автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Ползучесть и виброползучесть песчаных грунтов оснований зданий и сооружений

На правах рукописи

Соболев Евгений Станиславович

ПОЛЗУЧЕСТЬ И ВИБРОПОЛЗУЧЕСТЬ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

005556295

Москва - 2014 г.

005556295

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Тер-Мартиросян Завен Григорьевич

Официальные оппоненты: Ставницер Леонид Рувимович,

доктор технических наук, профессор, ОАО «НИЦ «Строительство» Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова, начальник экспертно-аналитического отдела

Королева Ирина Владимировна

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры Оснований, фундаментов, динамики сооружений и инженерной геологии

Ведущая организация: ОАО «Институт по изысканиям

и проектированию инженерных сооружений «Мосинжпроект»

Защита состоится » '(Ре.КСь&р'й 2014 г. в А/ _ на заседании диссертационного совета Д 212.138.08, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте http://www.mgsu.ru.

Автореферат разослан «¿V» А'О^ОД^? 2014 г.

Ученый секретарь .__Знаменский

диссертационного совета СЗ Владимир Валерианович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При проектировании, строительстве и эксплуатации промышленных и гражданских зданий и сооружений, в том числе высотных зданий и комплексов с развитой подземной частью, часто возникает необходимость учёта циклических и вибрационных воздействий на напряженно-деформированное состояние (НДС) фунтов оснований, в том числе для определения дополнительных осадок и кренов фундаментов.

Достоверность количественной оценки этих величин во многом зависит от достоверности и точности определения расчетных параметров деформируемости и прочности, в том числе ползучести и виброползучести грунтов оснований, в лабораторных и полевых условиях.

Опыт эксплуатации различных видов зданий и сооружений показывает, что длительные циклические и вибрационные воздействия с амплитудой 30% от статической нагрузки и частотой от 1-10 Гц приводят к накоплению дополнительных остаточных деформаций в грунтах основания, что в конечном итоге приводит к дополнительным остаточным осадкам и кренам фундаментов. В во-донасыщенных песчаных грунтах циклическое и вибрационное воздействия могут привести к их разжижению и полной потере прочности и устойчивости. Поэтому изучение свойств ползучести и виброползучести и их использование при прогнозировании НДС оснований сооружений является актуальной задачей прикладной механики грунтов и фундаментостроения.

Цель исследования заключается в изучении и совершенствовании методов исследования и описания механических свойств грунтов при кинематическом, циклическом и вибрационном воздействиях, и разработке на их основе методики количественной оценки НДС оснований зданий и сооружений, в том числе для определения дополнительных осадок и устойчивости при динамических нагрузках.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

1) анализ современного состояния экспериментальных и теоретических методов изучения НДС оснований зданий и сооружений при статическом, кинематическом, циклическом и вибрационном воздействиях с учетом реологических и виброреологических свойств грунтов;

2) экспериментальные лабораторные исследования механических свойств грунтов в условиях трехосного сжатия в кинематическом, циклическом и вибрационном режимах нагружения, необходимые для построения новых реологических моделей грунтов и определения параметров этих моделей;

3) построена новая реологическая модель грунта на основе учета неодинакового сопротивления грунта при нагрузке и разгрузке, переменности вязкого сопротивления во времени и степени водонасыщения;

4) выполнен анализ результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических исследований при различных режимах нагружения, в том числе кинематическом, циклическом и вибрационном воздействиях. Показано, что во всех этих случаях дополнительные деформации, как правило, развиваются с затухающей скоростью, т.е. пропорциональны логарифму времени;

5) обоснован метод расчета дополнительных осадок фундаментов зданий и сооружений при вибрационном воздействии путем коррекции деформационных характеристик грунтов по результатам специальных лабораторных испытаний в режиме динамического трехосного сжатия;

6) решены примеры прикладных задач механики грунтов аналитическим и численными методами с применением разработанных реологических моделей грунтовой среды при статических, циклических и вибрационных нагрузках.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

1. На основе анализа экспериментальных и теоретических исследований физико-механических свойств грунтов построены модифицированные реологические модели, и составлены соответствующие уравнения, учитываю-

щие особенности поведения грунтов в условиях кинематического, циклического и вибрационного нагружения.

2. По результатам лабораторных испытаний песчаных грунтов определены основные реологические параметры, входящие в состав механических моделей для прогнозирования напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений.

3. Разработанные реологические модели описывают остаточные деформации и напряжения, а также явление ползучести и виброползучести при трехосном сжатии в режиме кинематического, циклического и вибрационного нагружения, что имеет важное прикладное значение.

