автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Оценка возможности определения параметров деформационной модели по результатам простейших

Г Го 0/1

МПС РФ

" •;":'' МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ университет путей

СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

На правах рукописи

КОТЕНКО АЛЕЕ^СШ ГЕННАДЬЕВИЧ

уда 624.131.54

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Г1АРА.МЕТРО В ДКОРМАЦКОШЮЙ МОДЕЛИ ПО РЕЗУЛЬТАТА!.! ПРОСТЕЙШИХ . (КОШРЕШЮШШ И СДВИГОВЫХ) ИСПЫТАНИЙ

05.23.02 - Основания и фундаменты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Путей Сообщения ЦШГе).

Научный руководитель - кандидат технических наук,'

доцент А.ВЛеонычев. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

Ведущая организация -• Совздорпроект.

Зшцита диссертации состоится Л\ среёрала 1994 г.

Д II4.0b.02 при Ыосковоском Государственном Университете Путей Сообщения (ШИТе) по адресу: 101475,ГСП, Москва, А-55, ул .Образцова, 15, ауд. Чб^З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета университета.

допоит Э.1,.Добров

кандидат технических наук, с.н.с. И.И.Сыуров.

л сг оо

в — на заседании специализированного совета

.• Автореферат разослан " •//

Ученый секретарь : специализированного совета

В.II .Мальцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблешь Работа посвящена оценке возможности определения параметров деформационной модели по результатам простейших (компрессионных и сдвиговых) испытания. Актуальность теш определяется необходимостью широкого использования нелинейных математических • моделей в проектировании оснований транспортных и г.ро-йьиленно-гратда!5ских сооружений с гелыэ учета фактических нелинейных свойств грунтов при оценке их напряженно-деформированного состояния.

Применение нелинейного подхода в проектировании грунтовых оснований обеспечивает принятие более рациональных и экономически обоснованных проектных решений по сравнению с распространенными методами линейного ио-делированил по двум группам предельных состояний: прочности и устойчивости, а также по деформациям.

Однако, при этом перед проектно-изыскательскими организация«!! встает проблема экспериментальной опенки входных параметров нелинейных моделей, проводящейся в ршдкох достаточно сложных и трудоемких трехосных исследований, Отсутствие и высокая дороговизна необходимого для отих целей лабораторного оборудования является серьезным сдергивающим фактором для широкого распространения нелинейного подхода в сфере массового строительного проектуфования.

В связи с этим проведенное в диссертационной работе рассмотрение возможности табличного получения некоторых результатов трехосных испытаний - в частности "паспорта" прочностных и деформационных свойств грунта

(по ГОСТ 26Ы8-85) - на основе простейших <компрессионных и сдвиговых) опытов, выполненных в соответствии с действующими нормативными указаниями, является современным и актуальным.

Цель работы и задачи исследований. Целью работы является оценка возможности определения параметров деформационной модели по результатам простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний применительно к песчаным грунтам.

Для достижения поставленной гели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику реконструкции закономерностей изиенешш деформационных характеристик Ун £ песчаного грунта применительно к траектории нагружения II по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний;

- разработать методику табличного построения "паспорта" прочностных и деформационных свойств песчаного грунта применительно к траекториям нагрукенил I и II по данный простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний .

• Научная новизна. Впервые показана возможность получения параметров нелинейной модели для сложного нал-рякенно-дефоршфованного состояния по результатам прос-' : тейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний:

- разработана методика реконструкции закономерностей изменения деформационных характеристик У и £ песчаного грунта применительно к траектории нагрукения II

• по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испы-

• танкй;

- разработана методика табличного построения "паспорта" прочностных и деформационных свойств песчаного грунта применительно к траекториям нагрртенип I к П по данным простейгих (компрессионных и сдвиговых) испытаний.

Практическая ценность работы. Предлагаемая методика определения параметров деформационной модели, построения "паспортов" прочностных и деформационных свойств песчаного грунта позволяет более полно учитывать нелинейные свойства песчаных грунтов при проектировании оснований транспортных и прсмьшленно-гразданскнх сооружений.

Проведенная работа составляет часть научно-исследовательских работ ШИТа по разработке методических основ расчета оснований по предельно-допустимым деформациям о рамках отраслевой комплексной программы .Ми играл-сстрол ("Мировой уровень", тема ИС 01.14).

Результаты исследований отражены в отчете НИР кафедры "Основания и фундаменты" КИИТа по теме 20/92 и переданы институтам: ГяпропромтрансстрсЯ, Гипротранс-ыост, СоездорЫИ, ЫАДИ,- РосгипродорНИИ с пелыэ практического использования методики определения параметров деформационной модели по результатам простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлялись на о1-ой научно-технической конференции .ЧАДИ.

