автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Учет фильтрационных сил при оценке несущей способности консолидируемых оснований дорожных насыпей

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

УЧЕТ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СИЛ ПРИ ОЦЕНКЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КОНСОЛИДИРУЕМЫХ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ

(Специальность 05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и

аэродромов)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Э.М. ДОБРОВ

Москва 1999

На правах рукописи

ЛЕ БА КХАНЬ

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................:..................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................8

1.1. Актуальность прогноза деформации осадок и прочности дорожных насыпей в условии Вьетнама..............................................................................8

1.1.1. Коротко о развитии экономики и политики Вьетнама........................8

1.1.2. Геологические условия равнин Вьетнама.............................................9

1.1.3. Некоторые черты о дорожном строительстве на слабом основании в южной и средней части Вьетнама (на юге Вьетнама)............13

1.1.4. Строительство искусственных сооружений на слабом грунте

в Дельте реки Меконга (на юге Вьетнаме) в последние годы.....................16

1.1.5. Актуальность прогноза деформации насыпей в условии Вьетнама. 17

1.1.6. Понятие слабого грунта в дорожном строительстве..........................19

1.1.7. Водопроницаемость грунтов...............................................................20

1.2. Прогноз консолидации слабых оснований................................................22

1.2.1. Основные положения теории консолидации глинистых грунтов

и этапы её развития........................................................................................22

1.2.2. Основные положения теоретического и практического применения дрен............................................................................................40

1.3. Условия оценки прочности слабых оснований.........................................43

1.4. Выводы и постановка задач исследования................................................57

1.4.1. Фильтрационная сила..........................................................................57

1.4.2. Учет фильтрационной силы при оценке устойчивости насыпи........58

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПРОГНОЗЫ КОНСОЛИДАЦИИ И ПРОЧНОСТИ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ...................62

2.1. Основные уравнения линейной теории упругости...................................62

2.1.1. Матричное представление основных уравнений...............................62

2.1.2. Численные методы...............................................................................65

2.1.3. Методы конечных элементов..............................................................66

2.2. Математические теории консолидации и алгоритмы их решения...........73

2.2.1. Вывод математических моделей.........................................................73

2.2.2. Методы численного интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка.........................................79

2.2.3. Решение разрешающих уравнений с использованием МКЭ

по методу взвешенных невязок Галеркина..................................................81

3. ПАКЕТ ПРОГРАММ "SOL-SAP".................................................................83

3.1. Назначение и возможности пакет программ.............................................83

3.2. Минимальные требования для нормального функционирования

пакета "SOIL-SAP"............................................................................................84

3.3. Описание пакета "SOIL-SAP"....................................................................84

3.4. Метод разработки "SOIL-SAP"..................................................................85

3.5. Анализ сходимости решений при различных применяемых

типах элементов.................................................................................................95

3.6. Сравнение распределения напряжений при использования

решения Фламана и МКЭ..................................................................................98

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНСОЛИДАЦИИ И ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНО ДЕФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ (НДС) ОСНОВАНИЯ

С УЧЕТОМ ФАКТОРА ФИЛЬТРАЦИОННОГО ДАВЛЕНИЯ....................101

4.1. Исходные данные......................................................................................101

4.2. Определение допустимой высоты насыпи для исследования

действия фильтрационных сил.......................................................................102

4.2.1. Определение допустимой нагрузки..................................................103

4.2.2. Определение безопасной нагрузки....................................................104

4.2.3. Определение критической нагрузки по проф. К. Терцаги...............104

4.2.4. Определением зон предельного состояния по теории упругости... 104

4.2.5. Определяем зон предельного состояния по МКЭ............................105

4.2.6. Проверка скольжения по методу круглоцилиндрической поверхности скольжения.............................................................................107

4.3. Сравнение полей НДС слабого основания с учетом и без учета фильтрационной силы.....................................................................................110

4.4. Влияние схемы дренирования слабого основания

на характер НДС и осадку...............................................................................120

4.5. Определение очертание зоны заглубление дрен.....................................129

4.6. Влияние темпов отсыпки насыпи на характер НДС и её осадку...........137

4.7. Влияние высоты и ширины насыпи на темпы её осадки........................139