4. Установлено, что при циклическом нагружении дополнительные деформации в песчаных грунтах развиваются, преимущественно, прямо пропорционально логарифму времени, причем, интенсивность этих деформаций зависит от относительной амплитуды Ах/хст и приведенного порового давления и„/<7, а также степени приближения к предельному состоянию т/т, .

5. Решена задача о взаимодействии одиночной залавливаемой сваи с окружающим упруго-вязкопластическим грунтовым массивом ограниченных размеров с учетом лидерной скважины. Выполнены расчеты НДС нелинейно деформируемого неоднородного грунтового массива вмещающего абсолютно жесткую сваю при статическом и циклическом воздействиях. Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается тем, что они основаны на анализе результатов экспериментальных лабораторных исследований свойств грунтов в кинематическом и циклическом режиме нагружения, а также на теоретических исследованиях ползучести и виброползучести песчаных грунтов на основе современных методов прикладной механики грунтов.

Практическая значимость и реализация работы. Полученные в диссертационной работе результаты экспериментальных и теоретических исследований позволяют: усовершенствовать теоретические основы описания механических свойств грунтов при статическом, кинематическом и циклическом воздей-

ствиях; дать научное обоснование накопления дополнительных деформаций и напряжений в грунте при циклическом нагружении; использовать полученные результаты в совершенствовании методов лабораторных испытаний с целью определения физико-механических свойств грунтов в условиях трехосного сжатия при кинематическом, циклическом и вибрационном режимах нагружения; развивать методы количественной оценки остаточных деформаций и напряжений в основаниях зданий и сооружений аналитическими и численными методами с учетом ползучести и виброползучести грунтов.

Результаты испытаний грунтов по разработанной методике были использованы при проектировании новых станций и тоннелей Кожуховской и Калинин-ско-Солнцевской линий Московского метрополитена. Кроме того, выполнены экспериментальные лабораторные исследования для обоснования проектных решений оснований АЭС Смоленск-2, Российская Федерация и АЭС Руппур, Народная Республика Бангладеш.

Апробация работы. Основные положения работы опубликованы в ведущих научно-технических журналах по тематике исследования и обсуждались на: Международной научной конференции «Инновации, партнёрство и интеграция в строительном образовании и науке» (Москва, МГСУ, 2011 г.); XIII Международном симпозиуме по реологии грунтов «Достижения, проблемы и перспективные направления развития для теории и практики механики грунтов и фундаментостроения» (Казань, КГ АСУ, 2012 г.); XV Международной межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Москва, МГСУ, 2012 г.); Научно-практической конференции «Геотехника: теория и практика» (Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2013 г.); Научно-технической конференции «Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение» (Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2014 г.); XIV Международном симпозиуме по реологии грунтов «Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов» (Казань, КГ АСУ, 2014 г.).

Личный вклад соискателя заключается в: анализе существующих и выполненных результатов экспериментальных исследований ползучести и вибро-

ползучести; анализе методик количественной оценки напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений при различных типах динамического нагружения; проведении и анализе результатов лабораторных исследований реологических и виброреологических свойств грунтов на приборах трехосного сжатия; уточнении и составлении новых реологических моделей неводонасыщенных и водонасыщенных песчаных грунтов с учетом упруго-вязкопластических свойств; решении прикладных задач механики грунтов и свайных фундаментов на основе предложенных реологических моделей грунтов.

На защиту выносятся: результаты экспериментальных лабораторных исследований грунтов при кинематических, циклических и вибрационных нагрузках, и их математическое описание, основанное на дополненных, уточненных и модифицированных реологических моделях; примеры применения модифицированных реологических моделей грунтов для решения задач прикладной механики грунтов и фундаментостроения.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, из них 3 в научных журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и приложения. Диссертационная работа содержит 150 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 5 таблиц, 138 формул, список литературы из 147 наименований.

Автор считает своим приятным долгом и искренне благодарит своего научного руководителя, заслуженного деятеля науки РФ, почетного академика РААСН, лауреата Правительственной премии РФ в области науки и техники, заведующего кафедрой «Механика грунтов и геотехника» ФГБОУ ВПО «МГСУ», почетного профессора МГСУ, доктора технических наук Тер-Мартиросяна Завена Григорьевича за постоянное внимание и всевозможную помощь при выполнении настоящей работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен обзор существующих экспериментальных и теоретических методов исследования ползучести и виброползучести грунтов. В соответствии с современными представлениями о взаимодействии подземных конструкций зданий и сооружений со сжимаемым грунтовым основанием при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях выполнен анализ существующих методов количественной оценки НДС, отмечена необходимость учета остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде при циклических и вибрационных воздействиях.

