Изучение и оценка предельно напряжённого состояния слабых грунтов оснований инженерных сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, кандидат технических наук Кравченко, Татьяна Ивановна

• Кравченко, Татьяна Ивановна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кравченко, Татьяна Ивановна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 .СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ГРУНТОВОГО

МАССИВА

1.1 .Характеристика слабых грунтов, входящих в основания

фундаментов

1.2. Методы расчёта предельных нагрузок в механике грунтов

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ПЛОСКОЙ ЗАДАЧИ ДЛЯ ОСНОВАНИЯ ОТ ДЕЙСТВИЯ ТРЕУГОЛЬНОЙ ПОЛОСОВОЙ НАГРУЗКИ

2.1. Актуальность задачи и вопросы, возникающие при

её решении

2.2. Определение критического усилия и максимальной глубины его проявления от действия треугольной нагрузки

3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА МОДЕЛЯХ СЛАБЫХ ГРУНТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ И ЧИСЛЕННЫМ

МЕТОДАМИ

3.1. Исследование напряжённого состояния поляризационно -

оптическим методом

3.1.1 .Методика экспериментальных исследований

3.1.2. Результаты экспериментальных исследований

3.2. Исследование напряжённого состояния методом

конечных элементов

3.2.1. Результаты исследований от равномерно-

распределённой нагрузки

3.2.2. Результаты исследований от треугольной

нагрузки

3.3. Выводы

4. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЙ НАСЫПЕЙ АВТОДОРОГ И ОТВАЛОВ

ТОРФЯНЫХ ГРУНТОВ

4.1. Существующие методы исследования насыпей

4.2. Исследование устойчивости окружной автодороги (КАД)

в г. Санкт - Петербурге на слабых грунтах

4.2.1.Геотехнические оценки

4.2.2. Расчёт устойчивости основания откоса

4.2.3. Изучение устойчивости насыпей на слабом основании, укреплённом сваями

4.3.Исследование устойчивости основания автодороги

Иваново -Кострома

4.3.1. Расчёт устойчивости основания откоса

насыпи автодороги

4.4. Изучение устойчивости насыпей, состоящих из отвалов торфяных грунтов на слабом основании

4.4.1.Геотехнические оценки

4.4.2.Расчёт устойчивости основания

4.5.Исследование устойчивости насыпи отвала торфяного грунта на слабом основании, укрепленном песчаными

сваями

4.6. Общие выводы

5. ИЗУЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГИБКИХ ФУНДАМЕНТОВ

НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ

5.1. Гибкие фундаменты

5.2. Методика исследование устойчивости оснований

гибких фундаментов

Заключение и основные выводы

Библиографический список

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение и оценка предельно напряжённого состояния слабых грунтов оснований инженерных сооружений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В строительстве неуклонно возрастает значение учёта несущей способности оснований сооружений и инженерных конструкций, ведётся совершенствование методик проектирования и расчётов, проводится работа по обеспечению их безопасности и эксплуатационной надежности. Всё это связано с комплексом проблем, которые возникают при строительстве новых и реконструкции существующих инженерных сооружений в районах распространения слабых водонасыщенных грунтов.

В виду того, что проектировщикам часто приходиться сталкиваются с дефицитом площадей под строительство в городских многочисленных регионах, увеличением этажности зданий, влиянием наземного и подземного транспорта на несущую способность грунтовых оснований и с другими проблемами , поэтому встаёт вопрос об освоении новых территорий, на которых наиболее часто встречаются участки с процессами подтопления, с изменением физико - механических свойств грунтов в сторону ухудшения их несущей способности. Всё это определяет необходимость проведения научно - исследовательских и опытно экспериментальных работ для изучения несущей способности грунтов в городских и сельских регионах. При этом возникают не только технологические трудности, связанные с производством работ, но и повышенные требования к проектным решениям в этих областях как на стадии конструирования, так и расчёта.

Как было отмечено на Международной конференции «Новые дороги в России» (Пенза, 2011 г.) и в материалах Уральских конференций о стратегии развития строительного комплекса в России (Челябинск, 2011 г.), что во многих бедах строительства виноваты устаревшие технология и нормы расчётов, недостаточное внимание к грунту, слабая изученность

процессов изменения литологии грунтов. В связи с этим нами были рассмотрены и решены некоторые задачи, стоящие при проектировании оснований методами нелинейной механики грунтов в рамках статической постановки, позволяющей учитывать характерные для слабых грунтов особенности.

Объектом исследования является упругопластический грунтовый массив, находящийся под действием статической нагрузки.

Предметом исследования являются прочностные свойства слабых грунтов под действием нагрузки, создаваемой различными сооружениями.

Цель диссертацинной работы заключается в разработке методик исследования напряженно - деформированного состояния упругопластического массива грунта, как оснований насыпей и фундаментов, с определением критических нагрузок в рамках постановки плоских задач.

Идея работы заключается в описании процесса упругопластической деформации в слабых грунтах с помощью аналитических выражений и методик решений плоских задач путём их проверки на физических и математических моделях для прогнозирования состояния грунта.

