100], A.C. Строганов [84, 88], Г.В. Сорокина [99], З.Г. Тер-Мартиросян [92, 95, 97], Г.И. Тер-Степанян [98], А.Я. Туровская [99], В.А. Флорин [105], H.A. Цытович [106], Г.М. Ша-хунянц [99] и др., а также: А. Бишоп [112], Л. Бьеррум [113], Е. Гезе [114], Р. Гиббсон [90], К. Давенпорт [90], А. Казагранде [90], С. Мурояма [75], И. Саито [82], Н. Симоне [123], А. Скемптон [123], Тан Тьонг-Ки [114], К. Терцаги [124], Г. Тидеман [125], Д. Троллоп [126], X. Уезава [82], С. Уил-сон [127], Д. Хенкель [115], А. Хейм [127], Р. Хефели [120], Н. Чен [118], Т. Шибота [75], Л. Шукле [108] и др.

Результаты многочисленных экспериментальных исследований глинистых грунтов при длительном нагружении [17, 20, 26, 30, 46, 65, 66, 69, 70, 72, 75, 95 99] показали, что для таких грунтов характерны классические диаграммы развития деформаций ползучести, имеющие затухающий характер при малых напряжениях и незатухающий при больших значениях напряжений (рис. 1.2-1.4).

В начальных этапах при исследовании реологических свойств глинистых грунтов отдельно изучали деформации ползучести при уплотнении и деформации ползучести при сдвиге. к в А-- £ й У с --- 1 - Г 1 1 1 1 1 р < / / і > | 1 II І НІ і 1 1 І 1 1 1 -►

Рис. 1.3. Кривая незатухающей ползучести (схема)

Деформации ползучести при одномерном уплотнении использовали при решении задач прогнозирования осадок оснований зданий и сооружений, а деформации ползучести при сдвиге - в задачах по прогнозированию длительной устойчивости грунтовых массивов и их перемещений.

С.С. Вялов [20], А.Л. Гольдин [21], Ю.К. Зарецкий [48], С.Р. Месчян [72], Г.В. Сорокина [99] отмечают, что такое разделение не всегда оправдано. Это связано с тем, что в общем случае под подошвой фундаментов возникает пространственное напряженное состояние, которое в каждой точке характеризуется компонентами тензора девиатора StJ и шарового тензора <УЦ, соотношение между которыми различно при переходе от точки к точке основания, а в условиях сложного напряженного состояния деформации, изменения объема и деформации изменения формы глинистых грунтов вызваны как всесторонним обжатием, так и девиаторным нагружением.

В связи с этим в начале шестидесятых годов прошлого столетия начались исследования реологических свойств глинистых грунтов в условиях сложного напряженного состояния, при которых деформации подразделялись на деформации изменения объема и деформации изменения формы. Исследованиями С.С. Вялова [20], Ю.К. Зарецкого [48], Г.В. Сорокиной [99] установлено, что в этом случае стадии деформирования и деформации ползучести существенно зависят от соотношения тензора девиатора Sy и шарового тензора сги.

Диаграмма длительного деформирования грунтов, а также условное деление деформаций ползучести на различные стадии тесно связаны с изменением прочности при длительном нагружении. Экспериментальные исследования Н.П. Анахова [30], К. Терцаги [124], X. Тидамана [125] показали, что развитие ползучести сопровождается изменением прочности грунтов во времени.

Исследованиями С.С. Вялова [20], М.Н. Гольдштейна и сотрудников [24], Ю.К. Зарецкого [48], A.M. Скибицкого [14, 83], С.Е. Могилевской [74], Н.К. Пекарской [45], Е.И. Кабахидзе и соавторов [51], Г.В. Сорокиной [99], С.Р. Месчяна [66], а также Д. Митчела [121], И. Саито и др. [82], Л. Бьеррума и др. [113], А. Бишопа и Д. Хенкеля [112], Д. Троллопа и К. Чена [126] и многих других установлено снижение прочности глин ненарушенной и нарушенной структуры от твердой до текучей консистенции, которая изменялась во времени от условно-мгновенного максимального значения (г0) до предельно-длительного минимального (тт) (рис. 1.5, 1.6)

Рис. 1.5. Кривая длительной прочности (схема) схема)

Результаты экспериментальных исследований С.С. Вялова [20], Г.В. Сорокиной [99], J1. Шукле [108] показывают, что прочность грунта во времени снижается в основном за счет уменьшения сил сцепления, тогда как угол внутреннего трения меняется незначительно. Эффект снижения прочности грунтов при длительном нагружении в проявлении ползучести был подтвержден также натурными исследованиями А. Скемптона [123], Д. Хенкеля [115], Л.Шукле [108].

С.С. Вялов и Н.К. Пекарская [16] проводили экспериментальные исследования на чистый сдвиг искусственных образцов юрской глины батбайо-ского горизонта. Грунты обладают высокой дисперсностью и пластичностью, содержание фракций крупностью 0,005мм составляет 56%, влажность fV = 32% при WL = 48% и WP = 26% . Условно мгновенная прочность тs при быстром (0,5-1 мин) загружении составляет 0,167-10" кПа. При напряжениях г < 0,575 ts деформации грунта были затухающими, а при т > 0,575 ts развиваются незатухающие деформации ползучести с последующим разрушением образца грунта. При этом необходимо отметить, что переход от затухающей к незатухающей ползучести был вызван увеличением напряжений всего на Аг = 0,015 rs.

С. Мурояма и Т. Шибота [75] проводили испытания образцов ненарушенной структуры. Аллювиальная пластичная глина (г. Осака) имела следующие характеристики: влажность W = 65% при W, = 63 - 83%, степень во-донасыщения Sr = 1. По результатам испытаний образцов глины на сжатие под постоянными напряжениями, равными 0,63 0,9 • ts (г^ = 0,9 • 102 7<77<я), можно отчетливо выделить три стадии деформирования при незатухающей ползучести.

O.F. Диасамидзе [62] проводил на срезном приборе экспериментальные исследования на сдвиг. К образцам глинистого грунта прикладывалась нагрузка 0,4 4- 0,55 г5. При величине сдвигающей нагрузки т - 0,4 ts деформации носили затухающий характер, а при г > 0,4 ts развилось пластично-вязкое течение, прогрессирующая стадия которого привела к разрушению образца.

При исследовании лессового грунта ненарушенного сложения на срезном приборе под водой при <Jn = 100 кПа С.К. Алиевым [62] было установлено, что при т < 0,73 ts деформации затухали, а при т > 0,73 rs развиваются незатухающие деформации ползучести. Условно-мгновенная прочность грунта ts при этом составила 0,75 ЛО2 кПа. Следует отметить, что испытываемый образец грунта после полного водонасыщения подвергался воздействию уплотняющей нагрузки сг, = 100кПа. В естественном состоянии лесс имел влажность W = 9,3% при WL =31,2% и WP =20,8%.

В.Г. Сорокина и A.C. Строганов. [99] проводили испытания на трехосное сжатие илистого грунта нарушенной структуры. Исследуемый ил в естественном состоянии содержал до 9 % гумуса, при WL =120% и WP =51%. Предварительно уплотненный грунт в, процессе испытаний подвергался различным значениям напряжений г, (величина Tt принималась как доля от условно-мгновенной прочности г ; ts = \,\6Л02кПа). Значение среднего нормального напряжения в течение всего времени проведения эксперимента оставалось постоянным <тт = 1,0-102к/7л. В зависимости от величины соотношения значений девиатора напряжений и всестороннего давления деформации имели как затухающий, так и незатухающий характер, прогрессирующая стадия последнего привела к разрушению образца.

В ряде случаев прогрессирующее течение, сопровождающееся возрастанием скорости деформаций, является следствием возникновения незатухающей ползучести.

Е. Гезе и Тан Тьонг-Ки [114] проводили экспериментальные исследования на скручивание полых цилиндрических образцов иллитовой глины. Грунты имели пластичную консистенцию, содержание фракций крупностью менее 0,002 мм составляет 50 %, влажность W = 47,5% при WL =93,5% и

Wp = 27,4%. Течение с постоянной скоростью устанавливалось через небольшой промежуток времени (не более 10 часов). Сдвигающая нагрузка составляла от 0,2 т5 до 0,8 гл. Величина т5 определена как кратковременная (10 минут) разрушающая прочность.