Наибольший вклад в изучение явлений ползучести и виброползучести внесли научные работы следующих ученых: М.Ю. Абелева, Д.Д. Баркана, Е.А. Вознесенского, С.С. Вялова, Н.М. Герсеванова, С.С. Григоряна, Ю.К. Зарецко-го, П.Л. Иванова, В.А. Ильичева, Н.Д. Красникова, М.В. Малышева, H.H. Мас-лова, С.Р. Месчана, И.Т. Мирсаяпова, А.Д. Потапова, JI.H. Рассказова, O.A. Савинова, JI.P. Ставницера, З.Г. Тер-Мартиросяна, В.А. Флорина, H.A. Цытовича, I.M. Idriss, К. Ishihara, N.M. Newmark, H.B. Seed, A.W. Skempton.

Экспериментальные и теоретические исследования реологических свойств грунтов при статическом и циклическом воздействиях не позволяют считать до конца решенной задачу долгосрочного прогнозирования НДС грунтового массива и требуют дальнейшего совершенствования.

Методы количественной оценки НДС массивов грунтов, вмещающих подземные части зданий и сооружений при статическом и циклическом воздействиях, существующие в настоящее время также требуют совершенствования. При этом необходимо учитывать большое количество факторов, что возможно путем использования численных методов оценки НДС.

В конце первой главы излагаются выводы и приводятся формулировки цели и основных задач исследований.

Вторая глава посвящена результатам лабораторных исследований реологических и виброреологических свойств воздушно-сухих и водонасыщенных песчаных грунтов. В рамках диссертационного исследования были выполнены серии трехосных испытаний при кинематическом, циклическом и вибрационном режимах (всего более 200 испытаний). Исследования проводились на базе лаборатории Научно-образовательного центра «Геотехника» Московского государственного строительного университета». Рассмотрим некоторые из них.

Кинематический режим нагружения (у = const). В диссертационной работе приведены зависимости коэффициентов вязкости воздушно-сухих и водонасыщенных грунтов и модуля сдвига от величины всестороннего сжатия (рисунок 1) песчаного грунта по результатам испытаний в приборе трехосного сжатия по траектории раздавливания образцов-близнецов.

А

Г— k

А/ i.

Ikvuuutcuiitfiiiiufl к<

Рисунок 1. Результаты трехосных испытаний водонасыщенного песчаного грунта в кинематическом режиме нагружения. Зависимости вязкости (г)) (а) и модуля сдвига (С) (б) от всестороннего сжатия (а)

Вибрационный режим нагружения. Выполнен анализ процесса развития дополнительных деформаций по результатам лабораторных исследований (рисунок 2). Отмечается, что при вибрацонном воздействии грунты упрочняются с ростом количества циклов (Ы) и во времени (1=Ы-Т). Эту зависимость можно определить по эмпирической формуле

41) = а(со)\п{1!т), (1)

где й(ет) - параметр зависящий от частоты; Т- период изменения нагрузки.

Далее в диссертационной работе приводятся результаты экспериментальных испытаний в приборе трехосного сжатия в вибрационном режиме. Анализ полученных результатов позволил определить зависимость вязкости от частоты

вибрационного нагружения: вязкость грунтов возрастает тем больше, чем больше частота вибрационной нагрузки.

Рисунок 2. Зависимость относительных деформаций (е,) от времени нагружения Н) в секундах при частоте 20 и 50 Гц

Оценка критериев разжижения. Результаты испытаний песчаных грунтов для определения критериев разжижения при циклических нагрузках, вызванных сейсмическим воздействием приведены на рисунке 3.

«0000*®

ьШШж

а) 150 3X1 «0 41(1 4» 450 4»

= 2 0.50

а" о л) | 0.«

ж

■V ¿Г) 39*1 т .1Ш IV» 4(1X1 40Н1 Л«»

-••>?■ в™.

) .'чю ими вдо \

: ч

Про«..

ут .ччо лаю юш

Рисунок 3. Результаты испытаний пылеватых водонасыщенных песков. Глубина отбора - 24,75 м. Зависимости порового давления от касателъ-

< I

ного напряжения (а), порового давле- ¡™ '

ния (б) и вертикальных перемещений ?" 1

(в) от времени нагружения

Подтверждено, что критерием начала процесса разжижения является развитие 5%-ной осевой деформации, а также увеличение коэффициента избыточного давления поровой воды «„./о-—>1. Отмечено, что разжижению подвержены водонасыщенные песчаные грунты с глубины залегания до 25 м.

