автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Устойчивость земляного полотна железных и автомобильных дорог на слабых водонасыщенных глинистых основаниях

На правах рукописи

Ръ ^ь-

СОН ЕН-ВУН

УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ОСНОВАНИЯХ

Специальность 05.23.11 — «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск — 2014

005551503

Работа выполнена на кафедре «Геология, основания и фундаменты» факультета «Мосты и тоннели» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Королёв Константин Валерьевич

Официальные оппоненты: Кудрявцев Сергей Анатольевич

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Мосты, тоннели и подземные сооружения» ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Пронозин Яков Александрович

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Строительное производство, основания и фундаменты» ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский

государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «26» июня 2014 года в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета ДМ218.012.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу. 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, д.191, ауд. 224, e-mail: Lys@stu.ru. тел. +7(383)328-04-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения», www.stu.ru

Отзывы на диссертацию и автореферат диссертации, с указанием Ф.И.О., почтового адреса, телефона, адреса электронной почты, наименования организации и должности, подписанные и заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «07» мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного Соловьев Леонид

совета кандидат технических наук, Юрьевич

доцент /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оценка устойчивости оснований имеет первостепенное значение для обеспечения надежной работы насыпей железных и автомобильных дорог. Особое место здесь занимают слабые основания, сложенные медленно уплотняющимися водонасыщенными глинистыми грунтами, которые при строительстве дорожных насыпей широко распространены как на территории Российской Федерации, так и на территории Республики Корея. Проектирование дорожной инфраструктуры в таких условиях сопряжено с рядом принципиальных трудностей, обусловленных особенностями работы слабых оснований. В частности, в полностью водонасыщенных грунтах при быстром нагружении, что характерно именно для транспортных сооружений и, в том числе, для оснований насыпей, нагрузка распределяется между скелетом грунта и поровой водой, что приводит к уменьшению сопротивления грунта внешним нагрузкам, конкретно - сдвигу. Способы описания данного явления, в основе которых лежит принцип эффективных напряжений Терцаги, до сих пор недостаточно разработаны для их широкого практического применения.

С другой стороны, отдельной проблемой остается расчет предельного давления на основания насыпей как трапецеидальной нагрузки. В отличие от случая ленточного или круглого фундамента этот класс задач пока не нашел отражения в нормативных документах.

Еще одной стороной проблем, связанных с расчетом оснований насыпей, является комплексность подхода с позиций предельных состояний. Так, на сегодняшний день приходится констатировать дефицит методов расчета первой и второй критической нагрузок на водонасыщенные основания насыпей.

Отчасти эти вопросы могут быть решены в рамках метода конечных элементов, однако здесь возникают вопросы и относительно способов описания прочности таких грунтов, и относительно адекватности описания в рамках МКЭ предельного состояния грунтов, и относительно выбора адекватной модели и определения ее характеристик.

Степень разработанности проблемы. Проектирование земляного полотна на слабых полностью водонасыщенных глинистых грунтах в значительной степени базируется на теоретическом анализе работы консолидирующихся оснований. К настоящему времени имеются ряд приближенных и строгих методов расчета оснований насыпей. В рамках теории линейно-деформируемой среды В.Д. Казарновским разработан метод безопасной нагрузки. Применение данного метода к водонасыщенным основаниям связано с использованием теории плотности-влажности H.H. Мас-лова. Ю.И. Соловьевым и A.M. Карауловым предложена приближенная методика определения предельной нагрузки на консолидирующееся осно-

вание. В то же время до сих пор не было получено строгих решений задач о безопасной и предельной нагрузках с позиций принципа эффективных напряжений и с использованием статического метода теории предельного равновесия грунтов.

Таким образом, совершенствование и разработка методов расчета водонасыщенных оснований дорожных насыпей является актуальной и многоплановой проблемой, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы. Цель диссертации заключалась в разработке методов расчета безопасной нагрузки (первой критической нагрузки) и предельного давления (второй критической нагрузки) от насыпи на водонасыщенное основание в рамках теории линейно-деформируемой среды и теории предельного равновесия с использованием теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

— разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки с учетом касательных напряжений на границе «насыпь-основание» и определить границы применимости упрощенной схемы (без касательных напряжений по границе «насыпь-основание») в рамках теории плотности-влажности H.H. Маслова;

— разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки без учета касательных напряжений на границе «насыпь-основание» в рамках теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева;

— разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки насыпи с учетом его предварительного уплотнения основания и на этой основе методику расчета безопасного режима возведения насыпи;

— получить строгое решение теории предельного равновесия грунтов задачи о начальном (минимальном) предельном давлении насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами и установить границы существования решения;

— получить строгое решение теории предельного равновесия грунтов задачи о конечном (максимальном) предельном давлении насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами и установить границы существования решения;

— конкретизировать понятие коэффициента мгновенного порового давления для практического использования.

Предметом исследований данной диссертационной работы является предельное равновесие медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтов оснований дорожных насыпей.

Объектом исследований является медленно уплотняющийся водо-насыщенный грунт основания дорожной насыпи в момент его разрушения в нестабилизированном состоянии.

Научная новизна работы заключается:

— в получении решения задачи о безопасной нагрузке на водона-сыщенное основание с учетом трения на границе «основание-насыпь» и исследовании влияния основных параметров системы «основание-насыпь» на величину искомой нагрузки;

— в установлении границ применимости решений задач о безопасной нагрузки на водонасыщенное основание с учетом трения на границе «основание-насыпь» и без учета его;

— в получении решения задачи о безопасной (первой критической) нагрузке на базе теории мгновенной прочности и анализе геометрических параметров насыпи и характеристик грунта на величину искомой нагрузки;

— в получении решения задачи о начальной несущей способности водонасыщенного медленно уплотняющегося основания насыпи в нестабилизированном состоянии и анализе влияния основных параметров системы «насыпь-основание» на величину несущей способности;

— в получении решения задачи о конечной несущей способности водонасыщенного медленно уплотняющегося основания насыпи в нестабилизированном состоянии и анализе влияния основных параметров системы «насыпь-основание» на величину несущей способности, в том числе в зависимости от величины уплотняющего давления.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при расчете и проектировании земляного полотна автомобильных и железных дорог на слабых, полностью водонасыщенных грунтах, а также:

— разработана методика определения безопасной (первой критической) нагрузки насыпи на водонасыщенное основание, даны соответствующие таблицы;

— разработана методика безопасного режима возведения насыпи на водонасыщенном основании;

— разработана методика определения начальной (минимальной) несущей способности водонасыщенных насыпей;

— разработана методика определения конечной (максимальной) несущей способности водонасыщенных насыпей.