С.Р. Месчян [64] проводил серию опытов на приборе кольцевого сдвига. Исследуемый суглинок имел следующие характеристики: влажность IV = 26,5% при =31,3% и РГр =18,6%. Образец грунта подвергался воздействию крутящего момента и осевого давления, величина которого составляла сг = 2,0-102к/Та. Сдвигающая нагрузка составляла от 0,8 тст до 0,9 тст (величина тст является стандартной прочностью, определяемой согласно методике медленного среза [27], полученное значение составляет 80% от условно-мгновенной прочности ). Согласно результатам-проведенных испытаний было установлено, что деформации ползучести имели затухающий характер или протекали с установившейся скоростью (стадия установившегося1 течения).

Снижение прочности грунтов, изменяющейся во времени от условно-мгновенного максимального значения г0 до предельно-длительного минимального было установлено С.С. Вяловым [20], Д.М: Ахпателовым [4, 99], С.Р. Месчяном [66], М.Н. Гольдштейном с коллективом сотрудников [23, 24], Д. Митчелом [121], Л. Бьерумом [113], А.Бишопом и Д. Хенкелем [112] и, другими.

1.3. Анализ существующих методов расчета деформации глинистых грунтов при длительных статических нагружениях

Инженерные методы расчета деформации глинистых грунтов, обладающих реологическими свойствами, с учетом фактора времени, включают в себя расчет на ползучесть, который в общем виде сводится к определению нагрузки, при которой деформации ползучести и/или их скорости в данный момент времени не превышали бы допустимого значения. Если величина напряжений в грунте будет меньше критического значения (предельно-длительного) деформации будут стабилизироваться и ползучесть приобретет затухающий характер, а при больших значениях т деформации ползучести будут прогрессировать (приростать).

Вопросами разработки методов расчета длительной деформации грунтов занимались В.А. Флорин [105], С.С. Вялов [20], М.Н. Гольдштейн [24], A.M. Скибицкий [99], С.Р. Месчян [72], Ю.К. Зарецкий [43], Л.Н. Рассказов [22], З.Г. Тер-Мартиросян [97] и др.

С.С. Вяловым, A.M. Скибицким [99] предложено выполнять расчеты деформаций на основе теории пластичности с добавлением условия, учитыj вающего изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива во времени, т.е. связать интенсивность напряжений, интенсивность деформаций и их скорости, при этом значения предполагалось определять по результатам испытаний на трехосное сжатие r(t) = + cp{T)\ K(t)dt = Г0+ Т& J K(t)dt, (l.l)

Ц) о о

Для затухающей ползучести K(t) принимается различными авторами (В.А. Флорин [105], С.С. Вялов [99], A.M. Скибицкий [99], М.Н. Гольдштейн [24]) в виде гиперболической или экспоненциальной функции или комбинированно. Учет изменения уплотняемости грунтов в процессе деформирования, ползучести скелета грунта и фильтрации был предложен С.Р. Месчяном [71].

Учитывая, что скорость течения сдвига для связных грунтов зависит от нормального напряжения, и приняв за основу закон Кулона, С.Р. Месчян [67,

71] предложил определять деформацию ползучести грунта при сдвиге у (t) п по выражениям: уравнение нелинейной сдвиговой ползучести

- G){t)'F

1.2)

Gz ' tg<P + C соотношение теории наследственной ползучести

Г, (t, т, <т z ) = (Dit, О", ) • /(г, <TZ ) = <p(<rj- y/(t) ■ f(T, <тг). (1.3)

В.В. Жихович [40] предложена методика определения скорости и деформации ползучести в, глинистого грунта на любой момент времени

Yj'tj = урш tр, (1-4)

• • где ут и у р - скорости деформации;

S s tT и tp — время наступления этих деформаций; dt.

1.5)

Основываясь на теории наследственной ползучести, применяя нелиг нейное уравнение <р(/(г)] = ) +1 К{{ — у) • т{у)с1у , связывающее деформацию у с напряжением т в любой момент времени t ; функцию q>{y) =

GrX

О b.î

Ts+G0r у и ядро ползучести K(t - v) = —-^¡2", A.A. Бартоломей, Г.Б. Кузнецов и

Б.С. Юшков [5] предложили дробно-линейное ядро ползучести представить в виде r(t)=Tsi xGo'Vs

1 + Г(^-1). г r t-t{ л iT+t^T+tl l + T(ö-l)f t-t то(0( y т+ф+ty г0(/,)

-1 ' где r0(tx)=T{ô-\)-a

Г,

T + tx In

КТ T

1.6)

G0 — начальный модуль сдвига; ts — предел текучести, определяемый по результатам кратковременных испытаний;

8 и Т — эмпирические константы, получаемые из опытов на ползучесть.

Простейший вид ядра ползучести, экспериментально установленный для дисперсных глинистых грунтов при компрессии, имеет вид [106]

1.7) и при сдвиге xjrxx{t-t0\ (1.8) где д, дх, х, Х\ — параметры ползучести, определяемые опытным путем. Меру ползучести грунта, не обладающего предельным напряжением сдвига, С.Р. Месчян [68] описал соотношением o)\t - т, crс (г)1 = —г----г-гп,

Щ~Г,С7ср{т)\ в знаменателе записана функция, выражающая закон изменения коэффициента вязкости от состояния грунта.

Для случая нелинейной ползучести и переменной во времени нагрузки деформации грунта предложено определять из выражения

Г, Сер М] = Ы'~ г, о-ср (т)] • F[q, (т), стср{т )]rfr, (1.17) т где Q[t-T,CT (т)]=-г---рп.

Для случая неярко выраженных деформаций течения при возможности пренебрежения старением и изменением состояния материала процесс ползучести сдвига можно описать по теории упруго-ползучего тела (1.18), старения (1.19) и упрочнения (1.20) r,n(t) = 5Ffa,)ei(t-T)dT, (1.18) т

7n(t) = Atmq[\ (1.19) т

1.20)

Ю.К. Зарецким [43] было предложено описывать процесс развития во времени вязко-пластических деформаций грунта, основываясь на том, что скорость деформаций пропорциональна разности между приложенным сдвиговым напряжением и напряжением, которое соответствует той же деформации в стабилизированном состоянии

•Г^Ь^ИЙС 0-21) где 77 — коэффициент вязкости, определяемый по результатам эксперимента.

Уравнение для вязко-пластических деформаций грунта в допредельном состоянии для глинистых грунтов с числом пластичности 1р > 0,2 предложено в виде г = (1.22) где таа=Са} + <уп • tgф<Xl (С* — предельно длительное сцепление; (рга — предельно длительный угол внутреннего трения); ф{уУр} = ^у*+в уур\ (У* ~ величина разрушающей деформации.

Для грунтов с числом пластичности 0,09 <1р <0,2, обладающих значительным внутренним трением и проявляющих свойство дилатансии при сдвиге), справедливо выражение

Т = [аг т, >00 +. (1 - ау) • т, ] ■ ф{уУр), (1.23) где - функция, зависящая от накопленных значений вязкопластических деформаций сдвига.

Данные различия, по мнению Ю.К. Зарецкого, объясняются различием в характере контактных связей, т.е. наличием невосстанавливающихся хрупких цементационных связей в грунте.

В статье [94] З.Г. Тер-Мартиросян и H.A. Цытович отмечают, что протекание осадок уплотнения глинистых грунтов во времени существенно зависит от деформаций ползучести скелета грунта, обусловленных пластическими изменениями структуры грунта и сдвигами пленок прочносвязанных водно-коллоидных оболочек частиц, и предлагают для одномерной задачи уравнение состояния скелета грунта д s{t) = б{тх)- ait)-ô(tx,t)+\сг(т)—а(ц, т)с1т, ( 1.24) где cc{t,т)- амг + авт[l — ] — изменение пористости к моменту времени t; аиг — изменяющийся во времени коэффициент пористости грунта; авт ИТ] — параметры ползучести скелета грунта, при этом ант рассматривается как коэффициент вторичного уплотнения.

М.Н. Гольдштейн [24] предложил учитывать переориентацию частиц при длительном действии нагрузки и представить скорость деформации через время после начала ползучести

00 vt=p-\N-{aa,t)'f{cTaydcTa, (1.25) о где N{p-a,t) - число частиц с напряжением активации в интервале от оа до <та+derа через время t после начала ползучести; сга) - вероятность того, что за время df произойдет перемещение частицы с напряжением активации <ja ; р — приращение деформации ползучести за счет ориентировки одной частицы.

Под напряжением активации понимается напряжение, необходимое для поворота и смещения частицы относительно соседних.