4.8. Влияние геологического строения на характер

поведения слабого основания и НДС.............................................................143

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕВОГО НАБЛЮДЕНИЯ И АНАЛИЗ ЭТИХ РЕЗУЛЬТАТОВ..............................................................................................................148

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................................................... 159

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........................................161

СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................170

-4-ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В практике проектирования и строительства автомобильных дорог применительно к сложным инженерно-геологическим условиям весьма часто возникает необходимость оценивать достаточно широкий комплекс геотехнических проблем, связанных с возможностью использования слабых грунтов в качестве оснований для конструкций дорожных насыпей. К этим проблемам, в первую очередь, следует отнести: необходимость оценки несущей способности слабого основания в его природном состоянии по плотности-влажности; возможность отсыпки насыпей с тем или иным темпом загружения слабого грунта; конструктивно-технологические приёмы, способствующие увеличению несущей способности основания, а также меры по ускорению процессов его консолидации и т.п.

Многие из указанных проблем могут быть в настоящее время успешно решены благодаря фундаментальным работам H.H. Маслова, В. Ф. Бабкова, H.H. Иванова, И.Е. Евгеньева, В.Д. Казарновского, JI.C. Амаряна, В.Н. Яром-ко, Э.М. Доброва, Jle Ба Лыонга и др.

Обычно в качестве слабых оснований дорожных насыпей выступают торфяные залежи, илистые отложения, слабые глины. При этом степень "слабости" основания определяется не столько абсолютными показателями сжимаемости и прочности на сдвиг грунта, сколько невозможностью без существенных деформаций и нарушения прочности выдержать конкретную конструкцию земляного полотна. Для решения задач, связанных с использованием слабых грунтов в основании насыпей, обычно широко используются решения механики грунтов как в плане определения несущей способности основания, так и в прогнозе процессов их консолидации. Причём здесь процессы консолидации грунтов оснований и роста их прочности выступают в тесной взаимосвязи, поскольку уплотнение слабых грунтов во времени под весом отсыпаемой насыпи приводит к постепенному повышению сопротивляемости сдвигу грунта и увеличению несущей способности основания в целом.

Проблемы теории консолидации водонасыщенных грунтов применительно к основаниям сооружений рассматривались в различное время К. Терцаги, Н.М. Герсевановым, В.А. Флориным, Био, Карилло, Тан-Тьон-Ки, Гибсоном, Ю.К. Зарецким, З.Г. Тер-Матиросяном, П.А. Коноваловым и др. Проблемам дорожного строительства и, в частности, вопросам прогноза осадок насыпей на слабых грунтах посвящены исследования Л.С. Амаряна, Н.Н. Маслова, В.Д. Казарновского, И.Е. Евгеньева, В.Н. Яромко, Ю.М. Васильева, Э.М. Доброва, Ле Ба Лыонга и др.

Как правило, та или иная теория консолидации математически описывает процесс появления и рассеивания давлений и напоров во времени в норовой жидкости и её отжатие, фильтрацию из грунта под их воздействием. Причём по мере завершения консолидации происходит постепенное увели-

и

чение давлении на скелет грунта и рост его плотности.

Однако нам представляется, что в слабом основании под весом насыпи происходит во времени не только перераспределение давлений между норовой жидкостью и скелетом грунта, а имеет место переменное во времени поле фильтрационного давления, интенсивность которого зависит от уровня давлений и напоров в поровой жидкости.

К сожалению, существующие решения не учитывают влияния данного фактора на устойчивость дорожной конструкций, напряженно-деформированное состояние её основания и эффективность дренирующих систем. В этой связи рассматриваемая диссертационная работа, посвященная анализу роли фильтрационного давления в процессах, которые обычно сопровождают отсыпку дорожной насыпи на слабом грунте, выполнена на актуальную тему, имеющую большое научное и практическое значение.

Целью работы является обоснование необходимости учета фильтрационного давления, возникающего в грунте основания при его консолидации, при оценке его напряженно-деформированного состояния, устойчивости и условий устройства дренажных конструкций.

-6В связи с этим в задачу входило.

1. Используя современные методы численного математического анализа, оценить характер влияния фильтрационных давлений на переменное напряженно-деформированное состояние консолидируемых слабых оснований дорожных насыпей.

2. Исследовать особенности напряженно-деформированного состояния и процесса консолидации слабого основания дорожных насыпей при условии учёта фильтрационных давлений.

3. Оценить эффективность дренирования слабых оснований дорожных насыпей в условиях влияния фильтрационных давлений.

4. Провести апробацию полученных теоретических решений путем сравнения прогнозируемых и фактических данных применительно к некоторым объектам дорожного строительства на слабых грунтах в условиях Вьетнама.

5. Разработать методические рекомендации для проектирования дорожных насыпей на слабых грунтах.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) с учётом фильтрационных давлений получены решения по прогнозу напряженно-деформированного состояния оснований дорожных насыпей и хода их осадок во времени за счёт консолидации слабых грунтов;

2) методами математического моделирования (МКЭ) выявлены и изучены основные закономерности формирования и изменения в процессе консолидации слабых грунтов напряженно-деформированного состояния, учитывающего активное воздействие на скелет грунта фильтрационного давления поровой жидкости;

3) в условиях наличия фильтрационных давлений установлены основные закономерности и особенности формирования нанряженно-деформирован-ного состояния и процесса консолидации слабых оснований в зависимости от геометрических параметров конструкции земляного полотна и условий дренирования грунтов.

Практическая ценность работы заключатся в следующем:

- составлен пакет программ для ПЭВМ, позволяющий на основе использования метода конечных элементов выполнить оценку напряженно-деформированного состояния слабых оснований и осуществить прогноз хода осадки дорожной насыпи с учетом темпов её отсыпки и дренажных конструкций;

- выявлена наиболее рациональная конструкция устройства вертикальных песчаных дрен в основании, позволяющая уменьшить общую длину свай;

- разработана методика учета фильтрационных давлений в слабом грунте оснований дорожных насыпей при проектировании земляного полотна на слабых грунтах в условиях Вьетнама.

-81. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Актуальность прогноза деформации осадок и прочности дорожных насыпей в условии Вьетнама

1.1.1. Коротко о развитии экономики и политики Вьетнама

Вьетнам - развивающееся государство в Юго-Восточной Азии (рис. 1.1.1). После Вьетнамской реконструкции (1986 г.) экономика Вьетнама с 1990 года постепенно и уверенно развивается. До 1988 г. Вьетнам страдал от дефицита продовольствия и гиперинфляции, однако после 1993 г. стал третьим мировом экспортером риса, а инфляция находится на приемлемом уровне. Европейские и Азиатские главы государств ускорили шаги по восстановлению дипломатических связей с Вьетнамом. В феврале 1994 г. США отменили эмбарго на оказание глобальной помощи и капиталовложении во Вьетнам, в июле этого года США расширили дипломатическое связи с Вьетнамом.

По прогнозу правительственной администрации Вьетнама : объём Валовой внутренней продукции 1998 года достигает примерно 340.000-345.000 миллиард VND (« 2025 миллиард USD). Прирост Валовой внутренней продукции по сравнению с 1997 г. : 9 %. Из них, рост сельскохозяйственной продукции - 4,3 %; рост промыш-

Рис. 1.1.1 Политическая карта Вьетнама

ленности -13 %; рост в сфере обслуживания - 9 % [165]. Эти данные показывают, что Вьетнам всё ещё входит в состав бедных стран мира, но экономика Вьетнама устойчиво и динамично развивается. Для дальнейшего развития экономики нам необходимо освоить новые труднодоступные районы страны.

1.1.2. Геологические условия равнин Вьетнама

ТИПИЧНЫЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗРЕЗ в районе Меконг дельта, на юге Вьетнама

Толщина слоя № Описание грунта в слое

20 - 30 м Ф (ОН) Ил с органическими веществами, черный, текучая консистенция

3 — 5 м <2> (БМ) Мелкозернистый песок, серый, сероватый, водонасы-щенный, средняя плотность

5 - 7 м © ($С) Мелкозернистый суглинок, желто-коричневый мягкопластичная консистенция

8 -10 м © Мелко - средний - крупно зернистый песок, желто-коричневый водонасыщенный, средняя плотность

© (СН) Глина, тугопластичная - полутвёрдая консистенция Дно скважин -50 м

Рис. 1.1.2 Типичный геологический разрез в районе Меконг дельта, на юге Вьетнама

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛАБЫХ ГРУНТОВ В РАЙОНЕ ДЕЛЬТЫ РЕКИ МЕКОНГЕ, НА ЮГЕ ВЬЕТНАМА

Таблищ 1.1.1

Количе- Конси- Число Естест- Плот- Плот- Сцепле- Угол Модуль

ство стен- пластич венная ность ность ние внут- общей

песча- ция ности влаж- скелета Частиц реннего дефор-

ных зё- ность трения мации

рен

Наименование грунта D < 0,1 ч ХР W Y Yo С 9w Е0

(мм) (%) (кН/м3) (кНУм3) (кН/м2) о (кН/м2)

Ил с органикой, маленьким 35 28 66 1,55 2,63 5 4° 50' 600

глинными линзами, тонкими - >0,8 - - - - - - -

пылеватыми песчаными слоя- 55 35 75 1,66 2,66 7 6° 10' 900

ми (0.5-1 мм)

о

Обычная высота дорожной насыпи на слабых грунтах во Вьетнаме: 4 -6м

Высота, начинающая вызвать разрушения оснований 2 - 3 м

Обычная высота насыпей на походах к мостам 2 -9м

Материалы, часто использующиеся во Вьетнаме для дорожной насыпи Суглинок, супесь

Новые материалы, начинающие использоваться во Вьетнаме (хотя сейчас они немного дороговаты)

Geotextiles, Terre arme, plassol, texsol, polystyrene

rjra3

A,

CHINA

л

ii

»"Dinh

laiphong

Gulf of

K" iTv ft I

JT

л л Возвышенные местности или горы !

Равнина

Равнина, на поверхности которой заложит мощный слой слабого грунта(на юге Вьетнама мощность этого слоя достигает ~ 20м)

iVinh

a Nang

iii Nhon

Ъ „a, fA

M Nha Trang "a Lat

Pi"'"' . . .

JrPhan Thiei

Рис. 1.1.3 Геологическая карта Вьетнама

болота

поверхность современной аллювиальной равкиш реки Меконг

ны

Рис. 11.4 Геоморфологическая карта современной аллювиальной равни-реки Меконг (южный Вьетнам)

Во Вьетнаме могут встречаться зональные и интразональные залегания слабых грунтов. Зональные образования (главным образом в виде болотных отложений) иногда встречаются в лесистых районах U Minh, Dong Thap, Minh Hai и т. д. (У Минь, Донг Тхап, Минь Хай) [69]. А интразональные отложения слабых грунтов обычно встречаются по современным поймам рек, дельтам, лиманам, прибрежным морским территориям и особенно в пределах равнин низовьев крупных рек Красной и Меконга. Мощность толщи намытой рекой аллювиальных отложений местами достигает 100 м (в северном Вьетнаме) и более 400 м (в южном Вьетнаме).

К слабым грунтам в нашей стране относятся болотные грунты, илы различного происхождения и различные глины в текучем и текуче пластичном состоянии и т. д. Эти слабые грунты имеют крайне низкие геотехнические характеристики. В состоянии природного залегания указанные слабые грунты характеризуются большими значениями коэффициента пористости, который во всех случаях превышает единицу. Природная влажность изучаемых слабых грунтов очень высока и в большинстве случаев превышает предел текучести этих грунтов.

1.1.3. Некоторые черты о дорожном строительстве на слабом основании в южной и средней части Вьетнама (на юге Вьетнама)

+ Настоящее состояние сети дорог [167].

В настоящее время сеть автомобильных дорог на юге Вьетнама усовершенствуется, ширина дорог увеличивается для увеличения пропускной способности. На некоторых участках дорог, материалы для отсыпки дорожной насыпи перевозятся из других мест, слабое основание усиливается "TRAM"* свай или использование песчаных дрен для повышения несущей способности слабого основания, на остальных участках местные материалы почти используются для отсыпки дорожной насыпи.

* Tram -распространенный вид дерево, которое