Методы исследований. Основными методами, использованными в работе, являются: методы теории линейно-деформируемой среды; методы теории мгновенной прочности грунтов; методы теории предельного равновесия; экспериментальные методы исследований механики грунтов.

Положения, выносимые на защиту:

— формула и методика расчета безопасной (первой критической нагрузки) насыпи на основание с учетом трения на границе «насыпь-основание» в рамках теории плотности-влажности и без трения в рамках теории мгновенной прочности;

— методика определения режима безопасного возведения насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами;

— методика определения начальной (минимальной) несущей способности оснований насыпей в рамках теории мгновенной прочности;

— методика определения конечной (максимальной) несущей способности оснований насыпей в рамках теории мгновенной прочности;

— практическая методика определения коэффициента мгновенного порового давления.

Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе методов исследований и расчета оснований насыпей, в том числе, оснований, сложенных водонасыщенными грунтами с учетом их возможного нестабилизирован-ного состояния; в разработке нового метода расчета безопасной (первой критической) нагрузки на основания, а также предельной (второй критической) нагрузки — с предварительным уплотнением основания и без него, в проведении лабораторных исследований коэффициента пористости.

Степень достоверности. Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается сходимостью и достаточным объемом результатов проведенных численных расчетов и экспериментов по исследованию работы оснований, сложенных медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2008, 2009), научно-технических конференциях СГУПС (Новосибирск, 2009, 2010), научно-технической конференции СПбГАСУ «Геотехника: теория и практика» (г. Санкт-Петербург 2010), VII международной научно-технической конференции ТЯАЫ8-МЕСН-АЯТ-СНЕМ (г. Москва, 2010), а также на научно-технических семинарах СГУПС и ТГА-СУ в 2013 г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России. Общий объем публикаций по теме диссертации составляет 2,45 п.л. (в т.ч. авт. 1,47 п.л.).

Внедрение результатов. Основные положения диссертации были использованы при расчете и проектировании оснований железнодорожных насыпей на ряде объектов в России и Республике Корея.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка литературы и двух приложений. Общий объем составляет 131 страницу, в т.ч. 48 рисунков и 33 таблицы. Список литературы содержит 157 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается обзор решений по теме диссертации.

Согласно нормам прочность медленно уплотняющихся водонасы-щенных глинистых грунтов (степень влажности Sr > 0,85 и коэффициент консолидации cv< 107 см2/год) должна определяться с учетом возможного нестабилизированного состояния, т.е. появления избыточного давления в поровой воде при нагружении. Поскольку это явление тесно связано с процессом консолидации, то, следуя М.Н. Гольдштейну и Ю.И. Соловьеву, для таких грунтов будем также использовать термин «консолидирующиеся грунты».

Прочность консолидирующихся грунтов. Исследованию механических, в том числе прочностных, свойств консолидирующихся грунтов и расчету водонасыщенных глинистых оснований посвящены труды М.Ю. Абелева, A.C. Амаряна, М.Н. Герсеванова, A.JI. Гольдина, М.Н. Голь-дштейна, P.E. Дашко, Н.Я. Денисова, Ю.К. Зарецкого, П.Л. Иванова, A.M. Караулова, В.Г. Короткина, H.H. Маслова, H.H. Морарескула, В.Н. Парамонова, Д.Е. Польшина, Ю.А. Соболевского, Ю.И. Соловьева, Ю.П. Смолина, A.C. Строганова, З.Г. Тер-Мартиросяна, В.Г. Федоровского, В.А. Флорина, H.A. Цытовича, Л. Шукле, M. Biot, L. Bjerrum, C.S. Chang, R.E. Gibson, A. Skempton, K. Terzaghi и многих других.

В решении вопроса о прочности водонасыщенных глинистых (консолидирующихся) грунтов можно выделить два основных направления. Первое из них основано на использовании принципа эффективных напряжений Терцаги. Обобщение данного направления было выполнено Ю.И. Соловьевым и сформулировано в виде теории мгновенной прочности, в рамках которой рассматривается поведение водонасыщенного глинистого грунта при быстром (теоретически мгновенном) приложении разрушающей нагрузки. В упрощенном виде сегодня этот подход активно развивается за рубежом (E.J. Hazell, G.T. Houlsby, С.M. Martin и др).

Другое направление в решении вопроса о прочности водонасыщенных глинистых грунтов представлено в теории плотности-влажности H.H. Маслова, согласно которой прочностные характеристики ц>„ и с„ консолидирующегося грунта зависят от его физического состояния в точке. Здесь основная проблема заключается в экспериментальном определении зависимостей ср„ = /ф(р, w) и cw = /с(р, w), требующих выполнения большого

количества испытаний по схеме быстрого сдвига. При этом отмечается возможность случайных ошибок и большого разброса опытных данных (М.Н. Гольдштейн).

Безопасная нагрузка насыпи на основание. Определение безопасной нагрузки аналогично расчету первого критического давления на основание (задача Н.П. Пузыревского). Данной проблеме посвящены работы Г.М. Шахунянца, В.Д. Казарновского, H.H. Маслова, С.Г. Жорняка, И.З. Лобанова и др.

Прежде всего, необходимо отметить метод коэффициента стабильности Г.М. Шахунянца. Для произвольной точки основания определяется коэффициент стабильности, минимальное значение которого не должно быть меньше единицы. Данный метод получил свое развитие в работах И.З. Лобанова, где, в том числе, предложены теоретические зависимости распределения нормальных и касательных напряжений по подошве насыпи. Наибольшее практическое применение получил метод безопасной нагрузки В.Д. Казарновского. Безопасная нагрузка представляется трапецеидальной эпюрой нормального давления на слабое основание, которой отвечает разрушение грунта в одной точке с использованием теории плотности-влажности H.H. Маслова.

Предельная нагрузка насыпи на основание. Данная проблема решается в рамках приближенных методов расчета устойчивости или строгих методов теории предельного равновесия.