В статье [19] С.С. Вялов и Хамед Аамер Шейб, основываясь на результатах испытаний глинистых грунтов на установке трехосного сжатия стаби-лометрического типа, предложили уравнения для затухающей ползучести =£(<гя>т„0, (1.26)

Г, =

A*'[l + *jHl V и для установившегося течения

-(l + lni), (1.27)

-,/ L -t, при 0<t<tm, (1.28) V

Sil где А — параметр условно-мгновенного деформирования при чистом сдвиге;

Н = const-,

7] - коэффициент вязкости; г, - величина сдвиговых напряжений; er т — среднее нормальное напряжение; от ту - длительная прочность при чистом сдвиге.

1.4. Анализ существующих методов расчета прочности глинистых грунтов при длительных статических нагружениях

В существующей литературе различают следующие значения прочности: условно-мгновенная, длительная прочности и предел длительной прочности. Первая показывает предельное значение прочности, которое характеризует сопротивление материала быстрому разрушению, вторая определяется напряжением, вызывающим разрушение материала за заданный промежуток времени, предел длительной прочности показывает напряжение, являющееся границей между затухающей и незатухающей ползучестью.

Расчет на длительную прочность грунтов (по предельному напряженному состоянию) заключается в определении предельной (разрушающей нагрузки), при которой напряжения в данный момент не превосходят длительной прочности грунта, и производится с учетом ползучести, т.е. по условию предельного состояния, но с учетом фактора времени, т.е. с учетом переменности во времени параметров ср и с

1.29)

При этом при расчете на предельно-длительную прочность возможность появления незатухающей ползучести исключается [106].

Ю.К. Зарецкий [43] описал вязкое течение грунтовой среды уравнением т = {cl+crn.tg(pa)+71^fp, (1.30) и предложил уравнение стабилизированного состояния для глинистых грунтов с числом пластичности «/' < 0,2 = к • + (!-<*/)• <\ф{гур\ (1.31) где (Ху - функция, зависящая от накопленных значений вязко-пластических деформаций сдвига, т*оа=а/- + (1 — а у)- т*г - предельно-длительная прочность.

Критерием длительной прочности принимается т* = т*^

Математическое ожидание числа дефектов структуры глинистого грунта

М(М) = М0 ехрЦ [т - < ■ ф{г )]• ^ - , (1.32) где т^ = а у ■ т*/гл + (1 — а^)'Т*г - предельно-длительная прочность; Ы{) - начальное число дефектов структуры грунта; цг - функция, характеризующая неоднородность стохастического процесса образования дефектов структуры.

1 —

В работе [42] Ю.К. Зарецким рассмотрено разрушение геоматериалов при реализации механизма среза, сопровождающегося развитием пластических деформаций сдвига, и механизма отрыва, наступающим при достижении упругой деформацией предельной величины и предложено объединенное условие прочности сг' = С' - к' • <т, (1.33) где ст. - предельное значение интенсивности напряжений сдвига (второй вариант девиатора напряжений); т — среднее гидростатическое давление (первый инвариант тензора напряжений);

С* и к* - сцепление и тангенс угла внутреннего трения на октаэдриче-ской площадке сдвига (с0Кт,к*0кт).

Реологическое уравнение. состояния, отображающее связь между ин-тенсивностями напряжений сг, и деформаций б1 , средним давлением сгт и временем ^, предложено С.С. Вяловым [15] 9х (е,) • (0 + <Р2 (в,)■ Ф(<г)• Рг (0. (1-34)

1-35) где первое слагаемое отображает сопротивление чистому сдвигу, а второе - влияние во времени среднего давления, повышающего сопротивление сдвигу, = А0 • (?) и В{{) = В0-К\ (/) - переменные во времени параметры, вид которых устанавливается из опытов, а А0 и В0 их значения при t = 0. При этом указывается, что в процессе ползучести предельное сопротивление сдвигу тх и угол трения у/5 будут уменьшаться.

С.С. Вяловым, Н.К. Пекарской и Р.В. Максимяк [17] предложен механизм разрушения глинистых грунтов и выражения, описывающие снижение прочности во времени, обусловленное развитием трещин. Для постоянных значений касательных напряжений и неизменных свойств грунта

1.36)

V "V

I /{т)ж = | л{™)с1м> = с,

1.37) о где а (-и>) - параметр, зависящий от структуры грунта; и \\>пр — плотность трещин в начальный момент времени и в момент разрушения tp; с - постоянная величина, константа грунта, определяющая условия его длительного разрушения.

1.5. Анализ существующих методов расчета несущей способности ос

Под несущей способностью грунта основания понимают такую нагрузку, при которой основание теряет свою устойчивость. В основу методик расчета несущей способности заложена теория предельного равновесия сыпучих сред, основа которой была заложена в трудах Ш. Кулона (1773) и В. Ренкина (1859). В дальнейшем на теорию оказали влияние работы Л. Прандтля, Ф. Кеттера, Г. Рейснера и др.

Существенный вклад в развитие теории предельного равновесия внесли В.В. Соколовский [87] и С.С. Глушкевич [87], которые рассмотрели плоскую задачу теории предельного равновесия сыпучей среды и сформулировали замкнутую систему из трех уравнений относительно напряжений. Практические рекомендации по решению данных задач дал В.А. Флорин [105]. Применительно к теории осесимметричной задачи теорию предельного равновесия сыпучей среды рассмотрел В.Г. Березанцев [6], для чего им было введено предположение о равенстве двух главных напряжений между собой в предельно напряженной сыпучей среде. Смешанную упругопластическую заданований глинистых грунтов при статических нагружениях чу решал A.K. Бугров [12]. Следует отметить работы М.В. Малышева [59, 60], A.C. Строганова [89] и других ученых.

Основным параметром, характеризующим исчерпание несущей способности грунтов основания, является предельная критическая нагрузка ри. Впервые выражение для определения ри в предположении невесомости основания было получено Л. Прандтлем и Г. Рейснером (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Линии скольжения при предельной полосовой нагрузке для невесомого основания (у = 0) ри = {fd + с cí8<p) ] + Sm(p ея '8<р - с ctgtp. (1.38)

1 - Sin (р

В.В.Соколовским получено решение для плоской задачи при действии на поверхности наклоненной под углом 8 к вертикали нагрузки, изменяющейся по закону трапеции ри =nryx + nqq + ncc, (1.39)

Pt = PjgS, (1.40) где Nr,Nq,Nc - безразмерные коэффициенты несущей способности грунта основания, зависящие от угла внутреннего трения (р и угла наклона равнодействующей нагрузки к вертикали 8.

Согласно существующей нормативной методике при расчете по первой группе предельных состояний несущая способность основания считается обеспеченной, если выполняется условие F <ус Fu ¡yn .

Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания определяется по формуле

NH =b4\Nr^by+N^fd + Nclc). (1.41)

М.В. Малышев и Н.С. Никитина [61] предложили давление, соответствующее исчерпанию несущей способности, определять по формуле

Ри = \n77 ъ + Nqy \ + Ncc, (1.42) где b — ширина подошвы фундамента;

Ny,Nq,Nc - безразмерные коэффициенты несущей способности грунта основания, определяемые по эмпирическим формулам l + sin^

7 1 • '

1 - Sin ф

Nc={Nq-\)ctg<p; (1.43)

ДГ t§<P ^5,2205/g{3+0,25504 r 2

A.C. Строганов [89] предложил вычислять несущую способность по формуле

N = yb2Ny + 2Ь(р + H)Np+H - 2ЪН, (1.44) где Nr,NphH - безразмерные коэффициенты.

На основании неассоциированного закона пластического течения грунтов представлено выражение для определения приведенного угла внутреннего трения в условиях плоской деформации аМ"2 вт/? = -*——, (1.45) где v — коэффициент дилатансии (разрыхления), определяемый экспериментально; у/ - угол внутреннего трения по октаэдрической площадке.

1.6. Анализ существующих методов расчета осадок оснований глинистых грунтов при статических нагружениях

На сегодняшний день существует более 20 методов определения величины деформаций грунтового массива от воздействия приложенной нагрузки. р

Согласно существующей практике проектирование ведут в диапазоне нагрузок р < Л, поэтому для определения напряжений в основании используют теорию линейно-деформируемой среды. Применимость данной модели к грунтам впервые была обоснована трудами Н.П. Пузыревского, К.Терцаги, Н.М.Герсеванова, В.А.Флорина, Н.А.Цытовича. В основе теории заложена линейная зависимость между напряжениями и деформациями в грунтах.

Кроме того, достижение предельных значений деформаций оснований не используется, поскольку определяющей является недопустимость превышения давления р величины 1,27?.

На сегодняшний день основным расчетным методом является метод послойного суммирования, основанный на законе Гука для одноосного сжатия. Осадка основания рассматривается как сумма вертикальных деформаций элементарных слоев грунта, на которые разделена сжимаемая толща, при этом возможность бокового расширения грунта не рассматривается. Высота сжимаемой толщи определяется из условия °=Р = 0,2ст^.

Расчет осадки ведется по формуле (7 Н = (1.46) 1 где [3 - безразмерный коэффициент, принимаемый равным 0,8;

7 - — среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в 1-м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней и нижней границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента; к1 —толщина 1-го слоя грунта;

Е1 -модуль деформации ¡-го слоя грунта; п - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

При этом распределение вертикальных нормальных напряжений по глубине основания принимается в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 1.9.

Метод заключает в себе следующие предпосылки и допущения:

- предполагается, что существует линейная зависимость между напряжениями, возникающими в массиве грунта от воздействия внешней нагрузки, и деформациями грунтового массива; рассматриваются только вертикальные давления, действующие под центром фундамента; при определении величины дополнительных вертикальных давлений слоистость напластований не учитывается; вместо решения пространственной задачи и учета 6 компонентов напряжений рассматривается плоская задача и действие только вертикального напряжения; возможность бокового расширения грунта не учитывается; высота сжимаемой толщи определяется графически, при этом считается, что ниже указанной активной зоны грунт не деформируется; используемая в расчете величина модуля деформации грунта во многом зависит от способа его определения.

Рис. 1.9. Расчетная схема для определения осадки фундамента методом послойного суммирования

В результате метод расчета осадок фундаментов по схеме однородного упругого полупространства не вполне корректно описывает процесс развития деформаций грунтового основания, представляющего собой дискретную, многофазную структуру с выраженными реологическими свойствами. Так, например, по данным исследований, проводимых В.Н.Брониным [9], метод послойного суммирования дает неприемлимые результаты для определения осадок плитных фундаментов.

Еще одним методом, рекомендованным в нормативной литературе, является метод расчета осадки линейно-деформируемого (упругого) слоя, разработанный К.Е. Егоровым [36, 37] в 1958 году.

Осадка фундамента на слое конечной толщины (рис. 1.10) определяется по формуле

С РЬК К-Х

Я = (1.47) '=■ А где р — среднее давление под подошвой фундамента;

Ъ — ширина прямоугольного или диаметр круглого фундаментов, кс и кт - коэффициенты, зависящие от сжимаемости основания; п — число слоев, различающихся по сжимаемости в пределах сжимаемой толщи Н с; к1 и - коэффициенты, определяемые в зависимости от формы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, на которой расположены подошва и кровля ¡-го слоя;

Е{ — модуль деформации ьго слоя грунта. b

DL У/У SAS

-777—777-77^

FL вс

V7777777777777777>7777777777777777777777-,

Рис. 1.10. Схема для расчета осадки с использованием модели линейно

Расчетная толщина линейно-деформируемого слоя определяется с использованием выражения, аналогичного выражению для расчета методом послойного суммирования.

Метод основан на одномерном уплотнении грунта, при этом не позволяет определять осадку с учетом загружения соседних фундаментов [9].

Метод эквивалентного слоя H.A. Цытовича рассматривает деформации грунта в пределах бесконечного полупространства, что приводит к завышенному значению осадки [33].

Осадка основания s методом эквивалентного слоя грунта определяется по формуле где pQ - дополнительное давление под подошвой фундамента; mv — коэффициент относительной сжимаемости грунта; h3 — мощность эквивалентного слоя грунта определяемая из выражения h0 = A cob; где со — коэффициент, зависящий от формы и жесткости фундамента. деформируемого слоя s = h3mop0,

1.48)

Ь — ширина подошвы фундамента;

А - коэффициент, определяемый по формуле А = ——^ ;

1 —2//0) где //0 - коэффициент Пуассона грунта основания.

Выражение для б применимо для случая однородного основания. При слоистой толще грунтов необходимо найти среднее значение коэффициента относительной сжимаемости в пределах сжимаемой толщи Нс = 2кэ (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Схема к расчету осадки методом эквивалентного слоя

Применяемые методы расчета осадок оснований дают существенно отличающиеся друг от друга результаты. Это связанно с тем, что значения осадок в первую очередь зависят от гипотезы, заложенной в основу расчетной модели грунта, и тех допущений, которыми каждая гипотеза ограничена. Однако общим в выше перечисленных методах является то, что они рассматривают плоскую деформацию грунта, не учитывая пространственное напряженное состояние, не рассматривают возможность изменения физико-механических (реологических) свойств грунта в процессе длительного нагружения основания и не позволяет проектировать экономичные фундаменты.

Для инженерных расчетов метод послойного суммирования деформаций более приемлем. С целью уменьшения разницы между расчетной величиной осадки фундамента и наблюдаемыми деформациями основания необходимо приблизить условия расчета к реальным условиям нагружения основания. Для достижения этой цели применяется шаговый метод расчета осадок [53], учет влияния боковых давлений, отличающихся от компрессионных [10, 106], учет изменчивости деформационных характеристик грунта при возрастании нагрузки [52], учет разгрузки основания при экскавации грунта из котлована [92] и другие усовершенствования.

Б.И. Далматовым и В.М. Чикишевым. [34] на основании формулы. К.Е. Егорова предложено определять осадку прямоугольных фундаментов < с учетом переменности модуля деформации по глубине основания, который зависит от напряженного состояния глинистого грунта, по формуле п р

Б = р-Ь-а^ ' 'ч, (1.49)

1 Ь где - коэффициент, учитывающий изменение Е в пределах каждого слоя напластования грунтов; а — коэффициент, учитывающий форму подошвы фундамента;

Ек1 - компрессионный модуль деформации грунта ьго слоя.

М:В. Малышевым и Н.С. Никитиной [61] предложен практический способ расчета осадки в нелинейной стадии деформируемости грунта, при этом полупространство заменяется эквивалентным по осадке нелинейно-деформируемым массивом грунта в условиях однородного напряженного состояния. На участке р < р< рх, где рх — критическая нагрузка, отвечающая условию начала возникновения областей пластических деформаций, $1 =

1.50)

1.51)

Р\ ~Р-.Ч при рх< р< р2

Р{Р2~Р^)~{Р-Рх)Р\ Р\(рг~р)

Для прогноза развития осадок неоднородного основания ограниченной толщины с учетом реологических свойств грунтов, описываемых по закону вековой ползучести, фундаментов тяжелых сооружений З.Г. Тер-Мартиросяном и Х.Ш. Тураевым [96] предложено использовать выражение

5,(0=2

1 + *•)„(*, з/)^

1.52)

В работе [52] на основе анализа результатов стабилометрических испытаний предлагается модель двухфазового деформирования грунта для однородного песчаного основания, для которой характерен линейный закон увеличения модуля деформации Е по глубине сжимаемой толщи. Расчет осадок реализуется в рамках метода послойного суммирования.

Расчет осадки снований с учетом горизонтальных напряжений (деформаций) в основании и жесткости фундамента предлагается [10] выполнять по формулам

8 = 1

7 + с +(7 2(7 — с — сг р,1 хр,1 ур,1 :р,1 хр,1 УР,1

3 к.

6С

5 = а^ л I У^+^+^Х1- 2у) + (2+ - X1 + К У 1

ЗЕ.

3 Е.

1.53)

1.54) где первое слагаемое позволяет определить осадку, связанную с деформациями уплотнения грунта, а второе — с деформацией формоизменения основания.

Метод расчета осадок оснований, основанный на послойном суммировании с учетом структурной прочности грунта и пригодный для применения в расчетах плитных фундаментов, изложен в работе [103], согласно которому осадка может быть записана в виде

1-55) где — координата подошвы фундамента; граница послойного суммирования при выполнении условия До-= 0,1 ащ\

Д - коэффициент бокового обжатия, Д = Дс + — (Дм — Дс);

Дет - приращение нормального вертикального напряжения от действия нагрузки на основание;

Е - модуль деформации.

При этом для связи модели основания с моделями грунтов применена билинейная модель, сформулированная так:

Дог \Аст = № Ее Аа ЕеР при

Е - Рс , Рс -°"о -Рс+М(Рс~Со) при

Ет 1 ер Ее Еер

1.56) где <jz - <j0 + Act — действующее после приложения нагрузки вертикальное напряжение в массиве; сг0 - начальное напряжение (до приложения нагрузки, но после откопки котлована);

Ес, Еер - упругий и упругопластический модули деформации;

М = Еер!Ее; рс - структурная прочность грунта.