Для достижения указанной цели были поставлены и решеньт следующие

задачи:

- изучение существующих методов оценки несущей способности слабых грунтов;

- разработка аналитических методов решения плоских задач для оценки несущей способности слабых грунтов от действия треугольной нагрузки;

- создание математической и физической моделей со свойствами упругопластического грунта из оптически чувствительного материала (желатина и воды), позволяющих исследовать процесс развития напряжённого состояния в самих моделях;

- применение полученных методов решения для оценки состояния

напряжённо-деформированного массива грунта от действия насыпей и фундаментов различных сооружений;

- внедрение методик оценки критического состояния слабых грунтов в проектные разработки научно - исследовательских организаций.

Фактический материал. В основу работы положен фактический материал, полученный автором при выполнении проектных разработок и инженерно - геологических изысканий, проводившихся совместно с научно -исследовательским институтом «Гражданпроект» (г. Санкт - Петербург), ОГУП « Ивановодорпроект », институтом «Промстройпроект».

Методы исследования. В работе использован комплекс следующих методов:

- аналитический метод;

- физический (метод фотоупругости);

- численный (метод конечных элементов).

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получены аналитические зависимости, позволяющие исследовать критическое давление на глубинах, на которых происходит начало развития и завершение пластических областей, напряжённое состояние в этих случаях не может нарушить предельное равновесия' массива грунта;

- выполнена оценка критической нагрузки для различных типов слабых грунтов;

- построены графические зависимости, упрощающие определение критической нагрузки для различных типов слабых грунтов;

- разработана физическая модель со свойствами слабого грунта, которая позволяет оценивать пределы применения аналитических зависимостей;

- аналитически установлены конкретные условия, позволяющие на основании физико - механических характеристик грунтов определять устойчивое состояние инженерной системы.

Практическая ценность работы.

Разработанная методика оценки критического состояния слабых грунтов была применена при проектировании:

- насыпей окружной автодороги (КАД) г. Санкт - Петербурга;

- насыпи автомобильной дороги Иваново - Кострома;

- оснований ленточных фундаментов 10 - ти этажного жилого дома по ул. Лежневской в г. Иваново;

- основания для складирования торфяного грунта.

Разработанная методика может быть использована для составления проектной документации при строительстве гибких фундаментов, насыпей автодорог, отвалов торфяного грунта и отвалов сырья предприятий химической промышленности на слабых грунтах различного литологического состава. ■

Достоверность результатов исследований обеспечивается объективностью данных о физико - механических свойствах слабых грунтов, результатами инженерно - геологических изысканий, материалами, полученными при выполнении численного и физического моделирования, а также фундаментальными положениями теории упругости и пластичности, на которых были построены теоретические исследования.

Защищаемые положения:

1. Предельное состояние грунта от действия треугольной нагрузки развивается на определённой глубине и зависит от физико - механических свойств грунтов и параметров нагрузки, анализ зависимостей которых, позволяет прогнозировать состояния грунта, которое переходит от упругого к пластичному.

2. На основании физико - механических показателей в качестве аналога слабого грунта предложена модель из желатина и воды, в которой упругопластические деформации соответствуют подобным явлениям, возникающих в натурных условиях.

3. Аналитические зависимости и методика решения плоских задач позволяют определять, управлять и прогнозировать состояние устойчивости конкретных инженерных сооружений на слабых грунтах.

Апробация работы

Отдельные разделы диссертации были доложены в качестве докладов, получивших одобрение: на итоговой научно-технической конференции Ивановской государственной архитектурно-строительной академии (ИГАСА) (г. Иваново, 1999 г.); на 56-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов Санкт -Петербургского государственного архитектурно - строительного

университета (СПб ГАСУ) (г. Санкт-Петербург, 1999 г.); II - й научной конференции аспирантов ИГАСА (г. Иваново, 2001 г.); научном семинаре кафедры "Деревянные конструкции и пластмассы " СПб ГАСУ ( г. Санкт -Петербург, 2001 г.) ; научных семинарах кафедры "Механика" ИГАСА (г. Иваново, 1999, 2000, 2003, 2007 гг.). Методики исследования, предложенные автором, были внедрены при участии автора в проектные разработки научно - исследовательских институтов: «Гражданпроект (г. Санкт-Петербург), «Промстройпроект» (г. Иваново), ОГУП «Ивановодорпроект» (г. Иваново).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 работ: 8 статей и 2 материала научных конференций, в том числе, две работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых ВАК.

Структура и объём работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объём работы составляет 133 страницы, в том числе 54 рисунка, 21 таблицы. Библиографический список состоит из 96 наименований.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО

ГРУНТОВОГО МАССИВА

1.2. Характеристика слабых грунтов, входящих в основания

фундаментов

Отличительная особенность слабых грунтов заключается в их способности в напряженном состоянии от собственного веса и внешней нагрузки, давать значительные медленно протекающие деформации. С позиций механики грунтов слабые грунты характеризуется низкими показателями механических свойств. Им присуща избыточная увлажнённость, высокая сжимаемость и низкая несущая способность.

На основании [4] слабыми грунтами являются типы слаболитифицированных био - и минерогенных грунтов, состоящие из торфов, заторфованных грунтов, сапропелей и морских илов. В генетическом отношении органические и органно-минеральные типы слаболитифицированных грунтов характеризуются общностью зарождения в водной или избыточно увлажнённой среде с протыканием сложных микробиологических и биохимических процессов распада органического вещества и осадконакопления в анаэробных условиях. Вследствие этих генетико - литологических причин таким грунтам присуща - избыточная увлажнённость, низкая плотность, весьма незначительная прочность и сильная сжимаемость.