Циклический режим нагружения. В лаборатории НОЦ «Геотехника» исследования динамических свойств грунтов с целью исследования изменений

динамического модуля сдвига Од (рисунок 4, а) и исследования коэффициента демпфирования грунтов О (рисунок 4, б). Эти характеристики применяются при проектировании зданий и сооружений повышенной ответственности с учетом динамических нагрузок на грунтовое основание.

♦

А»

\

СМ - '28 ГлЫ • 2Ь

(шж-кю шлия 10011-05 зде-ш 4:тит 5.ооын ьт-..т Угпогая .гсформдиия у,

ГЦ у]-(\5H6tnlyi- 5.4455

ОД I..........-----------------------------------........*

О.ОС1Е*<Ю 1л0&05 2.00&05 *,0ОЕ-05 и.«Ч:-05 ЗДО&ОЗ

Угловая леформаооя '»

»17Ю1НЯ .КЧРОРМОИНЯ

Рисунок 4. Результаты испытаний пылеватых водонасыщенных песков для оценки динамического модуля сдвига и коэффициента демпфирования. Глубина отбора -15,5 м. Зависимости динамического модуля сдвига С (а) и коэффициента демпфирования И (б) от угловых деформаций у

Анализ результатов выполненных испытаний показал, что увеличение амплитуды деформаций сдвига приводит к существенному снижению динамического модуля сдвига. Отмечено, что снижение коэффициента демпфирования (затухания) также связанно с ростом амплитуды деформаций сдвига.

В третьей главе приводятся описание реологических моделей грунтов и соответствующих им уравнений, необходимых для описания процесса накопления деформаций уплотнения и сдвига при циклическом и вибрационном воздействиях. Эти уравнения составлены на основе анализа результатов экспериментальных исследований, изложенных в 1-й и 2-й главах.

Известно, что для фунтовой среды зависимость «нагрузка-разгрузка» при объемном изменении и формоизменении характеризуется наличием упругой и пластической деформации (рисунок 5)

_1_ Кп

-=— + — , (2)

\0 Ке Кр Со ве вр

где £0,С0 - модули общей (суммарной) деформации объема и сдвига, соответ-

ственно; Кс, Сг - модули объемной и сдвиговой упругой деформации, соответ-

ственно; Kp,Gp - модули объемной и сдвиговой неупругой деформации, соответственно.

CJJ1 х 1

ер е" £" ур у у

Рисунок 5. Графики зависимости а- = /(с) и г = /(у) при нагрузке и разгрузке Зависимость между напряжениями и деформациями при изменении формы (т-у) и изменении объема (ег-е), имеющую нелинейный характер, можно представить уравнениями вида:

Ь О

71=———;

с,

£ = (4)

где а, Ь - параметры компрессионной кривой; т - предельное значение интенсивности касательных напряжений, зависящее от среднего напряжения ст = (сг1+<т2+стз)/3, г* = о-•+ с, где (3, и с, - параметры прочности грунта; г;, - упругий модуль сдвига.

Для описания деформаций ползучести предлагается реологическое уравнение Бингама-Шведова-Маслова в актуализированном виде

(5)

4) с,

где +е~/") - коэффициент вязкости; а,р - параметр упрочнения и ра-

зупрочнения.

Представленные модели грунта прямо применимы только в случае сухого грунта и описывают деформационные свойства скелета грунта. Если степень водонасыщения грунтов (0,8<5Л<1), то в условиях закрытой системы (недрени-рованные испытания) необходимо использовать приведенные модули деформа-

ции и приведенные параметры прочности грунта, отнесенные к тотальным напряжениям. При заданных значениях степени водонасыщения грунта и модулей деформации грунта в целом (Кю Си) можно представить в виде:

К'=К'+^'°»=С» (6)

где б, и б, - модули сдвига скелета грунта и грунта в целом; А", - модуль объемной деформации скелета грунта; К„ - модуль объемной деформации поровой газосодержащей воды, по А. Скемптону

где п - коэффициент пористости грунта; А'и;, - модуль объемной сжимаемости поровой воды растворенным в ней воздухом; Ка - модуль объемной сжимаемости воздуха; 5Г - коэффициент (степень) водонасыщения; уи. - удельный вес воды; ра - атмосферное давление; г - глубина от поверхности грунта в массиве.