Развитию приближенных методов оценки устойчивости посвящены труды М.Н. Гольдштейна, A.M. Демина, H.H. Маслова, А.Л. Можевитино-ва, A.A. Ничипоровича, И.В. Федорова, В.И. Хазина, Я.Н. Хуана, P.P. Чу-гаева, Г.М. Шахунянца, A. Bishop, W. Fellenius, N. Janbu, N. Morgernstern, E. Nonveiller, D.W. Taylor, K. Terzaghi и многих других.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в решении двух основных проблем этих методов — поиска экстремального очертания линий скольжения, определяющих область обрушения (А.Г. Дорфман, Ю.И. Соловьев, В.Г. Федоровский) и поиска экстремального распределения сил взаимодействия между отсеками, на которые разбивается область обрушения (A.M. Караулов, Ю.М. Почтман) - в большинстве практических методов до сих пор применяют дополнительные гипотезы и упрощения, что приводит к необходимости проверять результаты каким-либо дублирующим методом. Наконец, в рамках «методов отсеков» не рассматривается вопрос о построении полей напряжений в основании.

Определение напряжений в каждой точке основания в стадии разрушения выполняется методами теории предельного равновесия.

Теоретической базой для решения задач о несущей способности грунтовых оснований является теория предельного равновесия грунтов. Разработке теории предельного равновесия грунтов посвящены труды

В.Г. Березанцева, В.П. Дыбы, А.И. Калаева, A.M. Караулова, К.В. Королева, М.В. Малышева, Ю.А. Соболевского, В.В. Соколовского, Ю.И. Соловьева, JT.P. Ставницера, A.C. Строганова, В.Г. Федоровского, А.К. Черникова, J. Biarez, A. Bishop, J. Brinch Hansen, A. Caquot & J. Kerisel, W.F. Chen & G.Y. Baladi, A.D. Cox, A. Haar & T. von Karman, M.E. Harr, H. Hencky, R. Hill, Josselin de Jong, F. Ketter, H. Lundgren & K. Mortensen, J. Mandel, G.G. Meyerhof, L. Prandtl, W. Rankine, H. Reissner, R.T. Shield, A.S. Vesic и др.

Применение этой теории для расчетов несущей способности дорожных насыпей и оснований представлено в трудах И.К. Бадалаха, A.M. Караулова, JI.C. Лапидуса, И.В. Прокудина, О.М. Резникова, Ю.И. Соловьева, Л. Юргенсона, А.К. Черникова. Здесь выделим строгие решения Ю.И. Соловьева и A.M. Караулова для основания в стабилизированном состоянии (неконсолидирующегося) дорожных насыпей и А.К. Черникова, рассмотревшего построение предельных напряжений совместно в насыпи и основании.

Задачи о несущей способности водонасыщенных глинистых оснований оформились в специальный раздел теории предельного равновесия. Постановка и решение ряда задач даны в работах A.M. Караулова, К.В. Королева, Ю.И. Соловьева, A.C. Строганова, E.H. Davis & С.Р. Wroth, E.J. Hazell, G.T. Houlsby, C.M. Martin, J. Salencon & M. Matar, A.W., К. Tani & W.H. Craig. Применительно к консолидирующимся основаниям насыпей автомобильных и железных дорог Ю.И. Соловьевым и A.M. Карауловым было предложено приближенное решение с использованием средневзвешенных значений параметров прочности консолидирующихся грунтов по площади области предельного равновесия в основании насыпи.

Применение принципа эффективных напряжений для определения первой и второй критических нагрузок на слабые водонасыщенные глинистые основания дорожных насыпей представляет актуальную, ранее не решенную задачу. Данное направление было принято в настоящей диссертации.

Во второй главе приводится решение о первой критической нагрузке - безопасной нагрузке дорожной насыпи на водонасыщенное глинистое основание. Для определения безопасной нагрузки принята расчетная схема В.Д. Казарновского, согласно которой, действие насыпи на основание заменяется трапецеидальной вертикальной нагрузкой с максимальной ординатой/» (рис. 1).

г Т "Г ...Л/

Рис. 1. Упрощенная расчетная схема силового воздействия насыпи на слабое основание (без трения на границе)

Рис. 2. Эпюры нормальных и касательных напряжений, действующих по подошве насыпи (по И.З. Лобанову)

Напряжения в основании определяются решениями теории линейно-деформируемой среды:

ах=рХ + уг, а7=р2 + уг, хгх=рТ\ (1)

1

Х = -

+а2 +а3) + 6(а] + а3) + х(а, -а3)-2г1п:

2 = — [а(а, +а2 +а3) + 6(а1 + а3) + *(<х1 -а3)], Т = —(а1 -а3). па па

При этом безопасная нагрузка на основание в стабилизированном

состоянии с учетом условия предельного равновесия Кулона-Мора дается

выражением:

с

У2 + С^ф

Рбе з = тш

у/в2 +Т2 -Лбшср

БШф

где А = {2 + Х)/2 и В = {2- Х)/2\ у, ср и с - удельный вес, угол внутреннего трения и удельное сцепление грунта.

Поскольку в принятой расчетной схеме касательные напряжения, действующие по подошве насыпи, не учитываются, то необходимо было выполнить анализ схемы в отношении ее применимости для расчета безопасной нагрузки. На рис. 2 показана правая половина симметричной расчетной схемы И.З. Лобанова действия насыпи на основание с учетом касательных напряжений.

Сопоставление величин безопасных нагрузок показало, что безопасной нагрузке рбез по упрощенной схеме отвечают такие нагрузки рбез,т в схеме И.З. Лобанова, при которых образуются небольшие по размеру зоны разрушения грунта, имеющие развитие на глубину не более, чем (а + Ь)!2 (по аналогии с понятием расчетного сопротивления основания). В табл. 1 приведен пример такого сопоставления в относительных переменных: а -единица длины, у - единица массовой силы. Здесь принято: <р = 20°, т = 1 и г) = с!(уа).

Таблица 1

Сопоставление безопасных нагрузок по упрощенной схеме и схеме И.З. Лобанова_

л 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Рбез 2,205 3,139 3,953 4,713 5,441

Рбеч.т 2,23 2,92 3,61 4,30 4,99

Поскольку такая ситуация не представляет опасности для работы основания в целом, то упрощенная схема вполне допустима и принята к дальнейшей разработке для определения прочности консолидирующихся оснований дорожных насыпей.

Согласно теории мгновенной прочности условие предельного равновесия водонасьпценного глинистого грунта имеет вид:

T = cjsinp + £cosp, (2)

где т = (ai — a3)/2 и a = (cri + о3)/2 - полуразность и полусумма полных главных напряжений; р и А: - параметры мгновенной прочности грунта: sinp = (l-p)sin(p, fccosp = (Pctq +cctg(p)sin(p.