В соответствии с [4] категории слабых грунтов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 .Номенклатура слабых органо - минеральных грунтов [4]

Подгруппа грунта Тип грунта Вид грунта Сопротивление сдвигу т, 105Па Естественная влажность (мягкопласт. пород) \У0, %

Органический Торф Слабо- >0,05 >1200

нормально- разложившийя

зольный Средне- >0,05 800-1200

разложившийя

Сильно- >0,05 500-800

разложившийя

Торф Слабо- >0,07 , 500-600

высоко- разложившийя

зольный Средне- >0,07 400-500

разложившийя

Сильно- >0,07 <400

разложившийя

Органо- Сапропель Слабо- <0,03 >500

минеральный минеральный

Средне- <0,05 300-500

минерльный

Минеральный >0,05 180-300

Заторфо- Силно- >0,08 300-400

ванные заторфованные

песчаные и Средне- >0,08 200-300

глинистые заторфованные

Минеральный Ил Слабо- >0,08 <200

заторфованный

Глинистый >0,05 >60

Суглинистый >0,1 >35

Супесчаный >0,1 >30

Длительность протекания осадок при нагружении в слабых грунтах объясняется существенным уменьшением объёмов порового пространства, резко снижающим (на несколько порядков) их водонепроницаемость [ 4 ]. Эти грунты могут быть использованы в инженерно - строительных целях лишь после проведения специальных мероприятий по их уплотнению или укреплению. Именно по этой причине нормативные документы [ 59 ] не допускает возможность опирания фундаментов на названые типы грунтов слабой степени литификации, исключая возведения сооружений плавающего типа или в виде песчаных насыпей.

В торфяных основаниях дорожных насыпей за десятилетия эксплуатации влажность снижается лишь до 180 220 % , а коэффициент пористости до 2,7 3,3, при модуле общей деформации порядка 0,3 ^ 0,7 МПа.

По данным рисунка 1.1 [ 4 ] установлены классификационные отличия между торфяными, заторфованными грунтами и сапропелями по показателю прочности т.

Рис. 1.2. Характерные изменения по глубине торфяной залежи, подстилаемой сапропелями: 1 - 1 - 2-2 структуры (1 - ненарушенная, 2- нарушенная)

Категорию слабых грунтов также на основании [25] составляют водонасыщенные глинистые грунты, которые при давлении до 0,3 МПа имеют модуль деформации 3+5 МПа и относительную влажность больше 0,8. Угол внутреннего трения весьма мал и может быть принят равным нулю, а сопротивление сдвигу - величине сцепления. Устойчивость сооружений, возводимых на слабых водонасыщенных грунтах, обеспечивается при соблюдении условия:

Тл,ах< С, (1.1)

где Хмах - максимальное значение главных касательных напряжений,

вызываемых нагрузкой от сооружений. При соблюдении этого условия пластические сдвиги не возникают ни в одной точке основания сооружения. На основании [25] слабые грунты сгруппированы в табл. 1.2. Таблица 1.2. Физико - механические характеристики слабых грунтов [25]

№ Наименование Удельный Угол Удельное

п/п грунтов вес внутрен- сцепление

грунта него трения грунта

у, кН/м2 Ф,° С, кН/м2

1 Суглинок 10 17 5

ленточный

водонасыщенный

2 Торфяной грунт 1,5-1,6 8 0,45

верховой

3 Торфяной грунт 1,45-И,55 12 0,6

низинный

4 Суглинок 1,9 18 2

мягкотелый

5 Глины мягко- 1,88-1,96 8-16 0,015-

пластичных 0,035

пород

6 Глины текучих 1,61-1,88 0,05-

пород 0,015

7 Суглинки текучих 1,8-1,92 14-23 .. 0,015-

пород 0,026

8 Глины туго- 1,96-2,01 8-16 . 0,05-

пластичных пород 0,06

9 Песчано - 1 >7-2,1 25-32 0,013-

супесчаные породы, 0,035

увлажнённые водой -

Анализируя существующие методы расчёта критических усилий, нами было замечено отсутствие отдельной формулы для расчёта критической силы от треугольной нагрузки. Опираясь на известные законы теории предельного равновесия в следующих главах был выполнен расчёт критического давления для заданного вида нагрузки и исследование насыпей и фундаментов на слабых грунтах с помощью полученных формул.

1.2. Методы расчёта критических нагрузок в механике грунтов

Напряженное состояние определяется с использованием решений теории линейно - деформируемого грунта, если в основании фундамента или полностью отсутствуют зоны, в которых нарушена прочность грунта, и он находится в предельном состоянии или они незначительны по своим размерам. При развитии зоны с предельным состоянием вокруг нее возникает перераспределение напряжений, влияющее на величину образующейся пластической области. Таким образом, возникает необходимость решения смешанной упругопластической задачи.

Для определения размеров подошвы фундамента важно знать давление, при котором под краями фундамента в грунте начинает образовываться предельная зона, и затем как эта зона будет увеличиваться по мере возрастания нагрузки на грунтовое основание вплоть до своего максимального размера, соответствующего потере основанием несущей способности.