Экспериментальные исследования в режиме трехосного сжатия образцов грунтов в условиях отсутствия дренирования показывают, что с каждым циклом «нагрузка-разгрузка» в водонсыщенных грунтах накапливается избыточное поровое давление, которое можно определить по зависимости

д = 1 _ 1 1

где Ks„ it Ksp— модуль объемной деформации скелета грунта при нагрузке и разгрузке.

Полагая, что с каждым циклом к, возрастает, к1р*const, Kw= const и Ks„(i)=Kt где количество циклов ;=1, 2, 3,..., //получаем для /'-го цикла приращение порового давления

Л М Асг1 1 1

и(,)= —-;—t-J- W

При циклическом воздействии частота нагрузки связана с количеством циклов через выражение / = саг/2л-. Интегрирование по времени формулы (9) с учетом Я = п(к°н/1 позволяет получить выражение вида:

Подстановка полученного выражения для зависимости порового давления от времени из выражения (10) в реологическое уравнение (5) с учетом

г-*(/)=о--ии,(/)-/^+с и интегрирование полученного выражения по времени, позволяет получить зависимость угловых деформаций у от времени г (рисунок 6) при различной степени водонасыщения 5г1 = о,5,2 = о,8(/?0 =0,7), 5г3 = о,9(д, =0,8), 5М=1(А=1)-

водонасыщения, рассчитанные по формуле (5), причем > 5,3 > 5'г2, 5Г| = О

В диссертации приводится описание процесса накопления угловых деформации в случае циклической нагрузки, которая прикладывается после предварительного обжатия (а0) и этапа статического девиаторного нагружения (г = г0). Изменение циклической нагрузки задается уравнением г = г0 + ктйЛ , Дг = г0 -амплитуда.

, , Мо) 1п 2Л- + />0ЛФ/^

Ау/ 1 2;г ) \

(10)

Принимая зависимость модуля сдвига при нагрузке от количества циклов в виде: (/) = С|10 •;, где / = 1,2,3,...,/^, и ор=отм можем определить за ./V циклов «нагрузка-разгрузка» угловую деформацию

/(/)= zV(0 = Ara'z

¡=1

( Л f \

1 1 1 1

GPJ < % V / "0 J

(И)

Учитывая, что количество циклов связано со временем испытания зависимостью N=1/1", где Т - период действия одного цикла, можно заменить ьй цикл на время, т. е. i = . Тогда получим

ио=

Ar.W

cot

2л °>>/.

(12)

Зависимость приращения угловых деформаций Ау от времени г при затухающей виброползучести, рассчитанная по формуле (12), имеет вид представленный на рисунке 7.

д-мо д-ми

Рисунок 7. Зависимости приращения угловых деформаций Дy(t) (с учетом упрочнения - Ау,, без учета упрочнения - Ауг) при циклическом воздействии и касательных напряжений г, от времени (t), т.е. i-0(r)=r„ sin<a (красная линия).

Расчет выполнен по формуле (12)

Таким образом в диссертации переход от модели грунта неодинакового деформирования при нагрузке и разгрузке к временной зависимости y = f{G„,Gp)-*y -fit) осуществлен без интегрирования, с помощью числовых рядов и частичных сумм, что значительно проще.

Четвертая глава посвящена примерам решения задач прикладной механики грунтов и свайного фундаментостроения на основе составленных реологических моделей с учетом нелинейных свойств песчаных грунтов, полученных по результатам лабораторных испытаний грунтов.

НДС грунтового массива при погружении сваи в лидерную скважину. В промышленном и гражданском строительстве используются предварительно изготовленные сваи, погружаемые в основание методом задавливания или забивки, с применением и без применения лидерной скважины. Погружение сваи в лидерную скважину приводит к возникновению сложного НДС в окружающем сваю грунте и под нижним торцом, которое и определяет её несущую способность под действием внешней нагрузки.

1 >,1 Р

II ¿ь А. #

'.77777. 7777 ю V 777ГГ/.

(а)

Рисунок 8. Расчетная схема осесимметричной задачи напряженно-деформированного состояния грунтового 1{илиндра (а). Распределение напряжений и перемещений по радиусу в грунтовом цилиндре (б)

В диссертации рассмотрена расчетная схема осесимметричной задачи НДС толстостенного 1рунтового цилиндра (при граничных условиях, заданных в перемещениях) составленная на основе геомеханической модели грунтовой ячейки проф. З.Г. Тер-Мартиросяна (рисунок 8, а).