Публика!тии. Но теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи.

Объеы работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Общий объем текста 152 страницы, в том числе 43 рисунка, 24 таблицы и список использованных источников из 93 наименований.

На защиту выносится:

- методика реконструкции закономерностей изменения деформационных характеристик "} и £ песчаного грунта применительно к траектории нагрукения П по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний;

- методика табличного построения "паспорта" прочностных и деформационных свойств песчаного грунта применительно к траекториям нагрукения 1 и П по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены обдае принципы построения нелинейных пластических моделей, а также особенности нелинейного подхода в расчетах грунтовых оснований и. проведен анализ наиболее известных видов представления результатов трехосных испытаний как основы нелинейного математического'моделирования грунтов.

Исходя из условия целесообразности применения для массового промьшленно-гражданского. и транспортного строительства относительно простой нелинейно-упругой модели, наиболее часто формулируемой в рамках деформационной теории пластичности Генки как

Я'ТТГ^ + Т^!?*^) . (I)

где У и £ - переменные параметры, или

2- , (2) где К и & - переменные параметры, особому рассмотрению подвергнуты детали, связанные с практически.! пр!шенением такой модели.

Обращено внимание на сложившуюся в численном моделировании практику использования для реализации де-. формапионной модели секущих модулей К и 6 , когда

а (3)

у I

Проанализирована форма представления результатов трехосных испытаний, рекомендованная ГОСТ 26518-85 применительно к деформационной модели - "паспорт" прочностных и деформационных свойств грунта, позволяющий з частности через формулы (3) получать требуемые параметры К и & .

Рассмотрена возможность оценки напряженно-деформированного состояния грунта через деформационные характеристики X к £ , когда в условиях сжатия при невозможности бокового расширения

и условиях сжатия при ограниченном боковом расширении

с __

-Л %/€,)] • (7)

Отмечено, что геометрически изменение параметров V и £ для различных условий нагрухения можно представлять с использованием зависимостей

что в общем случае позволяет реализовывать деформационную модель как с использованием (2) - через "паспорт" прочностных и деформационных свойств грунта и зависимости (3), так и с использованием (I) - через "паспорт" прочностных и деформационных свойств грунта н зависимости (8).

Вместе с тем подчеркивается, что оценка входных параметров нелинейных моделей (в том .числе - деформационной) производится в ходе трудоемких экспериментов, осуществляемых в несколько этапов на приборах трехосного скатил - наиболее сложной аппаратуре, применяемой в механике грунтов. Отмечается, «то проведение трехосных исследований, одного из самых ответственных этапов нелинейного' моделирования, невозможно для подавляющего большинства проектных организаций вследствие массового отсутствия необходимые трехосных приборов, что обусловило необходимость разработки методики табличного построения "паспорта" прочностных и деформационных свойств грунта по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний.

Во второй главе дано описание физических свойств исследованных грунтов, использованной аппаратуры и методики испытаний грунтов. Экспериментальные данные (фондовые материалы ШСа Гидропроекта) и анализ их графического представления с позиций (8), составляющий основу дальнейших исследований.

. В качестве экспериментального материала использованы результаты цикла трехосных испытаний НИСа Гидропроекта над рыхльш (/)(( = 1,49; 1,50 г/см3) и плотным

(/>с1 = 1,77; 1,76 г/си3) волжским мелкозернистым песком, представляющие совокупность исследовании цилиндрических образцов в крупногабаритном стабилометрэ ПТС-220, который по своей схеме мояет быть отнесен к типу Б.

В качестве исследуемых траекторий иагрут.ения (трехосного сжатия) пыбраги траектории I ¡1 П, которые вкдр-чаят б себя:

- траектория нагрутания I: перакй этап - осевое погружение' образца при невозможности О'окопого расширения с доведением <5; до некоторого значения и фиксацией ^ ; второй этап - уменьшение при 6~.f-con.st до разрушения образца;

- траектория погружения П: первый отап - гидростатическое пагруяение образца до некоторого значения

; второй отел - разрушение образца путем нарацава-шт осевого давления й>/ при б^-соп^ .

Выбор траекторий погружения I и П объясняется достаточностью проведения испытаний по схемви этих траекторий в,условиях массового строительства, что подтверждается практическим опытом исследований различных лабораторий, применяющих трехосные испытания для решения стандартных задач строительного проектирования.

Кроме того, учтено, что траектория нагруяения П рекомендована ГОСТ 26518-80 как основная для экспериментального построения "паспорта" прочностных н деформа-гионнкх свойств грунта.

Используя проведенный ранее анализ (8) применительно к.исследуемым грунтам и выбранным траекториям, отмечается , что

- на первой этапе траектории нагружешш I изменение деформационных характеристик^/ и £ / (рис Л, 2) ыо-кет быть оценено при помощи традиционных выражений (4) н (5), величина ^о монет быть найдена по известной формуле Яки: ,,

с Г/-5/П + .

- (г+^пЪ-^ (9)

- на втором этапе траектории нагргужения 1 изменение ^ и £ (рис.1, 2) может быть аппроксимировано к линейным зависимостям:

чГ^^+^/е^г^-^ , (10)

«п>

- на втором этапе траектории нагруткения П (первый этап траектории П - гидростатическое обжатие) изменение У (рис.1) по аналогии с (10) может бить аппроксимировано зависимостью

—

где о , а 50 определяется в соответствии с

(9). Констатируется, что решение для Е применительно к рассматриваемым условиям отсутствует.

Проведенное в диссертации сопоставление графиков зависимости £ -/{>0 для условий первого этапа траектории нагдуаения I и условий второго этапа траектории нагружения П по результатам испытаний образцов песчаного грунта с одинаковой плотностью и влажностью (рис.3) позволяет, используя "метод опорных точек", найти урав-. некие линии графика £ =/(У) на втором этапе траектории П и тем определить изменение £ ъ рассматриваемых условиях.

Схема изменения У для тоаагсторий нагружения 1 и II

/к&хеклюрм I

Рис. I

Схема иэионешш £ для траекторий погружения 1 и П

2 & этап траектории I

.

/аэтап траектории!

¿траектория Ж / ,

Рис. 2

Схема сопоставления £ для первого этапа траектории 1 и второго этапа траектории П

^этет /траектории I

яраехтория Ж

я,$

Рис. 3

Так, точка пересечения компрессионной ветви графика 1-ой траектории погружения и ветви девиаторного наг-рукения образна по П-ой траектории нагружения соответствует условия равенства (рис.З) модулей деформации -Е1 и значений коэффициентов поперечных деформаций

-А

Последующее исследование показывает, что в рассматриваемой точке величины боковых давлений образцов для условий обеих траекторий нагруяеиия можно считать приближенно равными (¿"¿-.^) - тайл.1 • рис.4.

Таблица I

Обозначение точек Модуль деформации, Т; Ша Козф.по-пспечных деформ.У Боковое давление Расхождение %

(Г/, Ша <Г/, Ша

А 14,61 0,31 0,437 0,422 3.4

В 24,28 0,31 0,877 0,844 3,8

• С 37,43 0,31 1,514 1,698 10,8

д 48,1б 0,31 2,100 2.Ы9 16,6

Исходя из этого, уравнение линии графика £"-//V) на второй этапе траектории П представлено в виде

% (13)

• В -

где 1~2.1>о I & ¿о - компрессионный модуль де-

формации, найденный из условия .

Поскольку описание (8) в рамках, траекторий натру-жения I и П таким образом становится полным, с учетом возможности определения £f в соответствии с известной . формулой • ■

Сопоставление стаОилометрических испытаний рыхлого волжского мелкозернистого песка в рамках зависимости Е=ф) для условий погружения в соответствии с траекториями I и П.

Ооозначения: /• - регрессионные зависимости но данным траектории нагруне-ния П; 2 - регрессионная зависимость по данным траектории нагругения I.

Рис. 4

где А - а

б, - ~ ес , (15)

где ^ и - начальный и текущий коэффициенты пористости соответственно, на основе приведенного материала сделаны следующие выводы:

- линейная аппроксимация зависимостей (8), установленная как возможность на примере песчаного грунта, позволяет получить простейшее аналитическое описание (0) применительно к условиям стабилометрических испытаний в соответствии с траекториями нагружения I и II;

- в условиях стабилометрических испытаний, моделирующих компрессионное сжатие (первой этап траектории 1) зависимости (8) обнаруживают тесную связь с прочностным показателем % (через коэффициент бокового давления (9)) и компрессионным показателем уплотнения 6 (формулы (14)-(1Ь)), что дает право использовать % и е в качестве базы для простейшего аналитического описания (8);

- возможность точного получения зависимостей (8) дает возможность точного построения "паспорта" прочностных н деформационных свойств на основе общей связи в рамках единой деформационной теории Генки.

В третьей главе предложена методика реконструкции закономерностей изменения деформационных характеристик V и £ песчаного грунта применительно к траектории нагружения Г1 по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний, а также методика табличного построена "паспорта" прочностных и деформационных свойств песчаного грунта применительно к траекториям нагружении 1

и П по-данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний, даны алгоритмы, примеры восстановления "паспортов" и анализ сходимости с опытными данными.

Принципиальная возможность разработки предлагаемых методик свяэырается с особой ролью некоторых точек гра-. фического изменения закономерностей (0), где эти точки не только выполняют роль начальных ординат и определяют величины угловых коэффициентов линейных аппроксимаций, но и оказывают существенное влияние на дальнейшую количественную оценку текущих деформационных показателей, являясь основой последующих расчетов.

Важным обстоятельством для целей исследования является то, что параметры таких точек ( , У/ и £/ , Е?*<> ) могут быть определены либо ( и I1/ ) по известной величине , зависящей от значений % (9), оцениваемого по результатам серии сбыт« сдвиговых опытов, проведенных для заданных величин осевого давления

, (16)

либо ( £/ и Е¡,-р) в соответствии с известными формулами (13)-(1Ь), где определяющими являются значения коэффициента пористости е , найденные на основе компрессионной зависимости

е^/Га}). . # (17)

На базе зависимостей (4)-<7), (9)-(Ю) и условия С* = изложена методика реконструкции закономе- ■

рнсстей изменения V и £ песчаного грунта применительно к траекториям I и И по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний. При этом изменение одного из главных напряжен«!'. ( <7/ или ), а такхе одного из

параметров или V задается произвольно.

Отдельной задачей исследования является разработка методики табличного построения "паспорта" прочностных и деформационных свойств песчаного грунта.

С отсй целью алгоритмы реконструкции закономерностей изменения У и £ по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний, построенные в виде разрозненных формуляров для отдельных этапов траекторий I и П, объэдшигатсп в рамках каждого из этапов и сводятся к 'формам с минимальным общим числом входных параметров.

Применявшиеся ранее зависимости (12) и (6) преобразуются в

5 ~ 1-)>(?-Л %/£г) " (18)

Объем полученных формуляров соответственно раса«-рявтся цутем добавления зависимостей:

61=^(^-0}) , (20) , (21). , (22) А"*/ , (23)

а также выражения

выведенного на основе (7).

Величина поперечной деформации оценивается исходя из: /А ,

<2з,

На основе предложенного расчетного метода состав-

лека программа для ЭВМ, где осуществлено автоматическое взаимодействие меяду различными этапами траекторий наг-' ружения 1 и И с введением в качестве исходных данных следующих параметров:

- начальное и конечное значения , а также сту- . пени его изменения на этапе компрессионного сжатия;

- уравнение зависимости \

- данные зависимости € "/(ё^) ъ табличном виде;

- значения б~г .соответствующие началу второго этапа траектории 1;

- шаг для вариации параметра ;

- значения , соответствующие началу второго этапа траектории II (равные необходимому уровню гидростатического обжатия) ^ = б"а ;

- иаг для вариации А )> .

На рис.Ь, 6 приводятся сравнительные зависимости "паспортов" плотного волжского мелкозернистого песка, полученные экспериментально и расчетным путем применительно к условиям траектории погружения П. Общая величина расхождения расчета с экспериментом составляет 20%.

В конце главы констатируется, что предлагаемый подход позволяет восстанавливг1ть результаты трехосных исследований применительно к траекториям 1 и П ках в рамках деформационных зависимостей (8), так и в рамках "паспорта" прочностных и деформационных свойств грунта, п не является сложным для пользователя: базируется на простейших формульных зависимостях механики грузов, в основе алгоритм» содержит "координатный метод" построе-

Сравнительные зависимости = {(&') а = для

плотного ( Ра = 1.77 г/см3) волжского мелкозернистого песка. Траектория нагрукения П.

МП а.

IО

б 3,0

Обозначения: х - расчетные значения; а - опыг 7-22Л; V -опыт 22-22П; Д - опит 23-22П; • - опиг 15-

22П.

Рис- 5

ния линий на плоскости и может быть сведен к автоматизированному счетному процессу с шестью простейшими входными параметрами, из которых только два являются экспериментальными, а остальные задаются произвольно.

В четвертой главе показан пример использования "паспортов" прочностных и деформационных свойств при опенке результатов испытаний центрально загруженного глубинного штампа, моделирующего работу нижнего торца буронобивной сваи в песчаном грунте.

Используя данные компрессионных и сдвиговых испытаний, для заданного мелкозернистого песка-средней крупности вычислены "паспорта" прочностных и деформационных свойств применительно к траекториям нагрукения 1 и П.