В 1963 году В.Г. Березанцевым [6] предложена методика для вычисления осадок оснований глубоких фундаментов, позволяющая учитывать влияние областей сдвигов на изменение закономерности нарастания осадок фундамента. Полная осадка фундамента при плоской деформации основания представлена выражением

Е - модуль общей деформации; л — коэффициент относительной поперечной деформации грунта; со - коэффициент, с помощью которого учитывается форма площади, передающей нагрузку; p-<j-yh ; ps = crs- 0,5-yh — уплотняющее давление; - длина области сдвигов.

З.Г. Тер-Мартиросяном и B.C. Прошиным [79] предложен метод расчета осадок оснований, в основу которого положен метод послойного суммирования и учтено пространственное напряженное состояние грунтового массива. Данная методика позволяет вычислить осадки не сразу от полной величины действующей нагрузки, а от последовательно действующих нагрузок, при этом природное давление грунта рассматривается как всесторонняя нагрузка, а дополнительная нагрузка как девиаторное нагружение. Однако в этом методе не учтена длительность действия нагрузки, т.к. здания и сооружения имеют различный срок службы и в течение всего этого периода передают нагрузку на грунт основания.

Петраков A.A. и Макиенко В.Е. [77] провели полевые исследования длительной деформативности глинистых грунтов и экспериментально подтвердили наследственный характер деформаций ползучести грунта, т.е. конечная осадка штампа зависит не только от длительности приложения нагрузки, но и от закона ее изменения во времени.

1.57) где zb=l-e~^n~Y^tg<p cos;

1.7. Анализ существующих приборов для проведения длительных испытаний

Для более полного моделирования поведения грунтов в основании фундаментов исследование механических свойств грунтов должно быть осуществлено на приборах, позволяющих проводить испытания в условиях сложного напряженного состояния в соответствии с заданной программой исследований. За рубежом испытания грунтов в условиях трехосного сжатия применяются достаточно часто, однако в отечественной практике они пока еще не нашли должного применения.

На сегодняшний день для испытания фунтов в условиях сложного напряженного состояния применяют различные схемы нагружения (рис. 1.12) на трехосное сжатие.

Рис. 1.12. Схемы испытаний при сложном напряженном состоянии: а — осесимметричное трехосное сжатие; б - осесимметричное сжатие и кручение; в - осевое сжатие и кручение полого цилиндра; г — осевое сжатие, радиальное внутреннее и наружное давление и кручение полого цилиндра; д — сжатие куба при произвольных значениях напряжений

Изучение деформационных характеристик грунтов при сложном напряженном состоянии проводятся на приборах осесимметричного трехосного сжатия.

Такие приборы впервые в СССР были предложены М.В. Малышевым и A.C. Строгановым. Известны конструкции приборов A.JI. Гольдина, A.A. Мустафаева, И.Н. Иващенко, М.Н. Захарова. За рубежом такие приборы разработаны JL Шукле.

Приборы для исследования цилиндрических образцов отличаются в основном размером образцов и способом нагружения.

Прибор трехосного сжатия стабилометрического типа был сконструирован для проведения испытаний с образцами мрамора и известняка в 1915 году Корманом и Беккером. В нашей стране такие испытания были предложены в 1931 г. Б.П. Яппу и H.H. Давиденковым.

На сегодняшний день применяются стабилометры конструкции Е.И. Медкова, A.C. Строганова, И.Н. Иващенко, М.Н. Гольдштейна, Н.И. Сидорова, В.П. Спидина, конструкции «Гидропроекта», Г.Г. Болдырева и др.

За-рубежом используются приборы конструкции А. Бишопа.

Испытания цилиндрических образцов в стабилометре не позволяют реализовать программу исследований с произвольно изменяемыми главными напряжениями по трем взаимно перпендикулярным осям. Учитывая тот факт, что в основании сооружений распределение напряжений является трехмерным с неравными значениями напряжений по трем осям координат, т.е. ¿7, ф сг2 Ф сг3, приборы трехосного сжатия, позволяющие испытывать образцы грунта кубической формы в условиях несимметричного нагружения, называют приборами истинного трехосного сжатия.

Приборы для испытаний образцов грунта кубической формы, позволяющие наиболее точно смоделировать поведение грунта в условиях сложного напряженного состояния, впервые были сконструированы в нашей стране H.H. Давиденко в 1934 г, а за рубежом - Kjelman в 1936 г.

Существуют попытки классифицировать приборы истинного трехосного сжатия по граничным условиям:

- приборы с жесткими границами — штампами (Hambly, 1969; Реагсе, 1972; Ibsen et al., 2002), позволяющие контролировать деформации образца;

- приборы с гибкими границами - мембранами (Крыжановский, 1966; Ко and Scott, 1967; Sture and Desai, 1979; Meier et al., 1982; Mandevile and Penumadu, 2004), которые позволяют контролировать напряжения;

- приборы со смешанными границами (Lade and Duncan, 1973; Michelis, 1988; Hoyos et al., 2001; Alshibli, 2005).

Многие исследователи отмечают существенную роль граничных условий, основываясь на том факте, что во всех типах приборов истинного трехосного сжатия результаты испытаний могут оказаться, различными. В то же время отсутствует ответ на главный вопрос: «Какие граничные условия испытывает элемент грунта в полевых условиях?»

В настоящей работе использовался прибор трехосного сжатия с жесткими штампами и независимо регулируемыми главными напряжениями.

1.8. Выводы к главе 1

1. В грунтах под подошвой фундамента возникает пространственное напряженное состояние, которое в каждой точке характеризуется компонентами тензора девиатора и шарового тензора, соотношение между которыми различно при переходе от точки к точке основания. В связи с вышеизложенным возникает необходимость исследования (уточнения методик расчета) несущей способности и осадок оснований с учетом изменения прочностных и деформационных свойств грунтов в условиях трехосного сжатия при длительном нагружении.

2. В глинистых грунтах напряженно-деформированное состояние меняется со временем, при этом деформации и прочность изменяются в зависимости от режима (траектории) нагружения, начальной плотности и влажности, соотношения девиаторной и шаровой частей тензора напряжений.

3. Сложность описания деформируемости глинистых грунтов и разнообразие их свойств выдвинули множество подходов и различных моделей деформирования и изменения прочности во времени. В основу большинства схем пространственного деформирования грунтов заложена концепция скольжения с трением по условным площадкам, ориентация которых может быть получена различными гипотезами.

4. Методы расчета несущей способности и осадок оснований, разработанные для однократного кратковременного нагружения, не в состоянии в должной мере учитывать особенности изменения напряженно-деформированного состояния и прочности грунтов оснований при длительном действии нагрузки и проявлении реологических свойств, что приводит к снижению надежности проектных решений. В связи с этим назрела необходимость в разработке практических методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Программа исследований

Существуют различные теории, описывающие процессы, развития деформаций материалов во времени. Ряд авторов предлагает для описания процессов развития деформаций ползучести применять теорию старения, другое предложение - для описания процессов ползучести использовать теорию упрочнения. Также для прогнозирования развития деформаций ползучести глинистых грунтов возможно применение теории трещин. Однако« будет справедливым уточнение, что выполнено очень мало экспериментальных исследований, обосновывающих ВОЗМОЖНОСТЬ применения ТОЙ ИЛИ; иной теории для грунтов, с данными, физико-механическими свойствами. Отсутствуют четко прописанные пределы применимости различных теорий для решения, инженерных задач использования глинистых грунтов в качестве основания сооружений. Вопрос о возможности применения какой-либо теории для описания процесса деформирования глинистого грунта при воздействии на него длительных нагрузок также остается открытым. В связи с этим была составлена программа экспериментальных исследований, основной задачей', которой является установление на основе анализа результатов лабораторных опытов и лотковых испытаний закономерностей развития деформаций ползучести и изменения прочности глинистых грунтов при трехосном сжатии при воздействии на них длительных статических нагрузок.

Для сравнения полученных результатов, в программу экспериментальных исследований включены следующие пункты:

- прочность и деформируемость глинистых грунтов при- кратковременном трехосном статическом нагружении;

- прочность и деформируемость глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении;

- прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях одноосного сжатия при кратковременном режимном нагружении;

- прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях кратковременного одноосного сжатия при различном времени выдержки образца в форме;

- прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях трехосного сжатия при кратковременном режимном нагружении;

- прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях кратковременного трехосного сжатия при различном времени выдержки образца в форме;

- деформируемость глинистых грунтов при длительном гидростатическом нагружении;

- лотковые испытания.

С целью определения величины влияния траектории нагружения на прочность и деформируемость образцов глинистого грунта нарушенной структуры были проведены эксперименты с реализацией трех режимов нагружения в условиях кратковременного и длительного трехосного сжатия: сг1 > сг2 = <т3 = 80 кПа (Режим 1), сг, > сг2 = сг3 = 160 кПа (Режим 2), сгх > а2 = 160 кПа > ст3 - 80к/7йг (Режим 3).

Рис. 2.1. Программа экспериментальных исследований

2.2. Методика приготовления образцов и исследуемого грунта

2.2.1. Характеристики грунта (искусственно приготовленного)

Опыты проводились с образцами искусственно приготовленного грунта, который по числу пластичности, равному 1Р =17,5, относится к глине. Характеристики данного грунта:

- Удельный вес природного грунта у = 19,4 кН/м3;

- Влажность грунта ¡V = 0,22;

- Влажность на границе текучести 1¥ь = 0;41;

- Влажность на границе раскатывания РГр = 0,235 ;

- Число пластичности I р = 17,5;

- Показатель текучести I, = -0,03 ;

- Коэффициент пористости е = 0,81;

- Степень влажности Бг = 0,73.

Показатель текучести Iь - -0,03 характеризует грунт как твердую глину.

Заключение диссертация на тему "Несущая способность и осадка оснований фундаментов с учетом длительного и нелинейного деформирования грунтов"

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В действующих нормах на проектирование оснований фундаментов СНиП 2.02.83* отсутствуют методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного действия нагрузки и нелинейного деформирования грунтов. Методы расчета несущей способности и осадок оснований, разработанные для однократного кратковременного на-гружения не в состоянии в должной мере учитывать особенности изменения напряженно-деформированного состояния и прочности грунтов оснований при длительном действии нагрузки и проявлении реологических свойств, что приводит к снижению надежности проектных решений. В связи с этим назрела необходимость в разработке практических методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов.

3. Разработан усовершенствованный метод расчета осадок оснований фундаментов, в основу которого положен способ послойного суммирования с учетом особенностей, обусловленных пространственным напряженно-деформированным состоянием и длительным нелинейным деформированием глинистых грунтов. Объемные деформации грунта во времени описываются в соответствии с теорией наследственной ползучести в виде суммы деформаций изменения объема и деформаций изменения формы с учетом их взаимовлияния. Предложенный усовершенствованный метод расчета осадок позволяет с высокой точностью оценивать осадки оснований фундаментов при длительном нагружении.

4. В соответствии с предложенной расчетной моделью длительного нелинейного деформирования неводонасыщенных глинистых грунтов при трехосном статическом нагружении деформирование происходит за счет движения уплотненных пирамид как жестких тел, образованных в верхней и нижней части образца и у боковых граней. В указанных уплотненных зонах не происходит ухудшение физико-механических характеристик грунтов. Негативные процессы, снижающие физико-механические характеристики, локализуются в зоне между этими пирамидами и грунты в этой зоне подвергаются одновременному отрыву и сдвигу. Девиаторное нагружение и длительная выдержка под нагрузкой сопровождаются возникновением и развитием множества поверхностей сдвига и разрывов сплошности грунта образца, положение которых меняется во времени.

5. В диссертации предложены аналитические зависимости для описания процесса изменения прочности и деформаций глинистого, грунта при трехосном длительном статическом нагружении. Полученные аналитические зависимости в компактной форме учитывают наблюдаемые в экспериментах влияния режима нагружения, величины девиатора напряжений и длительности действия нагрузки на прочность и деформации глинистого грунта при длительном трехосном сжатии. Использование указанных аналитических зависимостей позволяет более точно оценивать несущую способность и осадки оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном статическом нагружении.

6. Выполнены экспериментальные исследования прочности и деформируемости глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии и на основании результатов этих исследований можно представить следующую схему развития деформаций ползучести и изменения длительного сопротивления грунта разрушению. В зависимости от величины, режима и длительности действия нагрузки в глинистом грунте происходят два взаимно компенсирующих явления — упрочнение, обусловленное залечиванием дефектов и более плотной перекомпоновкой частиц, и разуплотнение, вызванное переориентацией частиц, а также образованием и развитием микро и макротрещин. В случае, когда разрушение начнет превалировать над упрочнением, возникает стадия разрушения и прогрессирующей ползучести, причем эти процессы охватывают не весь объем грунта, а лишь зоны предельного равновесия, где происходит развитие трещин.

Библиография Королева, Ирина Владимировна, диссертация по теме Основания и фундаменты, подземные сооружения

1. Абелев, М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах / М.Ю. Абелев. М.: Стройиз-дат, 1983.-248с.

2. Абрамов, JI.T. Определение зоны распространения деформаций по глубине грунтового массива / JI.T. Абрамов, И.М. Крыжановский, А.Г. Петрова // Основания; фундаменты и механика грунтов. — 1968. — №3.

3. Анахов; Н.П. Исследование динамического трения в грунтах // Сб. ВИОС, 1934. №3. - С. 28-34.

4. Бартоломей, A.A. Прикладные реологические уравнения, полученные на основе дробно-линейного ядра ползучести / A.A. Бартоломей, Г.Б. Кузнецов, Б.С. Юшков // Основания; фундаменты и механика грунтов. -1996. -№3.- С. 6-10.

5. Березанцев, В.'Г. О смешанном напряженном состоянии оснований фундаментов глубокого заложения / В.Г. Березанцев // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1963.-№ 5 - С. 1-5.

6. Болдырев, Г.Г. Методы определения механических свойств^грунтов. Состояние вопроса / Г.Г. Болдырев. Пенза: ПГУАС, 2008. - 696 с.

7. Боткин, А.И. Исследование напряженного состояния в сыпучих и связных грунтах / А.И. Боткин // Известия ВНИИГ. 1939. - Т.24. - С. 153171.

8. Бронин, В.Н. Сравнительный анализ результатов наблюдений за осадками оснований плитных фундаментов и результатов расчета осадок различными методами / В.Н: Бронин // Реконструкция — Санкт

9. Петербург-2005: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конференции. СПб., 2005.

10. Бронин, В.Н. Об учете горизонтальных напряжений в основании при определении осадки основания / В.Н. Бронин; C.B. Татаринов. // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1993. — №4.

11. Бугров, А.К. Анизотропные грунты и основания сооружений / А.К. Бугров, А.И. Голубев. СПб.: Недра, 1993. - 245с.

12. Бугров, А.К. Решение смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунтов / А.К.Бугров // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1974. - №6.

13. Бугров, А.К. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия / А.К. Бугров, P.M. Нарбут, В.П. Сипидин. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — JL: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. — 184 с.

14. Вялов, С.С. Вопросы реологии^ грунтов / С.С. Вялов, A.M. Скибицкий // Доклады к международному конгрессу по механике грунтов и фунда-ментостроению под ред. H.A. Цытовича. М.: Госстройиздат, 1961. — 204 с. - С. 22-30.

15. Вялов, С.С. Вопросы теории деформируемости связных грунтов / С.С.Вялов // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1966. — №3. -С. 1-4.

16. Вялов, С.С. Длительная прочность грунтов / С.С. Вялов, Н.К.Пекарская // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1968. — №3. С. 1-3.

17. Вялов, С.С. Кинетика структурных деформаций и разрушения глин / С.С. Вялов, Ю.К. Зарецкий, Р.В. Максимяк, Н.К. Пекарская// Тр. к VIII Междунар. конгр. по механике грунтов и фундаментостроению. -М.,1973. С. 12-13.

18. Вялов, С.С. О физической сущности процессов деформирования и разрушения глинистых грунтов / С.С. Вялов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1970. - №1. — С. 7-9.

19. Вялов, С.С., Шейб Хамед Аимер. Ползучесть и длительная прочность глинистых грунтов- в условиях трехосного сжатия / С.С. Вялов, Шейб Хамед Аимер // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1997. — №1.-С. 10-14.

20. Вялов, С.С. Реологические основы механики грунтов / С.С. Вялов. -М.: Высшая школа, 1978. 448с.

21. Гольдин, A.A. Ползучесть связного грунта в условиях сложного напряженного состояния/А.А. Гольдин // Тр. К VII Междунар. конгр. по механике грунтов и фундаментостроению. М:, 1969. — С. 12-18.

22. Гольдин, A.JI. Проектирование грунтовых плотин / A.JI. Гольдин, Л.Н: Рассказов. М.: Изд-во АСВ, 2001.-374 с.

23. Гольдштейн, М.Н: Исследование оползневого течения» / М.Н. Гольд-штейн, А .Я. Туровская, JI.C. Лапидус // Вопросы геотехники. — 1932. — №5.-С. 3-23.

24. Гольдштейн, М.Н. Механические свойства грунтов: (Напряженно-деформативные и прочностные характеритики) / М.Н. Гольдштейн. -М.: Стройиздат, 1979. 304 с.

25. Гольдштейн, М.Н. О прочности глинистых грунтов / М.Н. Гольдштейн // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1961 —. №3. — С. 3-7.

26. Горькова, И.М. Структурные и деформационные особенности осадочных пород / И.М! Горькова. — М.: Недра, 1962. 128 с.

27. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости / Введ. 1997-01-01. — М.: Минстрой России, 1997.

28. ГОСТ 19912-2001. Грунты. Метод полевых испытаний-статическим и динамическим зондированием / Введ. 2004-03-09. — М, 2004. — 170 с.

29. ГОСТ 30416-96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения / Введ. 1997-01-01.-М.: Изд-во-стандартов, 1997.

30. Гречищев, С.Е. О скорости ползучести мерзлых грунтов при сложномнапряженном состоянии / С.Е. Гречищев // Прочность и ползучесть мерзлых грунтов. М.: АН СССР; 1963, - С. 55-124.

31. Григорян, A.A. О безопасности строительства на глинистых грунтах по первому предельному состоянию / A.A. Григорян // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2006. - №5. - С. 9-13.

32. Григорян, A.A. О новом механизме разрушения оснований из глинистых грунтов под фундаментами сооружений / A.A. Григорян // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2009. — №3.

33. Далматов, Б.И. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений: Учеб. пособие / Б.И.Далматов. — СПб.: Изд-во АСВ, СПбГА-СУ, 2006.-428с.

34. Далматов, Б.И Определение осадок фундаментов с учетом изменения модуля» деформации' глинистого грунта в зависимости от напряженного состояния / Б.И. Далматов, В.М. Чикишев // Основания, фундаменты и-механика-грунтов. -1984. №1.f

35. Денисов, Н.Я. Инженерная геология / Н.Я. Денисов. — М.: Госстройиз-дат, 1960.-404 с.

36. Егоров; К.Е. О деформации основания конечной толщины / К.Е. Егоров // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1961. — №1. С. 4-6.

37. Егоров, К.Е. Осадки фундаментов высотных зданий / К.Е. Егоров // Сборник трудов НИИОСП №24 «Механика грунтов». М.: Стройиздат, 1954. — К.Е. Егоров. — К расчету деформаций оснований (Сборник статей). -М., 2002. С. 125-143.

38. Елизаров, С.А Развитие областей предельного состояния грунта в основании квадратного штампа /С.А. Елизаров, В.М. Малышев, A.C. Саенков // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1991. - №2.

39. Жихович, В.В. Методика определения скорости и деформации ползучести полутвердых и твердых глинистых грунтов на отдаленный момент времени/ В.В. Жихович // Основания, фундаменты и механика грунтов.2005. —№3.-С. 11 — 15.

40. Жихович, В.В. О ползучести, стандартной и длительной прочности плотных меотических глин /В.В. Жихович // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1963 —№ 4. -С. 7-10.

41. Зайцев, Ю.В. Механика разрушения для строителей / Ю.В. Зайцев. — М.: Высшая школа, 1991. — 288 с.

42. Зарецкий, Ю. К. Два- механизма разрушения и, объединенное условие прочности геоматериалов / Ю.К. Зарецкий // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2002. №6. - С. 2-9.

43. Зарецкий, Ю.К. Длительная прочность и вязко-пластичность глинистых грунтов / Ю.К. Зарецкий // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1995-№2.-С. 2-6.

44. Зарецкий, Ю.К. Лекции по современной механике грунтов / Ю.К. Зарецкий; Ростов: Изд-во Ростов, ун-та, 1989. - 608 с.

45. Зарецкий, Ю.К. Реология-грунтов и инженерное мерзлотоведение / Под ред. Ю.К. Зарецкого. М.: Наука, 1982. - 224с.

46. Зарецкий, Ю.К. Теория консолидации грунтов / Ю.К. Зарецкий. М.: Наука, 1967.-270с.

47. Зарецкий, Ю.К. Вопросы структурной механики глинистых грунтов / Ю.К. Зарецкий, С.С. Вялов // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1971. -№3".

48. Зарецкий, Ю.К. Устойчивость грунтовых откосов / Ю.К. Зарецкий, В.Н. Ломбардо, М.Е. Грошев, Д.Н. Олимпиев // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1980. - №1-. — С. 27-30.

49. Иванов, П.Л. Грунты и-основания гидротехнических' сооружений. Механика грунтов / П.Л. Иванов. — М.: Высшая школа, 1991. — 447 с.

50. Иноземцев, В:К. О допустимых деформациях оснований плитных фундаментов / В.К. Иноземцев, В:А. Лукин, А.Б. Фадеев // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2004. - №2.

51. Кабахидзе, Е.И. Тиксотропные и структурно-механические свойствасуспензий аскангеля в зависимости от состава обменного комплекса /

52. Е.И. Кабахидзе, Н.Н. Шишнхашвили, М.Е. Серб-Сербина // Коллоидн.журн. 1957. - Т.19. - №3. - С. 43-48.

53. Копейкин, В'.С. Расчет осадок фундаментов с учетом влияния напряженного состояния на характеристики деформируемости грунта / B.C. Копейкин, В.Ф. Сидорчук // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1993.-№ 4 - С. 8-13.

54. Криворотов, А.П. О совершенствовании метода послойного суммирования деформаций вфасчете осадок фундамента / А.П. Криворотов // Известия вузов: Строительство. — 1995. —№40. — С. 40-47.

55. Крыжановский, A.JL Механическое поведение грунтов в условиях пространственного напряженного состояния?/А.JI. Крыжановский // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1983. —№1.-С .

56. Крыжановский, A.JI. Определение угла внутреннего трения сыпучих I грунтов в трехосной аппаратуре и сдвиговых приборах / A.JI. Крыжановский, Ю.С. Вильгельм, Т. Рахманов // Основания, фундаменты, механика грунтов. -1983.-№6.-С. 24-27.

57. Кушнер, С.Г. О концептуальном подходе к расчетам оснований'сооружений по предельным состояниям / С.Г. Кушнер // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2002. — №1. С. 2-8.

58. Кушнер, С.Г. Расчет деформаций оснований зданий и сооружений / С.Г. Кушнер. 3.: ООО «ИПО Запорожье», 2008. - 496 с.

59. Максимяк, Р.В. Исследование структурных изменений полутвердых и мерзлых глинистых грунтов в процессе ползучести: дис. канд. техн. наук / Р.В .Максимяк. — М.: МИСИ; 1970. 195 с.

60. Малышев, М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений / М.В. Малышев. — 2-е изд. М.: Стройиздат, 1994. 228 с.

61. Малышев, М.В Критерии несущей способности и различные фазы деформирования состояния / M.B. Малышев, С.А. Елизаров// Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1993. — №4. — С. 2-5.

62. Малышев, М.В. Расчет осадок фундаментов при нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями в грунтах / М.В: Малышев, НС. Никитина // Основания, фундаменты и механика грунтов; —1982. — № 2.-С. 21-25.

63. Маслов, H.H. Длительная устойчивость и деформация смещения' подпорных стенок /HHi.Маслов;—М.: Энергия, 19681

64. Маслов, Н.Н; Некоторые новые вопросы расчета консолидации глинистых грунтов / H.H. Маслов, Лыонг Jle Ба // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1986. — №6. — С. 23-26.

65. Маслов, H.H. Основы инженерной геологии и механики грунтов / Н1Н. Маслов. М.: Высшая;школа, 1982. - 511с.

66. Месчян, С.Р. Механические свойства грунтов и лабораторные методы их определения / С.Р. Месчян. -М.: Недра, 1974. 191 с.

67. Месчян, С.Р. Начальная и* длительная прочность глинистых грунтов / С.Р. Месчян. М.: Недра, 1978. - 207 с.

68. Месчян, С.Р Об одной важной закономерности ползучести глинистых грунтов при сдвиге / С.Р. Месчян, Р.Г. Бадалян // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1976. — №1. —С. 21-23.

69. Месчян, С.Р. Реологические свойства глинистого материала земляных: плотин / С.Р: Месчан // Инж. геология. 1981. — №2. - С. 34-40.

70. Месчян; С.Р. Упрощенные методы определения параметров нелинейной сдвиговой ползучести глинистых грунтов / С.Р.Месчян // Основания,фундаменты и механика грунтов. — 1996. — №5. — С. 7-9.

71. Месчян, С.Р. Экспериментальная реология глинистых грунтов / С.Р. Менян. М.: Недра, 1985. - 342 с.

72. Могилевская, С.Е. Вопросы длительной прочности и деформируемости лессовых грунтов, как оснований гидротехнических сооружений / С.Е.Могилевская // Изв. ВНИИГ. 1960. - Т.64. - С. 179-190.

73. Петраков A.A. Экспериментальные исследования длительной деформа-тивности глинистых грунтов / A.A. Петраков, В.Е. Макиенко // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1978. - №1. - С. 30-33.

74. Приклонский, В.А. Грунтоведение / В.А.Приклонский — М.: Госгоелтех-издат, 1955.-Т.1.-410 с.

75. Прошин, М.В. Влияние напряженного состояния на деформируемость глинистых грунтов: дис. канд. техн. наук / М.В. Прошин. — М.: МИСИ, 1985.- 185 с.

76. Роза, G.A. Результаты экспериментального изучения начального фильтрационного напора в плотных глинах / С.А. Роза // Вопросы механики грунтов. Л.-М.: ВНИИГС, 1954. - № 4. - С. 28-50.

77. Рыжов, А.М. Введение в нелинейную механику грунтов и физическое моделирование оснований / А.М. Рыжов.- Запорожье: РИП «Видавець», 1995.-448 с.

78. Саито, И. Разрушение грунта в результате ползучести / И. Саито, X. Уе-зава. — М.: Механика грунтов и фундаментострение, 1966. — С. 96-104.

79. Скибицкий, A.M. Реологические процессы в мерзлых грунтах и плотных глинах / A.M. Скибицкий, С.С. Вялов // Материалы к IV Междунар. конгр. по механике грунтов и фундаментостроению. — М., 1957. С. 3043.

80. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений / Госстрой СССР. -М.: Стройиздат, 1985.-40 с.

81. СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты / Госстрой СССР. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. 128 с.

82. Соболевский, Д.Ю. Прочность и несущая способность дилатирующего грунта / Д.Ю. Соболевский. — Мн.: Навука i тэхшка, 1994'. — 232 с.

83. Соколовский, В.В. Статика" сыпучей среды / В.В. Соколовский. — М::Физматгиз, 1960.-244 с.

84. Строганов; A.C. Инженерный метод расчета несущей способности оснований и его экспериментальная проверка / A.C. Строганов, A.C. Снар-ский // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1996. -№ 4. С. 712 .

85. Тейлор, Д. Основы механики грунтов / Д. Тейлор. — М.: Госстройиздат, 1960.-598 с.

86. Тер-Мартиросян, А.З. Исследования-грунтов оснований высотных зданий / А.З. Тер-Мартиросян, З.Г. Тер-Мартиросян // Основания, фундаменты и механика грунтов. —2009. — №5

87. Тер-Мартиросян, З.Г. Консолидация и ползучесть слоя грунта ограниченной ширины под действием местной нагрузки / З.Г. Тер-Мартиросян,

88. Пак Чун Сун // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1998. -№2. - С. 2-6.

89. Тер-Мартиросян, З.Г. Механика грунтов / З.Г. Тер-Мартиросян. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2005. — 488 с.

90. Тер-Мартиросян, З.Г. О вторичной консолидации глин / З.Г. Тер-мартиросян, H.A. Цытович // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1965. - №5. - С. 12-15.

91. Тер-Мартиросян, З.Г. Прогноз механических процессов массивах многофазных грунтов / З.Г. Тер-Мартиросян. М.: Недра, 1986. — 292 с.

92. Тер-Мартиросян, З.Г. Прогноз напряженно-деформированного4 состояния оснований тяжелых сооружений»/ З.Г. Тер-Мартиросян, Х.Ш. Тураев // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 1991. — №4.- О. 21-24.

93. Тер-Мартиросян; З.Г. Реологические параметры грунтов, и расчеты оснований сооружений / З.Г. Тер-Мартиросян. М.: Стройиздат, 1990. -200 с.

94. Тер-Степанян, Г.И. Теория прогрессирующего разрушения в грунтовых и скальных породах / Г.И. Тер-Степанян. Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1975.-32 с.

95. Труды 1-Х Всесоюзных и международных симпозиумов по реологии грунтов. -1973-2003.

96. Ухов, С.Б. Механика грунтов основания и фундаментов: чеб. пособие для строит, спец. Вузов / С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский и др.; под ред. С. Б. Ухова. — 3-е изд., испр. М.: Высш. шк., 2004. — 566 с.

97. Ухов, С.Б. Прогноз осадок двухслойного консолидирующегося основания при росте поверхностной нагрузки! во времени / С.Б. Ухов, В.И. Шейнин // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2004. — №3.

98. Филин; А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела / А.П. Филин. Mi: Высшая школа; 1978; - Т.1. - 790 с.

99. Флорин, В.А. Основы механики грунтов / В.А. Флорин: — Л.: Госстрой-издат. -Т.1. 1959. -357 е.; Т.2. - 1961. - 543 с.

100. Цытович; Н.А. Механика грунтов / Н:А. Цытович. — Mi: Высшая школа, 1983.-288 с.

101. Цытович, ILA Основания и фундаменты / Н.А. Цытович^ В.Г. Березан-цев;,Б.И: Далматов; MilOi.Абелев. — М!: Высшая школа, 1970.— 383 с.

102. Шукле, Л; Реологические проблемы механики грунтов;/ Л^Шукле: Пер: с; англ. Mi: Стройиздат, 1976. - 486 с.

103. Якуповг М;М. Деформируемость* и прочностьмногофазного; грунта при различной, плотности-влажности: автореф. дис: канд. техн: наук / М.М. Якупов М.: МИСИ, 1984. - 24 с.

104. Agus, S.S. Triaxial Permeameter for Unsaturated Soils. Unsaturated'Soils for Asia, Proceedings / S.S. Agus, E.C. Leong and J I.A. Rahardjio // The Asian Conference on Unsaturated Soils, UNSAT-AS1A, Singapore, Balkema, Rotterdam, 2000.-P.365-370. .

105. Hi Alshibli;.K.A. Strain Eocalizationvin Sand: Plane Strains vs. Triaxial Compression / K.A. Alshibli^ S:N.; Batiste; S. Sture // ASCE, Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. — Vol. 129. No. 6, 2003: - Pi 1-12.

106. Bishop, AAV. The pore pressure changes during shear in two, undisturbed clays/ A.W.Bishop, D.J.Henkel // Proc. 3-ed Intern. Conf. Soil. Mech. Found. Eng. Zurich, 1953. - vol. 1. - P.94-99.

107. Bjerrum, L. The effect of time on the shear strength of soft marine clay / L.Bjerrum, M.Simons, J.Torblaa// Proc. Conf. Earth Press Problems. — Brussel, 1958.-vol.1.-P. 148-158.

108. Found. Eng. London, 1957. Vol.2. - P.315-320.

109. Higo Y. A Three — Dimensional Elasto-Viscoplastic Strain Localization Analysis of Water-Satureted'Clay / Y. Higo, F. Oka, T. Kodakat, S. Kimoto // Gco-Research Institute, Osaka, Japan. Vol; 86, 2006. - P. 3205 - 3240.

110. Hu L.Testing andiModellingof- Soil-Structure Interface / L. Hu, J. Pu // Jour-naBof GeotechnicaBandiGeoenvironmental-Engineering. — Vol. 130. No. 8, 2004.- P. 1-10.

111. Mao-hong Yu. Advances, in strength theories for materials under complex stress state in the 20th Centary. Appl. Mech. Rev. Vol. 55. - No. 3, 2002, 5 Op.

112. Mitchell J.K. Discussion on stress deformation and strength characteristics, including time effects // Proc. 7-th Intern. Conf. Soil. Mech. Found. Eng. -Mexico, 1969.-Vol.3.-P. 159-169

113. Robinson R.G., Allam M.M. Effect of Clay Mineralogy on Coefficient of Consolidation // Clay and Clay Minerals. Vol. 46. - No. 5. - 1998.-P.596-600.

114. Tidemann H. Über die Schubfestigkeit bindiger boden /H.Tidemann// Bautechnik. 1937.-Vol.10.-No 13.-P.8-14.

115. Trollope D., Chan C. Soil structure and step-strain phenomenon // Proc. Am. Soc. Civ. Eng. Colorado, 1960. - Vol.86. - SM2. Pt.l. - P. 1-39.

116. Wang N., Wei R. Evaluation of Sample Quality of Soft Clay // Proceedings of 2th International Conference on Soft Soil Engineering. — 1996, Nanjing. P. 120-125.

Похожие работы

Строительство
05.23.00