Уравнение равновесия такой осесимметричной задачи при тгв = 0 записывается в виде:

а,. -ста+г-

с1г

= 0

(13)

которое с учетом геометрических

¿Л/ и V г \

£г = —) £в = ~ > = —К + сг^ с1г г Е

и физических уравнений Е

1-у'

{ег +уеп)^ а о =-(ев +ирг)> ^ = 1/(СТг+а-в)_

принимает вид:

1-г

(/ и 1 А и

—5-+------г = 0

Г (1г г1

(15)

(16)

(17)

Общее решение уравнения (16) известно и имеет вид

и{г) = А - г + В — г '

В рассматриваемой задаче граничные условия приняты с учетом того, что на внешнем радиусе г3 рассматриваемого грунтового цилиндра перемещения отсутствуют, а на внутреннем радиусе г0 происходит перемещение "о \г = г0 -> и{г) = и(г0) = и0=гс- г0

[г = г3->и(г) = и(г3) = 0 • (18)

Отметим, что при таких граничных условиях задача Ляме ранее не рассматривалась.

Исходя из граничных условий (18), определяются коэффициенты А и В в уравнении (17), т. е. получаем

и0 = А-г0 + В--

_1_

го

О = А ■ г, + В ■ —

3 Г?-г02

(19)

Зависимость перемещений грунтового цилиндра от радиуса получена подстановкой полученных коэффициентов из (19) в уравнение (17)

и(г)=-

ИпП

О'О

2 2 А -Гп

■ г + п

2 И ()>'{) 1 "о'Ь

'3 -'о

г0 V

(20)

Далее в диссертации приводится выражение для реактивного давления, которое возникает на контакте сваи с окружающим грунтом при «0 ~гс~го, т.е.

Ро

ипг.

о'о

1-v2 г32-г02

l + v + -S-(l-v)

(21)

Полагая, что пластические зоны в первую очередь образуются на контакте погружаемой сваи и грунта, то величина начального критического реактивного давления по боковой поверхности сваи определяется выражением

Ро :

"о'о

1 — V г,

2 „2

l + sin^? 2c-cos<p l-sin^? 1 —

(22)

Полученное решение для реактивного давления стенок лидерной скважины применяется для определения усилия, с которым необходимо погружать сваю. Рассматривается состояние равновесия при погружении сваи (рисунок 9). Очевидно, что оно должно удовлетворять условию

Ат = Т + Я, (23)

где Л' - усилие, которое необходимо приложить для погружения сваи; Т - сопротивление погружению сваи по боковой поверхности; Я - сопротивление погружению сваи по острию (с учетом устройства лидерной скважины).

В диссертации показывается, что усилие, которое необходимо приложить к оголовку сваи, при учете сопротивления по боковой поверхности и по контуру на острие сваи, определяется выражением

N = uczZf¡+ 2я-(р0 ¿=0

tg<p

-С)

fc -Го )

(24)

cose sin2ar

где ис - наружный периметр поперечного сечения ствола сваи; р0 - определяется выражением (18); Z - глубина погружения сваи от устья лидерной скважины; ft - расчетное сопротивление I -го слоя грунта, контактирующего с боковой поверхностью сваи в соответствии с СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты», табл. 7.2; hc- длина сваи.

Рисунок 9. Расчетная схема к механизму внедрения сваи в грунт с применением модифицированной реологической упруго-вязкопластической модели

Рисунок 10. Графики зависимости функции p(t) при различных значениях коэффициента вязкости rj, <r]2<i]3< rjt

Далее в диссертации приведено решение задачи о релаксации избыточных напряжений вокруг сваи. Зависимость реактивного, давления грунта вокруг сваи определяется выражением вида (рисунок 10)

р{')=Р'

1-е

+ Р(г0)е ' ,

(25)

с условием, что реактивное усилие в начальный момент времени релаксации / = г0 равно избыточному реактивному давлению р(т„)=р0, а начальное критическое давление р'=р'„.

Анализ полученной зависимости (25) позволяет сделать вывод о том, что со)< р(г г0), и, следовательно, давая отдых при погружении свай и уменьшая скорость погружения, можно изменить р и, следовательно, понизить сопротивление внедрению сваи

51П2 а

и продолжить погружение её меньшими усилиями. В практике свайного фун-даментостроения это явление известно и называется «ложным отказом» сваи.

Взаимодействие сваи с двухслойным основанием при статическом воздействии. В диссертации приводится аналитическое и численное решение задачи с упругой, упругопластической и вязкопластической расчетной моделью для

tg<p

(26)

описания нелинейных сдвиговых деформаций. Получены зависимости (рисунок 11) для определения значения напряжения на нижнем конце сваи р2 для упру-гопластической модели

л =-^--Р2\Р] _ Дь^-^Й- . (27)

2р'21(\-у2)ке в, [I !т' ) V /г* )_

где а - радиус сваи; Ь - радиус расчетной области (грунтовой ячейки); / -длина сваи; Сь С2 - модуль сдвига верхнего и нижнего фунтового слоя соответственно; г* - предельное значение касательных напряжений; р"г - предельное напряжение на пяте сваи, которое зависит от прочностных характеристик грунта.