На их основе сотрудниками кафодры "Основания и фундаменты" МИИГа произведен численный расчет предполагаемой осадки штампа. Средняя величина ошибки между прогнозом и натурной величиной составляет 10^.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ современных подходов к опенке условий работы грунтов в основании сооружений свидетельствует о стремлении к бозмокно более полному учету их нелинейных свойств, обуславливающем, появление значительного количества нелинейных математических моделей грунтов. При этом для условий массового промъшленио-грааданского и транспортного строительства сохраняется целесообразность применения относительно простой нелинейно-упругой модели, сформулированной в рамках деформационной тоории

пластичности Генки.

2. Поскольку применение нелинейных математических моделей в практике проектирования оснований сооружений базируется на экспериментальном установлении ааконо'Мер-ностеЛ изменения деформационных показателей грунта в сложном напряженно-деформированном состоянии, широкое использование нелинейного подхода сдергивается массовым отсутствием в проектио-иэыскательских организациях современной экспериментальной базы: стайилометров и других приборов трехосного сжатия. Это предопределило попытку разработки методики опенки параметров нелинейно-упругой (деформационной) модели (на основе получения "паспорта" прочностных и деформационных свойств грунта -

1Х)СТ 26Ь18-6у) для стандартных условий строительного проектирования по данным простейших (компрессионных и сдвиговых) испытаний грунта.

3. В качестве экспериментальной основы были использованы результаты посла трехосных испытания ШСа Гидропроекта над рыхлим (/V я 1,49; 1,Ь0 г/см3) и плотным

1»77; 1,76 г/си3) волжским мелкозернистым паском по схемам траекторий нагружения х и И, а такяе установленный по данным отих испытаний закономерности графического изменения деформационных характеристик ^ и £ .

4. Сопоставление закономерностей графического изменения ч> и £ песчаного грунта для траекторий нагружения 1 и П, выявление особых точек этих закономерностей и установление возможности огснки параметров этих точек по результатам простейших (компрессионных и сдви-гоких) испытаний, позволили разработать методик!' рекой-

струхции исследованных зависимостей изменения У и Е. применительно к траектории погружения II и методику построения "паспортов" прочностных и деформационных свойств (по ГОСТ 2бо18-8о) применительно к траекториям нлгружения 1 и П для песчаных грунтов по результатам простейших (компрессионных и-сдвиговых) испытаний с составлением соответствующих программных продуктов.

Сравнение "паспортов" прочностных и деформационных свойств песчаного грунта, полученных экспериментально и построенных э соответствии с предлагаемой методикой, показывает расхождение данных в пределах 1520% и дает основание говорит» об удовлетворительной сходимости между экспериментальными и расчетными "паспортами".

6. Пример использования расчетного "паспорта" прочностных и деформационных свойств при оценке напряженно-деформированного состояния песчаного основания модели буронабивной сваи (опыты в лотке ЦШ>С Минтран-сстроя А.Ю.Смирнова) численным методом также дает удовлетворительный результат, показывая расхождение натурной и расчетной осадок около 10%.

7. В целом материал диссертации позволяет говорить о возможности использования расчетных "паспортов" прочностных и деформационных свойств песчаного грунта в стандартных условиях гр&нспортого и проыышленно-граж-данского строительства при отсутствии условий проведе-необходимых трехосных исследований.

ilo. теме диссертации опубликованы еледуюцив работы:

1. Леонычев A.B., Котенко А.Г. О построении паспорта прочностных и деформационных свойств грунтов по результатам простейших испытаний/ Моск.ин-т инж.к.-д.трлнрп. (ЫШТ). -М., 1992. -32с. -Деп. в ШМИНТПИ Госстроя СССР 22.04.S2, MI219.

2. Котенко А.Г., Леонычев A.B. .0 возможности построения паспорта прочности и деформируемости грунта применительно ко П-ой траектории нагружения (ГОСТовской) по результатам простейших испытаний/ Моск.ин-т инх.ж.-д. трансп. (ШИТ). 1992. -37с. -Деп. в ВШИНТШ5 Госстроя СССР 26.11.92, №11288.

Котенко Алексей Геннадьевич ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЩЕЯЬ'ИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОСТЕЙШИХ (КОМПРЕССИОННЫХ И СДВИГОВЫХ) ИСПЫТАНИЙ 05.23.02 - Основания и фундаменты

Сдано и наборSi.f2.93. ■ Подписано к печати Формат бумаги 60x90 Объем /\5 п .л .Заказ Тиррл /ОО.

Типография КИИТа, Москва, ул.Образцова, iö