Давление, соответствующее началу возникновения области пластической деформации и названное начальной критической нагрузкой

[79], было установлено Н.П. Пузыревским (1934 г.) для несвязного грунта, у которого С = О, потом Н.М. Герсевановым [18] и O.K. Фрелихом (1938 г.). Ими был рассмотрен случай, когда распределение напряжений от собственного веса в грунте было гидростатическим, т.е. коэффициент бокового давления в условиях естественного залегания = 1 •

Согласно обоснованному утверждению, высказанному В.А. Флориным [81], этот коэффициент может изменяться в широких пределах и быть более или менее единицы. Коэффициент является отношением бокового давления к вертикальному в естественном массиве грунта и зависит от условий формирования грунта, а также изменения напряженного состояния вследствие выемки грунта из котлована, в который устанавливается фундамент. Кроме решения для случая = 1, Н.М. Герсевановым были получены зависимости для вычисления Р кр путем подбора для:

5o = V0/(l -V0)< 1 и С= 0 , (1.2)

где v0 - коэффициент Пуассона грунта.

В связи с тем, что ограничивать среднее давление под фундаментом таким низким пределом, как Ркр оказалось нерациональным, в настоящее время вводиться устанавливаемое для фундаментов, имеющих одинаковую нагрузку по бокам, ограничение, соответствующее образованию незначительных областей пластической деформации, по глубине не превосходящих одной четверти ширины подошвы фундамента. В связи с этим внутри пластической области оказывается такое напряженное состояние, при котором угол наибольшего отклонения равнодействующей от нормали к площадке в несвязном грунте, превышает угол внутреннего трения грунта.

Построение границ пластических областей конечных размеров на основе теории упругости было обстоятельно рассмотрено в работе М.И. Горбунова - Посадова (1949 г.), где показано, что такие области возникают либо под краями фундамента, либо при < 1 на оси симметрии, на некоторой глубине

и потом расширяются с увеличением нагрузки, занимая все больший объем. Здесь исследуется условие образования пластической области, под краем фундамента в случае, когда может иметь любое значение и быть как менее единиц, так и более нее, а влияние веса вышележащей толщи грунта, как это обычно делается, заменено нагрузкой Р0.

Расчетная схема этой задачи представлена на рис. 1.3, где рассматривается полубесконечная нагрузка.

До момента, пока Р невелико, в полуплоскости наблюдается чисто упругое состояние, а при Р = Ркр происходит зарождение пластической области. Как показал И.В. Федоров [ 81 ], зарождение пластической области йачинается

Рис. 1.3. Схема действующих нагрузок

вдоль луча, имеющего угол наклона к вертикали 0 = - ф.

Полуплоскость разделена на 3 клина: I -А О А1, II - АОВ и III - А1ОА. На их границах заданы следующие условия:

вдоль АО ( при 0 = - 7112), ав = Р0; Тге = 0;

вдоль ОВ ( при 0 — тс /2), сте = Р + Р0; Тг0 = 0; вдоль ОА, (при 0 = 01!) и ОА(при 0 = а2),:'' аг = Ое ( 1 +зт2^)/(сов2^) + 2 СсЩ <р\ Тг9 = - ( Gotg <р + С). (1.3)

Для компонент напряжений в областях I и II использованы выражения, удовлетворяющие основным уравнениям теории упругости [79]:

>

(1.4)

Or = Ci - C2 20 + Disin 2 0 - Z)2 cos 2 Э ; ge= Q - C2 2 0 -£>, cos 2 9 + D2 cos 2 0 ;

Tr9 = C2 +£>i cos 2 0 + D2 sin 2 0

где C\, C2 , D\ и Z)2- коэффициенты.

Для пластической области III используется решение Прандтля для клина, в котором произведены дальнейшие преобразования (ст0 при 0 = а\

ГУ 1 4

обозначено о0 ):

л

a0=(ao + Cctg??)<? - с ctg ср:

l + sin2^?

Or = Ое 2 ~ + С ctg <р; cos ф

>

тэ

- (Ge tg ф + С)

(1.5)

у

В результате теоретических преобразований было получено выражение для критической нагрузки [79]:

Р =п гкр

С- —(1-£,0)2 4 С

(1.6)

где Р о - начальная внешняя нагрузка; 4 о - коэффициент бокового давления в условиях естественного залегания.

При Р0 = Яо или = 1 формула (1.6) преобразуется в хорошо известную формулу в [79]. Характерным является то, что при £,0=1 нагрузка Ркр оказывается наибольшей.

Более сложными, чем выражения (1.5 и 1.6), получаются: зависимости, если грунт обладает трением и сцеплением, т.е. ф ^ 0 и С ^ 0. В этом случае образование пластической области начнётся вдоль луча, у которого величина:

[ (ог - ае)2 + 4 Г ге2 ]/(ог + о9 +2 С с1ёФ)2, (1.7)

достигает максимального значения и в свою очередь, равно sin2cp. Подставляя в выражение (1.7) зависимости (1.4), соответствующие упругому решению, и путем последующих теоретических преобразований получим известную формулу Герсеванова - Фрелиха [79]

= 71 (Рр + С tg <р)

Ркр Ctg (р - К / 2 + (р ' (L8)

где Р о - начальная внешняя нагрузка.

При начальных значениях CL\- 0,2- Эзар и конечных для полного раскрытия области Ш : (Х\= - ( 71/4 + ф/2); 0,2 = (я/4 - ф/2), в результате расчётов [ 79 ], была получена формула Прандтля

P0+Cctg(p 1—sin^?

Таким образом, оказывается, что нагрузка Р кр , при которой происходит зарождение (начала образования) пластической области, зависит от коэффициента бокового давления причем Ркр имеет наибольшее значение при 4=1. Предельное состояние может возникать как вдоль луча, направленного как под фундамент при так и в противоположную сторону от него при 4о>1.

Предельное напряжённое состояние полуплоскости может быть получено путём решения задачи теории предельного равновесия. Решение дифференциальных уравнений равновесия совместно ■ с условием предельного равновесия Кулона - Мора позволяет определить напряжения в полуплоскости, построить сетку линий скольжения и найти значение предельного давления на основание. Предельное давление при полосовой нагрузке на невесомую полуплоскость, описывается решением Прандтля [79] (рис. 1.4):

предРкр =(q+Cctg(p)\±S^e^-Cctg(p , (2.0)

р 1 — sin • v 7

где С - удельное сцепление грунта; ф - угол внутреннего трения; ч = у к - боковая нагрузка; к - глубина приложения полосообразной нагрузки; у - удельный вес грунта.

При Р = Р Пр среда во всей полуплоскости, ограниченной сверху поверхностью, снизу линиями скольжения переходит в идеальное пластическое состояние.

Рис. 1.4. Схема действия полосовой нагрузки

Деформации среды задача теории предельного равновесия не рассматривает.

Для водонасыщенных глинистых грунтов и нестабилизированного их состояния (когда внутреннее трение не реализуется) была получена предельная нагрузка A.C. Строгановым [74].

предРкр =6,025 C + yh, (2.1)

где С - удельное сцепление грунта; yh - боковая нагрузка от веса грунта; h - толщина грунтового слоя от уровня поверхности земли до подошвы фундамента.

Таким образом, смешанная задача соединяет решение теории упругости для начальной стадии нагружения и решение теории предельного равновесия. Это преимущество важно с точки зрения получения единой теории, описывающей поведение грунтового основания в полном интервале нагрузок. Расчётные методы теории упругости и теории предельного равновесия широко используются в практике проектирования при исследовании слабых и не слабых грунтов.

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ПЛОСКОЙ ЗАДАЧИ ДЛЯ ОСНОВАНИЯ ОТ ДЕЙСТВИЯ ТРЕУГОЛЬНОЙ ПОЛОСОВОЙ НАГРУЗКИ

2.1. Актуальность задачи и вопросы, возникающие при её решении

Изучение условий нарушения предельного равновесия грунтовых оснований от действия добавочного усилия является актуальной проблемой при возведении земляных сооружений, так как для инженерной практики весьма важно оценить максимальную нагрузку на грунт, при которой он будет находиться ещё в равновесии, т. е. будет сохраняться прочность и устойчивость основания.

Существующие методы решения задач по определению предельного равновесия, приведённые в [43], [45] и [86] не позволяют в полной мере учесть все условия, обеспечивающие полное использование прочностных и деформационных характеристик слабых грунтов для некоторых видов критических нагрузок. Обычно применяют формулы, дающие предельную несущую способность и коэффициенты запаса, рассматривающиеся в строгих решениях, но для приближения их к действительным условиям часто требуются дополнительные расчётные .преобразования, нуждающиеся в дальнейших исследованиях.

Опираясь на известные аналитические решения [43], [45] и [86], нами были получены формулы для вычисления критической нагрузки Ркр и максимальной глубины залегания z макс зон предельного напряжённого состояния грунта. С помощью этих формул были получены новые расчётные приёмы с разработкой расчётных схем и методик,

предназначенных для оценки напряженно-деформированного состояния массива слабого грунта при действии треугольной нагрузки.

2.2. Определение критического усилия и максимальной глубины залегания от действия треугольной нагрузки

Расчётная схема представляет собой полупространство с полосообразной треугольной нагрузкой Р (рис.2.1). Полупространство находиться в гидростатическом напряженном состоянии: сг/^ог0 = уг, где а,°иаг° - начальные составляющие напряжения; у г - нагрузка от веса грунта до уровня г. Тогда напряжённое состояние в полупространстве будет определяться весом полупространства и влиянием нагрузки. Задача заключается в определении такой величины критического давления Ркр, при котором область предельного равновесия

распространяется на глубину г макс.

Рис. 2.1.Схема действия треугольной нагрузки в условиях плоской задачи

Формулы для составляющих напряжений, обусловленных действием треугольной нагрузки, представлены следующими выражениями [ 44 ]:

Р

К

г х х-в^ arctg—arctg-

V г г у

г(х - в)

(х-ву+г2

(2.1)

Р

71

( „\2 , .Л

z , (х — в) +г 1п-

в

2 . 2 ^ X +Z у

X + —

в

X X в

агс^—аг^-

V г z )

+

г(х - в)

(х-в)2+2?

, (2-2)

где Р - величина треугольной нагрузки ; в — база действия нагрузки.

Путём преобразований формулы (2.1) и (2.2) можно привести к следующему виду:

а. = ■

Р

2к

2х

в

а-зт2р

>°х =

2к

Ъ в

( е> 2 Л

1п4

V

2к

Я

V

-1п

ъ я;

. + бш —а 2 3

\ )

2х . _ _

н--а+31п2р

в

(2.3)

где а - угол видимости базы действия нагрузки ; (3 - угол с вершиной в точке М, образованный лучом и осью

Для точки М (рис.2.1), расположенной на глубине г, найдем главные напряжения при р = а/3, т.к. наибольшие и наименьшие нормальные напряжения возникают на площадках, расположенных по биссектрисам углов видимости и площадкам им перпендикулярным

с

1 , 2

<Г X + Р X +

а

а

+ т

+ у 2

(2.4)

или

Р

71

2 1 К2 , О Х

— т^г + 2—а

Ь Я? Ь

+

л/2 Р

2 71

г. Я22 .2

л? з

а

+ у г.

(2.5)

Подставив выражение (2.5) в условие предельного равновесия [ 86 ]:

(2.6)

о 1 - о 2 = 2 вт ф

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Кравченко, Татьяна Ивановна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведённых исследований решены поставленные задачи и получены следующие выводы:

1 .Известные расчётные методы, используемые в современной нормативной литературе, не всегда обеспечивают возможность найти экономичные и эффективные решения при проектировании фундаментов и насыпей на слабых грунтах.

2.Одним из возможных способов решения таких задач являются формула критического давления для треугольных нагрузок с учётом развития областей упругопластических деформаций в слабых основаниях и расчёт максимальных глубин проявления предельного состояния грунтов.

3 .Разработанные теоретические методики позволили " дать расчётное обоснование конструктивно - технологического решения устройства насыпи на слабых грунтах; усиления цементно - грунтовыми сваями, что в свою очередь создаёт достаточную устойчивость и прочность основания.

4. Лабораторные опыты показали, что для моделирования напряженно -деформированного состояния толщи слабого грунта можно использовать материал с высокой оптической чувствительностью - желатин, близкий к грунтам по физическим свойствам. Это позволило обосновать методику проведения экспериментов и правильный выбор материала (желатина).

5. Проверка полученных решений задач, с применением поляризационно-оптического метода, обладающего наглядностью и метода конечных элементов (МКЭ) дала достоверный результат.

6.Установлена экспериментально и теоретически обоснована на приведенных моделях аналогия картин распределения изохром, изоклин в упругой и пластической зоне, но напряженное состояние которых имеет существенное различие.

7.Экспериментальные графики изменения напряженного состояния упругопластической среды подобны графикам, выполненными численным методом при действии полосовой нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кравченко, Татьяна Ивановна, 2013 год

Библиографический список

1. Абен Х.К. Интегральная фотоупругость. Таллин: Валгус, 1975.-218с.

2. Александров А.Я., Аметренков М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука, 1973.-576 с.

3. Александров A.B., Потапов В. Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1990.-413с.

4. Амарян JI. Г. Разумные экстремальные задачи. СПб.: Издательство Гиппократ, 1995.-230с.

5. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968.-512с.

6. Безухов Н.И. Примеры и задачи по теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1965.-320с.

7. Безухов Н.И. Теория сыпучих тел. М.: Госстройиздат, 1961.- 411с.

8. Безухов Н.И. Теория упругости и пластичности. М.: Госстройиздат, 1953.-420с.

9. Березанцев В.Г. Расчет оснований сооружений. JL: Стройиздат, 1970.-207с.

10. Березанцев В.Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. М.: Гостехиздат, 1952.- 120с.

11. Бугров А.К., Зархи A.A. Напряженно-деформированное состояние основания при наличии в нем областей предельного равновесия грунтов. / Труды ЛПИ. Л., 1978.-С. 115+121.

12. Буцько З.Н. Об определении несущей способности сыпучих оснований./ Инженерный сборник, т.26, 1958. - С. 101 + 109.

13. Ван Цзи-Де. Прикладная теория упругости. М.: Физматгиз, 1959.-400с.

14. Варданян Г.С., Андреев В.И. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. М.: АСВ, 1995.-502с.

15. Воронцов В.К., Полухин П.И. Фотопластичность.., М.: Металлургия, 1969.-400с.

16. Вялов С.С. Предельное равновесие слабых грунтов, подстилаемых жестким основанием. /Известия Академии наук СССР, ОТН, №6,

1951.-С.85 н- 92.

17. Вольмир A.C. Устойчивость деформируемых систем. М.: Физматгиз, 1967.-307с.

18. Герсеванов Н.И. Собрание сочинений, т. 1.- М, 1948.- 562с.

19. Гольденблат И.И. Некоторые вопросы теории упругости и пластических деформаций. М.: Стройиздат, 1950.-272 с.

20. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов.М.: Госстройиздат,

1952.-260с.

21. Горбунов - Посадов М.И. Метод решения смешанных задач теории упругости и теории пластичности задач. / Основания, фундаменты и механика грунтов.- 1971.- С.115 128.

22. Голушкевич С.С. Плоская задача теории предельного равновесия сыпучей среды. М.: Гостехиздат, 1948.-258 с.

23. Голушкевич С.С.Статика предельных состояний грунтовых масс. М.: Гостехиздат, 1957.- 408 с.

24. Далматов Б.И. и др. Проектирование фундаментов зданий и промышленных сооружений. М.: Высшая школа, 1986.-310 с.

25. Далматов Б.И. и др. Проектирование свайных фундаментов в условиях слабых грунтов, М.: Высшая школа, 1975.- 295 с.

26. Жемочкин Б. Н. Теория упругости. М.: Госстройиздат, 1967.- 256 с.

27. Ивлев Д.Д. Механика пластических сред. Т.1 и 2.- М.: Физматхиз, 2001,- 445 с.

28. Ильюшин A.A. Пластичность. Основы общей математической теории. М.: Наука, 1983.-313 с.

29. Нетребко В.П., Шарафутдинов. Г.З. Исследование метода линейной фотовязкоупругости / Отчет о НИР (42й) /Институт механики МГУ. -М.: Издательство МГУ, 1974.- 191с.

30. Нетребко В.П, Шарафутдинов Г.З.ИсследованиеЛ метода линейной фотовязкоупругости / Отчет о НИР (ч. 1).-М: Издательство МГУ, 1972.-227с.

31. Ишинский А. Ю. Математическая теория пластичности. М.:Физматгиз, 2001.-241 с.

32. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.-420с.

33. Кац A.M. Теория упругости. М. - JL: Гостехиздат, 1956.- 251с.

34. Кравченко Т.И. ,Филатов В.В. Оценка предельного критического усилия на упругопластическую грунтовую среду от действия треугольной нагрузки / Известия вузов. Горнь1й журнал № 5 . 2012.-С.121 -124.

35. Кравченко Т. И., Пищик Г. Ф. Исследование прочностных характеристик желатина в качестве упругопластической среды с определением коэффициента вязкости / Известия вузов. Строительство. Вып. 1. 2007. - С. 108 - 112.

36. Кравченко Т.И. Пищик Г.Ф. Исследование предельных критических усилий и глубины залегания зон предельного равновесия для некоторых видов нагрузок / Известия Ивановского отделения ПАНИ при ИГАСА. Вып. 6. Иваново, 2001. - С. 110 - 113. ■■

37. Кравченко Т.И., Пищик Г.Ф. Экспериментально - теоретическое решение смешанной задачи теории предельного напряженного состояния упругопластической среды /Материалы И-й научной конференции аспирантов ИГАСА. Иваново, 2000. - С. 67 - 68.

38. Кравченко Т. И., Вострикова О. Г. Изучение устойчивости насыпи на слабом основании, укреплённом сваями / Известия Ивановского

отделения ПАНИ при ИГТА. Секция технических наук. Иваново, 2003.-С.106- 109.

39. Кравченко Т. И., Вострикова О. Г. Исследование устойчивости оснований фундаментов на слабых грунтах / Известия Ивановского отделения ПАНИ при ИГТА. Секция технических наук. Иваново, 2003. -С.100-106.

40. Кирпичёв М.В. Теория подобия. М.: Наука , 1953.- 169 с.

41. Киселев В.А. Полная задача теории упругости. М.: Высшая школа, 1972.-129 с.

42. Лейбензон A.C. Курс теории упругости. М.-Л.: ГИТТЛ, 1947.- 376 с.

43. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977.-415 с.

44. Маслов H.H. Основы механики грунтов и инженерной геологии. М.: Высшая школа, 1968.-629с.

45. Маслов H.H. Прикладная механика грунтов. М.: Машстройиздат, 1949.-328с.

46. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. 1-е изд. - М.: Машстройиздат, 1980.- 227с.

47. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. 2-е изд. - М.: Машстройиздат, 1994.- 312с.

48. Малышев М.В. Механика грунтов. Основания и фундаменты. М.:Ассоциация строительных вузов, 2000. - 319с.

49. Малинин А.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: 1975.-415с.

50. Мотоузов Я.Я. Опыт закрепления слабых илистых грунтов/ Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2004. С. 14-15.

51. Мурзенко Ю.Н. Упругопластическое состояние основания при полосовой нагрузке /Труды НПИ, т.2. - Новочеркасск, 1971.- С. 315-456.

52. Мурзенко Ю.Н. Некоторые особенности и область применения решения смешанной упругопластической задачи в расчётах оснований. Экспериментально - теоретические исследования нелинейных задач в области оснований и фундаментов / Сборник НПИ. - Новочеркасск, 1979,-С. 106-139.

53. Мурзенко Ю.Н. Расчет оснований зданий и сооружений в упругопластической стадии работы с применением ЭВМ. Л: Стройиздат, 1989.- 234 с.

54. Новоторцев В.И. Опыт применения теории пластичности к задачам об определении несущей способности оснований сооружений /Известия ВНИИГ, т. 22.- 1938.- С. 97- 105.

55. Ржаницын А.Р. Расчет сооружений с учётом пластических свойств материала. М.: Стройиздат, 1954. -288с.

56. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1982. - 264 с.

57. Скибин Г.М. Экспериментальное обоснование расчётной модели упругопластического основания ленточных фундаментов/ Известия вузов. Строительство.- Новосибирск : Из-во Сибстрин, 2005.- С.28 -33.

58. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений ./ Строительные нормы и правила.- М.: Госстройиздат, 2000. - 40 с.

59. СНиГО.02.03-85. Свайные фундаменты./ Строительные нормы и правила. - М.: Стройиздат, 1995. - 63 с.

60. СНиП 2.05.02.-85. Автомобильные дороги. / Строительные нормы и правила. - М.: Стройиздат, 2003. - 70 с.

61. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. / Строительные нормы и правила. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 2003.- 36 с.

62. Снитко С.С. Строительная механика грунтов. М.: Высшая школа, 1980. - 427 с.

63. Соколовский В.В.Построение полей напряжений и скоростей в задачах пластического течения. / Академии Наук СССР, т. 1, вып. 3.- М.: Наука ,1961.-327 с.

64. Соколовский В.В. Плоская задача теории давления земли / Доклады Академии Наук, т. 22, №4. - 1939. С. 102 - 110.

65. Соколовский В.В. Плоская задача теории пластичности по Прандтлю и теории давления земли. / Известия Академии Наук СССР, ОТН, №2 и №3. -М.: Наука, 1939.- С. 101 - 106.

66. Соколовский В.В. Об уравнениях теории пластичности. Прикладная математика и механика, т. 19, вып. 1. - М.: Наука ,1955..- 214 с.

67. Соколовский В.В. Некоторые задачи о давлении грунта. Материалы к Четвёртому Международному конгрессу по механике грунтов и фундаментостроению / Издательство Академии Наук , 1957.- С. 112 -118.

68. Соколовский В.В. Теория пластичности, 3-е изд.-М.: Гостехиздат, 1969.- 608с.

69. Соколовский В.В. О плоской задачи теории пластичности. Прикладная математика и механика, т. 1, вып. 4 -1949.- 280с.

70. Соколовский В.В. Теория пластичности. 2-е изд.- М.: Гостехиздат, 1950,- 203с.

71. Справочник инженера-строителя под. ред. Г.А. Федотова /«Проектирование автомобильных дорог». - М.: Транспорт, 1992,- 423с.

72. Строганов A.C. Несущая способность глинистого водо-насыщенного основания. Основания, фундаменты и механика грунтов, № 5, М., 1977,- 110 с.

73. Терегулов И.Г. Сопротивление материалов и основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1984. -472 с.

74. Терцаги К. Теория механики грунтов / пер. с англ. - М.: Госстройиздат, 1961,- 507с.

75. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М., 1975.- 386 с.

76. Тимошенко С.П. Теория упругости. M.-JL: ОНТИ, 1937.- 264 с.

77. Учайкин В.В. Механика. Основы механики сплошных сред.М.: Институт компьютерных исследований, 2002.-281 с.

78. Файлон JI. Оптический метод исследования напряжений. M.-JI.: Гостоптехиздат, 1940. - 402 с.

79. Фёдоров И.В. Некоторые задачи упругопластического распределения напряжений в грунтах, связанные с расчётом оснований./ Сборник института механики АН СССР в 2 т. - М., 1958,- С. 151- 160.

80. Фрохт Н.М. Фотоупругость . Т. 1 и 2 - M.-JL: Гостехиздат, 1950. -450 и 488 с.

81. Флорин В.А. Основы механики грунтов .Т. 1 и . 2- М., 1959, 1961.-284 и 293 с.

82. Филоненко-Бородич М.М. Теория упругости. М.: Физматгиз, 1959. -364 с.

83. Хаар М.Е. Основы теоретической механики грунтов. / пер. с англ. - М., 1971.- 341 с.

84. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: Гостехиздат, 1956. -407 с.

85. Христианович С.А. Плоская задача математической теории пластичности при внешних силах, заданных на контуре./ Математический сборник, т. 1, вып. 4 - М.: Наука, 1981ч - 483 с.

86. Цытович H.A. Механика грунтов, 4 изд.- М.: Высшая школа, 1983.-288с.

87. Цытович H.A. Механика грунтов (полный курс). М.: Высшая школа, 1979.-269с.

88. Чеботарев Г.П. Механика грунтов, основания и земляные сооружения. Пер. с англ. / под ред. проф. H.H. Маслова, М., 1968.- 616 с.

89. Шапиро Г.С. О предельном равновесии сыпучего клина и разрывном решении статики сыпучей среды. Прикладная математика и механика, т. 16, вып. 2, 1952.- С. 142 + 195.

90. Шарафутдинов Г.З. Фотовязкоупругость. М.: Издательство МГУ, 1987. - 198 с.

91. Эделынтейн Е.И. и др. Координатно-синхронный поляриметр КСП-10/ Всесоюзная конф. по методу фотоупругости. Таллин: АНЭ ССР, 1970.-С. 115 + 119.

92. Boyle G.T. Stuss analysis for creep. London , 1985.-s.l 13.

93. Broek David. Elementary engineering fracture mechanics. Leyden, 1986.

-S.210.

94. Hellan Kare. Introduction to fracture mechanics. New York, 1984. - s. 204.

95. Kittel charles. Introduction to solid state physics. New York, 1980. - s. 204.

96. Hahn Hans Georg. Elastizila stheorie. Stuttgart, 1985.-p. 214.