Рисунок 11. Графики зависимостей й = /(УУ) (а) и У = /(Д) (б) при различных радиусах сваи о, > а2 > а, с учетом упругопластических свойств грунтов

В зависимости от физико-механических свойств грунтов при заданной длине сваи, обусловленной геологическим строением площадки строительства при статическом нагружении, можно определить оптимальный диаметр сваи, при котором максимально реализуется сопротивление грунтов под нижним ее концом (рисунок 12).

сваи /, </2 </3 (м) (б)

-.41=100 кН. Ь=6 м. 1=30 м ••N2=250 кН, Ь=6 -и. 1=30 -и ■-Л'3=450 кН, Ь=б м, 1=30 м

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

Раднуе скш и. и б)

Рисунок 12. Зависимости нагрузки на пяту сваи Я (кН) от радиуса сваи а (м) при различной нагрузке на оголовок сваи < Л^ < N1 (кН) (а) и различной длине

Взаимодействие сваи с двухслойным основанием при циклическом воздействии. Анализ рассмотренной выше задачи показал, что при циклическом нагружении происходит перераспределение контактных напряжений на ее боковой поверхности и нижнем торце (рисунок 14, б), при учете неодинакового сопротивления сдвиговым деформациям при нагрузке и разгрузке С,£СР.

Из решения статической задачи следует, что при нагрузке с амплитудой Ар{ на нижнем конце сваи приращение реактивного напряжения будет равно

("-^Н"-^)] да

При разгрузке рассматриваемое давление на нижнем конце сваи будет рав-

."ЦРА-Рг Л Ар^р,))

(29)

1т'

Вычислив разность Ap2jt из (28) и Ар1р из (29), можем определить приращение До, за один цикл «нагрузка - разгрузка» и соответствующую остаточную осадку за один цикл AV -VH-Vp

АР2('')=АРЬ,(0-АР2^. (30)

Вертикальное перемещение сваи при нагрузке и разгрузке определяется выражениями

_ак.(\-у2) Рг,„-Р1 . _<■(l-v2) Рг,р Р\ " ' р ' (jl) G2 Р2-Р2.,, G2 P2~Pi,p

где v2 и G2 - деформационные характеристики грунта под нижним концом сваи ке< 1 - коэффициент, учитывающий глубину приложения нагрузки на пяту сваи (для круглого сечения сваи ке =0,78, для квадратного сечения ке =0,88).

Если принять, что окружающий грунт при циклическом нагружении на каждом цикле упрочняется по закону С„"(/)=С„0 i, где i=l, 2, 3, ..., п , а С° = const, то можно по выражениям (30) и (31) построить зависимости Ар2 -i и ДV—i (рисунок 13).

и i

I *

5 =

¿/^ Количество циклов «нагрузка - ра н ручка» /

Рисунок 13. Зависимости «ау~1», « ьуо6щ -/» (¿г) г/ «д»2 -/», «Др2.

том упрочения грунтов основания сваи

i» (б) с уче-

, Донолвшельные перекальные

' перемещения Л( «»■,

Рисунок 14. Изополя вертикальных перемещений (V, цветовая шкала) от статической нагрузки (а) и от дополнительной циклической нагрузки частотой 1 Гц (б) в двухслойном грунтовом массиве вокруг сваи, с использованием модели упрочняющегося грунта (Hardening Soil). Решение в ПК PLAX1S

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ экспериментальных и теоретических исследований НДС песчаных оснований зданий и сооружений при циклических воздействиях на фундаменты показал, что при этом в грунтах возникают дополнительные остаточные деформации и напряжения. Геотехнический прогноз поведения грунтовых оснований необходим с учетом реологических и виброреологических свойств грунтов.

2. Характер формирования и интенсивность дополнительных остаточных деформаций в режиме трехосного сжатия существенно зависит от амплитуды дополнительных (по отношению к статическим) напряжений Ат/тст, от степени приближения к предельному состоянию г/г и от степени водонасыщения образцов песчаных грунтов 5,. Отмечено, что ползучесть и виброползучесть воздушно-сухих песчаных грунтов (5^0) имеет, преимущественно, затухающий, а в случае водонасыщенных (5,>0,8) - прогрессирующий характер.