Здесь: (3 = Au/Aa — коэффициент мгновенного порового давления (Дм и Аст — изменение нейтральных и полных напряжений в результате приложения разрушающей нагрузки); а0' - среднее эффективное напряжение, достигнутое в точке основания к моменту нагружения предельной нагрузкой уровень.

Прежде всего, было рассмотрено решение задачи о безопасной нагрузке для частного случая консолидирующегося грунта, когда коэффициент порового давления Р = 1, а основание не подвергалось предварительному уплотнению, т.е. Со' = уz. В этом случае условие предельного равновесия имеет вид:

т = (yz + CCtg(p)sin<p,

Тогда начальная безопасная нагрузка насыпи на консолидирующееся основание определится выражением:

' Л

yz + cctgcp

Р без = mm

Гв

2 , т2

sincp

+ Т

Для общего случая консолидирующегося грунта, когда коэффициент порового давления р * 1, условие предельного равновесия в точке дается формулой (2). Начальная безопасная нагрузка насыпи на консолидирующееся основание здесь составляет:

р без = min

yz + cctgcp

*Jb2+T2 ~ А( \ — р) sin ф

sincp

На рис. 3 приведен пример результатов расчета в относительных переменных для ф = 20° и г| = 1 (£, = Ыа).

Если к моменту нагружения предельной нагрузкой на основание действовала уплотняющая трапецеидальная нагрузка р0 и процесс консолидации от этой нагрузки завершился, то в любой точке основания достигнутый уровень эффективного среднего напряжения составит:

о'0=р0Л + уг.

Определяя параметры прочности по формулам (2), получим выражение для величины конечной для данного уплотняющего давления безопасной нагрузки р:

( уг + ^рцА + сс^ц

Рбез :

V

-БШСр

Приведенные выражения позволяют рассчитывать безопасную нагрузку насыпи на консолидирующееся основание с учетом его предварительного уплотнения.

5,8 -5,6 -5,4 1 5,2 " $1 4,8 " 4,6 4,4 -

Рбсз

—-—■—-в

___ 1—""

%

аР

о

| -»- Р = 1 Р = 0,9 Р = 0,8 Р = 0,7 Р = 0,61 Рис. 3. Графики зависимости начальной безопасной нагрузки рвп(£,)

Рис. 4. Расчетная схема к определению безопасного режима нагружения

Таким образом, до величины безопасной нагрузки основание может нагружаться практически мгновенно. Дальнейшее увеличение нагрузки должно соответствовать степени уплотнения консолидирующегося основания и достигнутому уровню его прочности.

Рассмотрим случай равномерного увеличения нагрузки от 0 до величины р за время Т (рис. 4). Найдем величину безопасной нагрузки для времени Т, используя решения теории фильтрационной консолидации Терцаги-Герсеванова-Флорина для равномерной полосовой уплотняющей нагрузки.

В некоторый момент времени / к основанию прикладывается равно-

Р , , 1

мерная полосовая нагрузка ар = ~М ширинок а, =6 +а-—,

малое приращение эффективного напряжения определится как

Бесконечно

(íziLíil

= ^ Г-L—е

(x — Q + z

где cv - коэффициент консолидации.

Уровень достигнутого эффективного напряженного состояния к моменту времени Т с учетом бытовых напряжений составит

aó =рАт+ yz,

где

Т a

Тогда формула для определения величины безопасной нагрузки в

момент времени Т примет вид:

( \

yz + ВрЛт + cctgcp p5e3 = min г— ^-sincp

Jb2+T2-A( 1-P)sin(p , В этой формуле Т — не время, а выражение, вычисляемое согласно

(О-

Рассмотрим случай неравномерной скорости отсыпки насыпи. Для этого дискретизируем процесс увеличения нагрузки. Примем п этапов, на каждом из которых нагрузка увеличивается на величину p¡ = const за время t¡. Трапецеидальная форма эпюры для /-го этапа будет характеризоваться геометрическими параметрами b¡ = b + а — Un и a¡ = Un. Тогда для некото-

}=к

poro промежуточного этапа 1 <к<п в момент времени достигнутый

7 = 1

уровень эффективного напряженного состояния будет определяться выражением:

,/=£„ Ti ач , 4cJ/-J¿r / N

После чего описанным выше образом устанавливается величина безопасной нагрузки. При этом на каждом этапе методом последовательных приближений находится время t¡, при котором достигнутый уровень нагрузке равен безопасной величине.

На рис. 5 приведен пример графика безопасного режима возведения насыпи во времени для следующих исходных данных: высота насыпи h = 6 м, ширина основной площадки 2Ь = 6 м, заложение откоса а = 6 м; характеристики грунта: у = ysb = 10 кН/м3, с = 10 кПа, q> = 20°, р = 0,9, коэф-

фициент консолидации составляет су = 20 м7сут. При этом процесс увеличения нагрузки разбит на 7 этапов: величина р-, будет равна 84 кПа на первом этапе и 6 кПа на последующих.

6

В 4

л

о

3 з

СЗ

н

а 2

нС СО

1

1 —1— 1

— -— ■--

/ —

1

1 1-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 время возведения, сутки Рис. 5. Пример графика безопасного режима возведения насыпи

Изложенная методика расчета безопасной нагрузки насыпи на консолидирующееся основание и безопасного режима возведения земляного полотна предлагается для практического использования при проектировании насыпей железных и автомобильных дорог на слабых консолидирующихся грунтах.

В третьей главе приводится решение задачи о несущей способности слабых водонасыщенных глинистых основаниях насыпей. Цель решений заключалась в определении предельного давления с трапецеидальной эпюрой нормальной компоненты.

Плоская задача предельного равновесия консолидирующихся грунтов в декартовых координатах хОг имеет вид: даг дх„ =()

—— Ч--- = У, т = стэтр + лсоБр.

дх дг

дх дг

Компоненты тензора полных предельных напряжений равны:

о,.]

а.

= <з(1 +зтрсоз2а) — к ■ctgp,

тХ2 = азшр8т2а,

где ст = —-i- + A:ctgp — среднее приведенное напряжение; а — угол

наклона первого главного напряжения О] к оси Ог.

Предельное напряженное состояние в основании определялось численным интегрированием канонической системы уравнений: сЬс = ск-Щ(а.±[1), р. = я/4-р/2;

с(а ± 2с^р<Ах = — с^р(<±с ± ск1%р) +1 у + — ^р \fife + dxXgp),

дх V дг I

В приведенных выше уравнениях верхние знаки относятся к линиям скольжения первого семейства, а нижние - второго. Производные дк/дх и дк/дг с учетом (2) равны:

дк р да о дк _ ^ _ р 5стд

=

дх 1-р дх

— = & &и 1 -

Р &

(3)

Рассматриваются задачи о начальной и конечной несущей способности водонасыщенных глинистых оснований железнодорожных и автодорожных насыпей. Аналогично с терминологией, принятой при расчете безопасной нагрузкой, под начальной несущей способностью будем понимать такую нагрузку, которая соответствует теоретически мгновенному нагружению основания до предельного состояния без предварительного уплотнения. Соответственно, под конечной несущей способностью будем понимать предельную нагрузку, прикладываемую к основанию, которое подверглось предварительному уплотнению, после завершения консолидации от уплотняющего давления.

Вначале было получено решение задачи о начальной несущей способности для общего случая консолидирующегося грунта, когда коэффициент порового давления р Ф 1. На рис. 6 показана правая половина симметричной расчетной схемы области предельного напряженного состояния в водонасыщенном глинистом основании насыпи. Там же показана последовательность краевых задач и граничные условия задачи: стг = О, Т-^ — 0 при г = О, х>Ь + а\

а + Ь — х ст: = ри--при

■Ри

при

г = О, 2 = 0,

Ь < х < Ь + а; 0 <х<Ь.

Рис. 6. Область предельного равновесия в основании насыпи

Для основания, не подвергавшегося предварительному уплотнению, производные дк/дх и дк/дг определяются выражениями:

*=0, дх

дк В

52

Исходными данными в данной задаче являются геометрические размеры: заложение откоса а и ширина основной площадки 2Ъ, а также характеристики грунта однородного основания — у, с и ср. Главной особенностью решения является поиск положения точки К и зоны AFJ, обеспечивающих существование статического решения. В результате решения определяется трапецеидальная эпюра нормальной компоненты предельного давления, а также соответствующая ей эпюра касательных напряжений на участке поверхности АО.

В данном построении решения можно выделить два свободных параметра. Во-первых, это скорость увеличения нормальной компоненты предельного давления ро в пределах заложения откоса насыпи. Во-вторых, это положение точки О, определяемое параметром а а на границе г = 0. Некоторым заданным значениям р0 и ас, будут соответствовать геометрические размеры а и Ъ, и, обратно, принимая в качестве исходных данных параметры насыпи а и Ъ можно получить решение задачи о предельном давлении, определив параметры р0 и а с поисковым методом. В частном случае, когда коэффициент порового давления |3 = 1. последовательность решения полностью сохраняется.

На рис. 7 показан пример сетки линий скольжения в консолидирующемся основании насыпи.

Рис. 7. Пример сетки линий скольжения в основании насыпи при определении начальной несущей способности

Для практического использования изложенная задача была решена для различных значений исходных данных: характеристик грунтов у, ф, с и геометрических параметров насыпи а и Ъ. Для примера результаты ре-

шения представлены в виде номограмм на рис. 8 для углов внутреннего трения ф = 5°, 10°, 15°, 20°.

^ (ip = 20е) 2 5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

Рис. 8. Номограммы для определения начальной несущей способности консолидирующегося основания насыпи (<р = 5°, 10°, 15°, 20°)

Безразмерный параметр р устанавливается по номограммам в зависимости от безразмерных величин т) = — и Е, = —. После чего рассчитыва-

ау а

ется максимальная ордината предельного давления:

Ри = jap ■

Как следует из номограмм, статическое решение существует для ограниченного диапазона значений параметра Поэтому, если для заданных параметров г| и ^ решение отсутствует, то следует принимать величину р при наибольшем значении £,, для которого получено решение.

Алгоритм решения задачи о конечной несущей способности в целом остается аналогичным только что рассмотренному. При этом производные дк/дх и дк/дг согласно (3) равны:

дк р дА дк В f дЛ )

где р0 - уплотняющее давление; А = (Z + Х)/2, выражения для Z и X принимаются в соответствии с формулами (1).

Пример сетки линий скольжения в основании насыпи для этого случая приведен на рис. 9 при следующих исходных данных: ср = 20°, Р = 0,5, а = 7 м, ¿> = 2 м, у = 10 кН/м3, с = 20 кПа,/?0 = 50 кПа. Предельное давление в этом примере равно ри = 300 кПа.

Рас.

В табл. 2 и 3 представлены результаты серии расчетов предельного давления насыпи на основание при различных значениях коэффициента мгновенного порового давления (3 и уплотняющей нагрузки р0 в относительных переменных.

Таблица 2

Влияние коэффициента порового давления Р> на предельную нагрузку ри

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Ри 42 29,7 21,9 16,8 13,2 10,75 8,97 7,73 6,95

Таблт^ 3

Влияние уплотняющего давления р0 на предельную нагрузкури

Ро 0 4,5 10 12,2 15,2 18,3 27,5 30 37,2

Ри 9 10 14,1 15,4 18,3 25,8 31,7 37 41,1

В четвертой главе приводятся результаты лабораторных исследований коэффициента мгновенного порового давления.

Опыты проводились в грунтовых лабораториях Сеульского института строительных технологий (стабилометрические испытания грунтов ненарушенной структуры) и Сибирского государственного университета путей сообщения (компрессионные испытания грунтов ненарушенной структуры). Общий вид стабилометра и компрессионного прибора, оборудованного датчиком для измерения порового давления (разр. Э.А. Самолетов), представлены на рис. 10.

9. Пример сетки линий скольжения в основании насыпи при определении конечной несущей способности

Рис. 10. Общий вид стабилометра и прибора СГУПС с системой измерения порового давления

Таблица 4

Характеристики опытных проб грунтов_

№ пробы Р Р* и> е 1Р к

суглинок текучепластичный

1 1,94 2,68 0,28 0,766 0,31 0,17 14 0,785

суглинок мягкопластичный

2 1,96 2,68 0,26 0,718 0,29 0,18 П 0,727

супесь лессовая пластичная

3 1,90 2,66 0,31 0,832 п 0,32 0,26 6 0,833

супесь пластичная

4 2,00 2,66 0,28 0,698 0,30 0,25 5 0,600

Характеристики некоторых из испытанных грунтов приведены в табл. 4.

Принятая методика испытаний позволяла непосредственно рассчитывать величину коэффициента порового давления в соответствии с его теоретическим определением. Основное внимание было уделено установлению факта устойчивости соотношения распределительной способности полностью водонасыщенного глинистого грунта при мгновенном приложении полной нагрузки.

В табл. 5 приведены результаты опытов и данные статистической обработки результатов опытов, которые свидетельствуют об устойчивости величины коэффициента порового давления р в заданном диапазоне давлений.

Таблица 5

Результаты опытов по определению р__

а, кПа и, кПа и, кПа и, кПа и, кПа

1 серия 2 серия 3 серия 4 серия

50 24 28 38 47

100 57 69 71 78

150 75 95 120 120

200 115 120 130 173

250 130 160 175 215

300 164 178 225 248

Средние значения коэффициента мгновенного порового давления Р

3 0,54 0,73 0,62 0,84

Лабораторные исследования по определению порового давления в водонасыщенных грунтах с помощью стабилометра и прибора для измерения порового давления СГУПС показали достаточную устойчивость оценок (3 при многократном его определении, что имеет особенно важное практическое значение.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика определения безопасной нагрузки на консолидирующееся основание насыпи, основанная на теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева. Составлены вспомогательные таблицы для практических расчетов величины начальной безопасной нагрузки на не-пригруженное консолидирующееся основание.

2. Разработана методика расчета безопасной нагрузки на консолидирующееся основание с учетом уплотняющего давления. Сформулирован алгоритм расчета темпов возведения земляного полотна при обеспечении безопасной работы основания. Скорость уплотнения основания определяется при этом по теории фильтрационной консолидации.

3. Предложена методика расчета безопасного режима возведения земляного полотна на консолидирующемся основании, при котором в каждый момент времени расчетное давление от насыпи будет равно безопасной величине. Данная методика предлагается для установления оптимального графика отсыпки насыпи.

4. Получено строгое статическое решение задачи теории предельного равновесия консолидирующихся грунтов о предельном давлении насыпи на консолидирующееся основание. В результате решения устанавливается предельное давление с трапецеидальной эпюрой нормальной компоненты. Для частного случая (3=1 составлены номограммы и предложена

формула, позволяющая выполнять практические расчеты начального предельного давления.

5. Усовершенствован алгоритм построения численного решения канонической системы уравнений теории предельного равновесия консолидирующихся грунтов в особой зоне области предельного напряженного состояния. Алгоритм позволяет получать предельное давление с треугольной эпюрой нормальной компоненты.

6. Решена задача о предельном давлении насыпи на консолидирующееся основание для общего случая (3 < 1 и с учетом предварительного уплотнения основания от частично возведенной насыпи. Данное решение рекомендуется использовать при проектировании темпов возведения земляного полотна.

7. В экспериментах установлена устойчивая зависимость коэффициента порового давления от физического состояния глинистого грунта.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

I. Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Королев, К.В. Начальная несущая способность консолидирующегося основания дорожной насыпи / К.В. Королев, A.M. Караулов, Сон Ен-Вун // Известия вузов. Строительство. 2010. №2. С. 53-58. (0,35 п.л., в т.ч. авт. 0,14 п.л.)

2. Сон, Ен-Вун. Расчет безопасного режима возведения дорожной насыпи на консолидирующемся основании / Сон Ен-Вун, A.M. Караулов // Известия вузов. Строительство. 2011. №3. С. 82-87. (0,35 п.л., в т.ч. авт. 0,14 п.л.)

II. Статьи в научных журналах, сборниках научных трудов и материалов научно-практических конференций

3. Караулов, A.M. Расчет начального этапа нагружения консолидирующегося основания насыпи / A.M. Караулов, Сон Ен-Вун // II Всероссийская конференция «Актуальные проблемы строительной отрасли» (66-я научно-техническая конференция НГАСУ): тезисы докладов. Новосибирск: НГАСУ, 2009. С. 119. (0,07 п.л., в т.ч. авт. 0,035 п.л.)

4. Сон, Ен-Вун. Начальная несущая способность консолидирующихся оснований насыпей / Сон Ен-Вун // Сб. докл. междунар. научно-практической конференции «Развитие сотрудничества в области железно-

дорожного транспорта в Азиатско-Тихоокеанском регионе». Новосибирск: СГУПС, 2009. С. 28-36. (авт. 0,56 п.л.)

5. Королев, К.В. Предельное давление насыпи на слабое консолидирующееся основание / К.В. Королев, Сон Ен-Вун, A.M. Караулов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: СГУПС, 2010. Вып. 23. С. 27-33. (0,42 п.л., в т.ч. авт. 0,105 п.л.)

6. Сон, Ен-Вун. Анализ расчетной схемы взаимодействия насыпи и слабого основания / Сон Ен-Вун // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: СГУПС, 2010. Вып. 23. С. 91-97. (авт. 0,42 п.л.)

7. Караулов, A.M. Определение первой и второй критических нагрузок на слабое консолидирующееся основание дорожной насыпи / A.M. Караулов, Сон Ен-Вун // Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции: сб. трудов Всероссийского научно-технического семинара / НГАСУ. Новосибирск: НГАСУ, 2011. С. 49-53. (0,28 п.л., в т.ч. авт. 0,07 п.л.)

СОН ЕН-ВУН

УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ОСНОВАНИЯХ

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать «16» апреля 2014 г. 1,0 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2772 Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191

ФЕДЕРАЛБЙОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения»

УСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ОСНОВАНИЯХ

05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

(технические науки)

На правах рукописи

СОН ЕН-ВУН

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Королев Константин Валерьевич

Новосибирск - 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Общая характеристика работы 4

1. Состояние вопроса 10

1.1 .Понятие о консолидирующемся грунте и основании 10

1.2.Прочность консолидирующихся грунтов 12

1.3. Оценка прочности консолидирующихся оснований насыпей 16

1.4.Приближенные методы расчета устойчивости 19

1.5.Применение решений теории предельного равновесия грунтов 23

1.6. Обоснование выбранного направления исследований 27

1.7.Выводы по главе 1 29

2. Определение первой критической нагрузки на слабое основание 31

насыпи

2.1. Безопасная нагрузка дорожной насыпи на слабое основание 31

2.2. Анализ расчетной схемы взаимодействия насыпи и слабого 35 основания

2.3. Начальная безопасная нагрузка дорожной насыпи 44 на консолидирующееся основание

2.4. Определение безопасной нагрузки дорожной насыпи на слабое 48 консолидирующееся основание с учетом его предварительного уплотнения

2.5.Расчет безопасного режима возведения насыпи на консолидиру- 51 ющемся основании

2.6. Выводы по главе 3 54

3. Определение второй критической нагрузки на слабое 55

основание насыпи.

3.1. Каноническая система уравнений теории предельного 55 равновесия консолидирующихся грунтов

3.2. Численное интегрирование канонической системы уравнений 59

теории предельного равновесия грунтов

3.3.Начальная несущая способность консолидирующегося 65 основания дорожной насыпи

3.4.Предельное давление насыпи на слабое консолидирующееся ос- 75 нование (при (3 < 1) с учетом уплотняющего давления

3.5.Выводы по главе 4 84 4. Определение коэффициента порового давления лабораторным 85

методом

4.1. Методы определения коэффициента порового давления 85

4.2. Исследование коэффициента порового давления в 88 стабилометрических испытаниях

4.3. Выводы по главе 4 93 Основные выводы 95 Список литературы 97 Приложение 1. Таблицы для расчета начальной безопасной нагрузки 110 на консолидирующееся основание насыпи

Приложение 2. Номограммы для расчета начальной предельной 123

нагрузки на консолидирующееся основание насыпи

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оценка устойчивости оснований имеет первостепенное значение для обеспечения надежной работы насыпей железных и автомобильных дорог. Особое место здесь занимают слабые основания, сложенные медленно уплотняющимися водонасыщенными глинистыми грунтами, которые, вместе с тем, при строительстве дорожных насыпей широко распространены как на территории Российской Федерации, так и на территории Республики Корея. Проектирование дорожной инфраструктуры в таких условиях сопряжено с рядом принципиальных трудностей, обусловленных особенностями работы слабых оснований. В частности, в полностью водонасыщенных грунтах при быстром нагружении, что характерно именно для транспортных сооружений и, в том числе, для оснований насыпей, нагрузка распределяется между скелетом грунта и по-ровой водой, что приводит к уменьшению сопротивления грунта внешним нагрузкам, конкретно - сдвигу. Способы описания данного явления, в основе которых лежит принцип эффективных напряжений Терцаги, и по сей день недостаточно разработаны для их широкого практического применения.

С другой стороны, отдельной проблемой остается расчет предельного давления на основания насыпей как треугольной нагрузки. В отличие от случая ленточного или круглого фундамента этот класс задач даже не нашел отражения в нормативных документах.

Еще одной стороной проблем, связанных с расчетом оснований насыпей, является комплексность подхода - с позиций предельных состояний. Так, на сегодняшний день приходится констатировать полное отсутствие методов расчета первой и второй критической нагрузок на водонасыщенные основания насыпей.

Отчасти эти вопросы могут быть решены в рамках метода конечных элементов, однако здесь возникают вопросы и относительно способов описания прочности таких грунтов, и относительно адекватности описания в рамках МКЭ пре-

дельного состояния грунтов, и относительно выбора адекватной модели и определения ее характеристик.

Степень разработанности проблемы. Проектирование земляного полотна на слабых полностью водонасыщенных глинистых грунтах в значительной степени базируется на теоретическом анализе работы консолидирующихся оснований. К настоящему времени имеются ряд приближенных и строгих методов расчета водонасыщенных оснований насыпей. В рамках теории линейно-деформируемой среды В.Д. Казарновским разработан метод безопасной нагрузки. Применение данного метода к водонасыщенным основаниям связано с использованием теории плотности-влажности H.H. Маслова. Ю.И. Соловьевым и A.M. Карауловым предложена приближенная методика определения предельной нагрузки на консолидирующееся основание. В то же время до сих пор не было получено строгих решений задачи о безопасной и предельной нагрузке с позиций принципа эффективных напряжений и с использованием статического метода теории предельного равновесия грунтов.

Таким образом, совершенствование и разработка методов расчета водонасыщенных оснований дорожных насыпей является актуальной и многоплановой проблемой, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы. Цель диссертации заключалась в разработке методов расчета безопасной нагрузки (первой критической нагрузки) и предельного давления (второй критической нагрузки) от насыпи на водонасыщенное основание в рамках теории линейно-деформируемой среды и теории предельного равновесия с использованием теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки с учетом касательных напряжений на границе «насыпь-основание» и определить границы применимости упрощенной схемы (без касательных напряжений по границе «насыпь-основание») в рамках теории плотности-влажности H.H. Маслова;

- разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки без учета касательных напряжений на границе «насыпь-основание» в рамках теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева;

- разработать методику оценки безопасной (первой критической) нагрузки насыпи с учетом его предварительного уплотнения основания и на этой основе методику расчета безопасного режима возведения насыпи;

- получить строгое решение теории предельного равновесия грунтов задачи о начальном (минимальном) предельном давлении насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами и установить границы существования решения;

- получить строгое решение теории предельного равновесия грунтов задачи о конечном (максимальном) предельном давлении насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами и установить границы существования решения;

- конкретизировать понятие коэффициента мгновенного порового давления для практического использования.

Предметом исследований данной диссертационной работы является предельное равновесие медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтов оснований дорожных насыпей.

Объектом исследований является миедленно уплотняющийся водонасы-щенный грунт основания дорожной насыпи в момент его разрушения в нестаби-лизированном состоянии.

Научная новизна работы заключается:

- в получении решения задачи о безопасной нагрузке на водонасыщенное основание с учетом трения на границе «основание-насыпь» и исследовании влияния основных параметров системы «основание-насыпь» на величину искомой нагрузки;

- в установлении границ применимости решений задач о безопасной нагрузки на водонасыщенное основание с учетом трения на границе «основание-насыпь» и без учета него;

- в получении решения задачи о безопасной (первой критической) нагрузке на базе теории мгновенной прочности и анализе геометрических параметров насыпи и характеристик грунта на величину искомой нагрузки;

- в получении решения задачи о начальной несущей способности водона-сыщенного медленно уплотняющегося основания насыпи в нестабилизированном состоянии и анализе влияния основных параметров системы «насыпь-основание» на величину несущей способности;

- в получении решения задачи о конечной несущей способности водонасы-щенного медленно уплотняющегося основания насыпи в нестабилизированном состоянии и анализе влияния основных параметров системы «насыпь-основание» на величину несущей способности, в том числе в зависимости от величины уплотняющего давления.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при расчете и проектировании земляного полотна автомобильных и железных дорог на слабых, полностью водо-насыщенных грунтах, а также:

- разработана методика определения безопасной (первой критической) нагрузки насыпи на водонасыщенное основание, даны соответствующие таблицы;

- разработана методика безопасного режима возведения насыпи на водона-сыщенном основании;

- разработана методика определения начальной (минимальной) несущей способности водонасыщенных насыпей;

- разработана методика определения конечной (максимальной) несущей способности водонасыщенных насыпей.

Методы исследований. Основными методами, использованными в работе, являются: методы теории линейно-деформируемой среды; методы теории мгно-

венной прочности грунтов; методы теории предельного рановесия; экспериментальные методы исследований механики грунтов.

Положения, выносимые на защиту:

- формула и методика расчета безопасной (первой критической нагрузки) насыпи на основание с учетом трения на границе «насыпь-основание» в рамках теории плотности-влажности и без трения в рамках теории мгновенной прочности;

- методика определения режима безопасного возведения насыпи на основание, сложенное медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами;

- методика определения начальной (минимальной) несущей способности оснований насыпей в рамках теории мгновенной прочности;

- методика определения конечной (максимальной) несущей способности оснований насыпей в рамках теории мгновенной прочности;

- практическая методика определения коэффициента мгновенного порового давления.

Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе методов исследований и расчета оснований насыпей, в том числе, оснований, сложенных водонасыщенными грунтами с учетом их возможного нестабилизированного состояния; в разработке нового метода расчета безопасной (первой критической) нагрузки на основания, а также предельной (второй критической) нагрузки - с предварительным уплотнением основания и без него.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается сходимостью и достаточным объемом результатов проведенных численных расчетов и экспериментов по исследованию работы оснований, сложенных медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международных научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2008, 2009), научно-технических конференциях СГУПС (Новосибирск, 2009, 2010),

научно-технической конференции СПбГАСУ «Геотехника: теория и практика» (г. Санкт-Петербург 2010), научно-технической конференции МГУПС (г. Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации автором было опубликовано 7 печатных работ.

Внедрение результатов. Основные положения диссертации были использованы при расчете и проектировании оснований железнодорожных насыпей на ряде объектов в России и Республике Корея.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка литературы и двух приложений. Общий объем составляет 131 страницу, в т.ч. 48 рисунков и 33 таблицы. Список литературы содержит 157 источников.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. Понятие о консолидирующемся грунте и основании

Строительные нормы и правила (СНиП) и Строительные правила (СП), регламентирующие проектирование оснований сооружений, содержат рекомендации по оценке строительных свойств грунтов. Эти рекомендации основаны на анализе многолетних научных исследований и строительной практики.

Согласно основным нормативным документам СНиП 2.01.03-83 [81] и СП [97] 50-101-2004 для водонасыщенных пылевато-глинистых и биогенных грунтов предельное сопротивление сдвигу (прочность грунта) должно определяться с учетом возможного нестабилизированного состояния за счет избыточного давления в поровой воде (порового давления). Нестабилизированное состояние грунтовых оснований обусловлено протекающим в них процессом консолидации - медленного уплотнения, сопровождающегося оттоком (отжатием) воды из пор грунта.

Указанную группу грунтов в данной работе определим как консолидирующиеся грунты, а основание, сложенное такими грунтами - как консолидирующееся основание.

Таким образом, консолидирующиеся грунты - это водонасыщенные пыле-вато-глинистые и биогенные грунты со степенью влажности > 0,75 и коэффициентом консолидации су < 40 см /год. Граничные значения характеристик 8Г и с,, приведены в СНиП 2.01.03-83 [81]. Высокие значения степени влажности свидетельствуют о состоянии полного водонасыщения или близкому к нему. Малым значениям коэффициента консолидации с\, отвечает низкая водопроницаемость грунтов и медленное развитие процесса консолидации. Принятая терминология имеет место в научной литературе по геотехнике, например в монографии М.Н. Гольдштейна [22] и диссертационном докладе Ю.И. Соловьева [91], а также в учебниках по механике грунтов [64].

Консолидирующиеся грунты по своим строительным свойствам преимущественно относятся к категории слабых грунтов, поскольку отличаются малой прочностью и высокой сжимаемостью. Исследованию механических свойств консолидирующихся грунтов и расчету консолидирующихся оснований посвящены труды К. Терцаги [103], М.Н. Герсеванова [20], В.А. Флорина [112], Б.В. Берн [129], Танг-Тьонг-Ки [117], М.Н. Гольдштейна [22], H.H. Маслова [59], H.A. Цы-товича [117], A.JI. Гольдина [21], З.Г. Тер-Мартиросяна [117], Ю.К. Зарецкого [34], JI. Шукле [124], М.Ю. Абелева [1, 2], A.C. Амаряна [3, 4], В.Г. Короткина [117], A.C. Строганова [100], Ю.И. Соловьева [91], К.В. Королева [44], H.H. Мо-рарескула [65] и многих других.

В консолидирующихся грунтах рассматривают явления, сопровождающие длительное деформирование, а также, явления, сопутствующие быстрому (теоретически мгновенному) приложению нагрузки.

Рассматривая длительное деформирование консолидирующейся грунтовой массы выделяют процесс фильтрационной консолидации - первичную консолидацию, и вторичную консолидацию, обусловленную ползучестью скелета грунта [34, 117]. Процессы первичной и вторичной консолидации протекают с разной интенсивностью, но одновременно [34]. И здесь в качестве определяющего поведение консолидирующейся грунтовой массы фактора принимают перераспределение полных напряжений между скелетом грунта (эффективные напряжения) и поровой водой (поровое давление). В противном случае теряет смысл рассмотрение грунта как дисперсной многофазной системы, в которой фазы грунта - скелет и поровая вода, взаимодействуя друг с другом, деформируются и перемещаются в соответствии с действующими в них напряжениями.

Рассмотрение поведения грунта при быстром (мгновенном) приложении нагрузки имеет особое значение в отношении прочности консолидирующегося грунта. Деформирование грунтовой массы (полностью водонасыщенного грунта) при мгновенном приложении нагрузки обусловлено упругими деформациями частиц и пузырьков воздуха, содержащегося в поровой воде. Эти деформации не-

значительны. В то же время, сопротивление сдвигу существенно зависит от формирующегося нормального давления в скелете грунта по площадке сдвига. Это напряжение складывается из действующего эффективного напряжения на момент мгновенного приложения нагрузки и приращения за счет распределения дополнительного давления между скелетом грунта и поровой водой. Указанное распределение характеризуется коэффициентом порового давления при мгновенно приложении нагрузки. Коэффициент порового давления является характерис