3. Подтверждено, что ключевым фактором, приводящим к циклическому разжижению водонасыщенных песчаных грунтов, является возрастающее по-ровое давление газосодержащей воды, когда (и„/<7)—>1.

4. Анализ разработанных модифицированных реологических моделей показал, что они позволяют описать остаточные деформации и остаточные напряжения в грунтах при статическом, кинематическом и циклическом нагружении в случае учета упрочнения и разупрочнения песчаных грунтов, их структурной прочности и степени водонасыщения, а также описывает процесс накопления порового давления в водонасыщенном грунте.

5. Разработана методика количественной оценки НДС песчаных оснований при циклическом нагружении с учетом неодинакового деформирования грунта при нагружении и разгрузке (<3„ Ки позволяющая описать затухающую (с„ > 6'„() •/) и прогрессирующую (с„ = СМ1 •/) ползучесть и виброползучесть с помощью числовых рядов.

6. Решение задачи о взаимодействии одиночной сваи с окружающим упру-го-вязкопластическим грунтовым массивом ограниченных размеров с учетом 'предварительно пробуренной лидерной скважины показало, что при уменьшении скорости погружения, можно понизить сопротивление внедрению сваи.

7. Аналитически и численно решены задачи о взаимодействии сваи с нелинейно деформируемым неоднородным массивом грунта при статическом и циклическом воздействиях. Показано, что распределение усилия на сваю между боковой поверхностью и нижним торцом существенно зависит от геометрических размеров сваи, а также механических свойств грунтов.

8. При заданной длине сваи и нагрузке на оголовок, можно определить такое оптимальное значение диаметра и длины сваи, при котором сопротивление грунтов под нижним торцом сваи используется эффективно за счет оптимального распределения между боковой поверхностью и пятой сваи.

Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных статьях, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (помечены знаком *):

*1. Тер-Мартиросян З.Г., Соболев Е.С., Тер-Мартиросян А.З. Ползучесть и виброползучесть песчаных грунтов //Инженерные изыскания, 2014. — №5-6. — С. 24-28.

*2. Тер-Мартиросян З.Г., Соболев Е.С., Тер-Мартиросян А.З. Взаимодействие сваи с двухслойным основанием при статическом и циклическом воздействии с учетом нелинейных свойств грунтов // Инженерная геология, 2014. - №4. - С. 56-62.

*3. Тер-Мартиросян З.Г., Соболев Е.С., Тер-Мартиросян А.З. Напряженно-деформированное состояние грунтового массива при погружении сваи в лидирующую скважину // Жилищное строительство, 2014. - №10. - С. 51-55.

4. Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С., Мирный А.Ю., Сидоров В.В. Определение параметров модели hardening soil по результатам лабораторных испытаний. - Сборник статей научно-технической конференции "Геотехника: теория и практика". - Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2013. - С. 141-145.

5. Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С., Мирный А.Ю., Анжело Г.О. Влияние частоты и длительности вибрационных трехосных испытаний в вибростабилометре на развитие дополнительных деформаций песчаных грунтов. - Сборник статей научно-технической конференции : "Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение". — Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2014. - С. 27-33.

6. Тер-Мартиросян З.Г., Соболев Е.С. Напряженно-деформированное состояние оснований фундаментов с учетом неоднородности грунтов (дефектов) и исходного напряженного состояния. - Сборник трудов XIII

Международной межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - М.: МГСУ, 2010. - С. 807-813.

7. Тер-Мартиросян З.Г., Мирный А.Ю., Соболев Е.С. Трение качения в грунтах. - Сборник трудов международной научной конференции посвященной 90-летию МГСУ «Инновации, партнёрство и интеграция в строительном образовании и науке». - М.: МГСУ, 2011. - С. 366-373.

8. Тер-Мартиросян З.Г., Соболев Е.С., Тер-Мартиросян А.З. Напряженно-деформированное состояние нелинейно деформируемого грунтового массива вмещающего длинную сваю. - Материалы XIII Международного симпозиума по реологии грунтов «Достижения, проблемы и перспективные направления развития для теории и практики механики грунтов и фундаментостроения». -Казань: КГ АСУ, 2012. - С. 48-52.

9. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Определение параметров вязко-упругой реологической модели песчаных грунтов. - Сборник трудов XVII Международной межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - М.: МГСУ, 2014. - С. 234-238.

10. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Ползучесть и вибоползучесть грунтов. - Сборник трудов XIV Международного симпозиума по реологии грунтов "Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов". - Казань: КГ АСУ, 2014. - С. 8-23.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru