Моделирование процессов пластического деформирования грунтов оснований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Ширяева, Мария Петровна

• Ширяева, Мария Петровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ширяева, Мария Петровна

Аннотация.

Оглавление.

Введение.

1. Обзор и анализ математических моделей грунтовой среды.

1.1 Грунты и их свойства.

1.2 Классификация моделей грунтового основания.

1.3 У пругопластические модели.

1.4 Пластическое течение грунтов.

Выводы по главе.

2. Модель пластически уплотняемой грунтовой среды.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Условие прочности грунта.

2.3 Основная система уравнений.

Выводы по главе.

3. Одномерные решения для разработанной модели среды.

3.1 Решение задачи о расширяющейся цилиндрической полости в грунтовой среде.

3.1.1 Начальное пластическое течение грунтовой среды.

3.1.2 Консолидированное решение.

3.2 Модель пластически уплотняемой грунтовой среды и пакеты программ, реализующие метод конечных элементов.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процессов пластического деформирования грунтов оснований»

Поставленная геотехническая задача определяет выбор той или иной модели грунтовой среды, т.е. выделяет те свойства грунта, которые для данной задачи являются решающими. При этом свойствами грунта, которые мало влияют на конечный результат в данной задаче, можно пренебречь. Несомненное влияние на выбор модели грунтовой среды имеет объем информации об инженерно-геологических свойствах строительной площадки, в частности, информации о физико-механических свойствах грунта. При этом сформировался определенный стандартный объем информации, представляемый в отчетах организацией, проводящей инженерно-геологические изыскания площадки строительства. Следовательно, в целях обеспечения повышения надежности в расчетах ожидаемых просадок основания, разработка различных современных моделей грунтовой среды, параметры которых определяются стандартными испытаниями, является актуальной задачей .

Во многих задачах строительства упругими деформациями можно пренебречь. Например, основная задача о несущей способности основания решается с помощью жестко-идеальнопластической модели грунта. Так как закон текучести при этом не рассматривается, то говорят, что задача решена в рамках теории предельного равновесия. В ряде геотехнических задач пластическое деформирование грунта связано с существенным уменьшением пористости и изменением прочностных характеристик. К таким задачам относятся: уплотнение грунтов строительной площадки тяжелыми трамбовками; устройство фундаментов в вытрамбованных котлованах; бестраншейная прокладка скважин для коммуникаций с помощью головного снаряда; расчет просадок фундаментов при замачивании оснований и многие другие. Для решения подобных задач можно применять модели грунта, не описывающие его упругие свойства. Естественным, органичным инструментом для расчета строительных предельных состояний (Ultimate Limit States согласно Европейским правилам геотехнического проектирования) является предельный анализ, превратившийся в настоящее время в хорошо разработанный математический аппарат, конструкций, взаимодействующих с грунтовым основанием, по первой группе .

При построении модели грунтовой среды и в прикладных строительных задачах использовались идеи предельного анализа, распространенные на ограниченное (затухающее) пластическое течение грунтов.

Цель работы:

Разработка пластической модели грунтовой среды параметры которой определяются в стандартных испытаниях и применение её в задачах расчета оснований в которых упругими деформациями можно пренебречь по сравнению с пластическими.

Задачи:

Построить инженерную модель пластически уплотняемой грунтовой среды, параметры которой определяются в стандартных испытаниях.

Решить задачу о вытеснении цилиндрической полости в пластически уплотняемой грунтовой среде, на основе которой уточнить инженерный метод расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах.

Определить необходимое усилие на головной снаряд для бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций.

Использовать модель пластического течения грунтов для моделирования процесса просадки грунтового основания и для расчетов просадок оснований, нагруженного полосовой нагрузкой. Научная новизна работы:

1. Предложена новая инженерная модель пластически уплотняемой грунтовой среды, параметры которой определяются в стандартных испытаниях.

2. Решена задача о вытеснении цилиндрической полости в пластически уплотняемой грунтовой среде и получены приложения ее решения в инженерных методах расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах.

3. Получена формула просадок ленточного фундамента, зависящая от прочностных характеристик грунтов основания.

Достоверность новых результатов обеспечивается использованием общепризнанных методов и законов механики сплошной среды, применением для численных расчетов стандартных программ системы MathCAD, сравнением полученных результатов с расчетами по известным программным комплексам.

Практическая ценность работы. Расчет поля пористости и плотности грунта вокруг вытрамбованного котлована позволит точнее определить несущую способность фундамента в вытрамбованном котловане.

Определение предельного сопротивления грунтовой среды головному снаряду при бестраншейной прокладке скважин для коммуникаций в зависимости от прочностных характеристик грунта позволит улучшить качество проектирования работ.

Формула просадок позволит уточнить расчет по деформациям ленточных фундаментов на просадочных основаниях 1го типа просадочности.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на научном семинаре строительного факультета ЮРГТУ (НПИ) (23 мая 2007 г.), на международной конференции научно-технической конференции, посвященной 100-летию ЮРГТУ (НПИ) «Строительный факультет - 100-летию университета» (24-25 октября 2006 г.), на международной конференции « Городские агломерации на оползневых территориях» в Волгограде (14-16 мая 2008 г.)

Внедрение результатов

Результаты исследований переданы для апробации на практике в проектный институт ОАО « Новоросгражданпроект» г. Новороссийска.

По материалам диссертационных исследований написан и читается студентам специальности ПГС специальный курс «Моделирование оснований и информационные технологии».

На защиту выносятся:

1. Модель пластически уплотняемой грунтовой среды для решения задач плоской деформации.

2 Решение задачи о вытеснении цилиндрической полости в основании из пластически уплотняемой грунтовой среды.

3. Приложение полученного решения к задаче расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах.

4. Формула просадки основания под ленточным фундаментом. Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 4 опубликованных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 62 наименований, и приложений. Полный объем диссертации- 125 страницы, включая рисунки и таблицы.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Ширяева, Мария Петровна

выводы.

1. Предложена новая инженерная модель пластически уплотняемой грунтовой среды, параметры которой определяются в стандартных испытаниях. Поверхности нагружения зависят от коэффициента пористости. Компоненты напряжений и скоростей деформаций связаны ассоциированным (нормальным) законом текучести.

2. Решена задача о выдавливании цилиндрической полости в пластически уплотняемой грунтовой среде. Получено начальное поле скоростей частиц грунта. Получено распределение коэффициента пористости в зависимости от радиуса в консолидированном состоянии.

3. Найдено инженерное решение задачи о величине усилия на головной снаряд для бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций в пластически уплотняемой грунтовой среде.

4. Развит инженерный метод расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах. Получено распределение плотности вокруг вытрамбованного котлована. Оценена несущая способность фундамента в вытрамбованном котловане.

5. Предложена механическая модель явления просадки основания под фундаментом при замачивании в виде пластического течения с уплотнением.

6. Получена формула просадок ленточного фундамента, зависящая от прочностных характеристик грунтов основания.

Заключение

Большое разнообразие видов грунтов, многофазное строение дисперсных грунтов, изменчивость свойств грунтов во времени, сложное поведение грунтовых оснований под нагрузкой [44,59,61] не позволяют построить обозримую универсальную модель грунтовой среды.

На выбор модели грунта или даже модели основания в целом влияет также объем инженерно - геологических данных о свойствах грунтов и напластовании слоев грунта строительной площадки. Более того, на выбор модели грунта влияет сама решаемая проектировщиком задача [21,34,57]. Так для решения задачи определения несущей способности основания и задачи определения осадки основания требуются принципиально разные модели [2,3].

Поэтому в области оснований и фундаментов продолжают успешно использовать и развивать инженерные модели грунтовых оснований [16,18, 19,36,54] содержащие в себе, с точки зрения механики, ряд противоречий. Например, удачная схема в виде линейно деформируемого полупространства, используемая для расчетов осадки неупругого процесса уплотнения основания, пользуется полями напряжений линейно упругого однородного полупространства. Это упрощение часто приводит к неверному представлению о том, что существенная, значимая часть осадок основания сооружений является упругой, что пока осадки линейно зависят от нагрузки они упругие. Но ведь линейно зависящие от нагрузки осадки могут быть и чисто пластическими.

В диссертации разработана инженерная пластическая модель грунта, параметры которой определяются в стандартных сдвиговых и компрессионных испытаниях, результаты которых должны представляться в отчетах об инженерно - геологических изысканиях. Модель может быть использована в строительных задачах, в которых упругими деформациями можно пренебречь.

102

С использованием разработанной модели грунта решен ряд строительных задач: о выдавливании цилиндрической полости; о величине нагрузки на головной снаряд; о расчете фундаментов в вытрамбованных котлованах; о моделировании процесса просадки основания ленточного фундамента при замачивании.

103

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ширяева, Мария Петровна, 2007 год

1. Нормативно-технические документы

2. ГОСТ 12248-96 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости Текст. М.: Минстрой России, ГУП ЦПП, 1997.

3. СНиП 2.02.01-83 Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений Текст. М.: Стройиздат, 1985. - 40 с.

4. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений Текст. М.: Стройиздат, 2005. - 107с.

5. Книги, учебные и справочные издания

6. Абелев, Ю.М. Основы проектирования и строительства на просадочных макропористых грунтах Текст. / Ю.М. Абелев, М.Ю. Абелев. -М.: Стройиздат, 1979.

7. Березанцев, В.Г. Расчет оснований сооружений Текст. / В.Г. Березанцев. JL: Госстройиздат. 1970. - 207 с.

8. Вялов, С.С. Реологические основы механики грунтов Текст. / С.С. Вялов. -М.: Высшая школа, 1978. 448 с.

9. Вялов, С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов Текст. / С.С. Вялов. М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 198 с.

10. Далматов, Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты Текст. / Б.И. Далматов.- Л.: Стройиздат, Ленинградское отд-ние, 1988.- 415 с.

11. Зарецкий, Ю.К. Лекции по современной механике грунтов Текст. / Ю.К. Зарецкий. -Изд. РГУ, 1989. 608 с.

12. Малышев, М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений Текст. / М.В. Малышев. -М.: Стройиздат, 1980. 137 с.

13. Малышев, М.В. Теоретическое и экспериментальное исследование несущей способности песчаного основания Текст. / М.В. Малышев. -М.,1953.- 83 с.

14. Мурзенко, Ю.Н. Расчет оснований зданий и сооружений в упругопластической стадии работы с применением ЭВМ Текст. / Ю.Н. Мурзенко. — JI.: Стройиздат, Ленингр. Отд-ние, 1989.- 135 с.

15. Мустафаев, А.А. Основы механики просадочных грунтов Текст. / А.А. Мустафаев. М.: Стройиздат, 1978.

16. Мустафаев, А.А. Фундаменты на просад очных и набухающих грунтах: учебное пособие для студентов строит. Спец. Вузов Текст. / А.А. Мустафаев. М.: Высш. Шк., 1989. - 590 с.

17. Николаевский, В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред Текст. / В.Н. Николаевский. М., Недра. - 1984.

18. Орнадский, Н. В. Механика грунтов Текст. / Н.В. Орнадский. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1962 - 447 с.

19. Основания, фундаменты и подземные сооружения: справочник проектировщика Текст. / М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др.; под общ. Ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. М.: Госстройиздат, 1962.-480 с.

20. Петрухин, В.П. Строительные свойства засоленых и загибсованных грунтов Текст. / В.П. Петрухин. М.: Стройиздат, 1980. - 120 с.

21. Петрухин, В.П. Строительство сооружений на засоленых грунтах Текст. / В.П. Петрухин. М.: Стройиздат, 1989. - 261 с.

22. Соколовский, В.В. Статика сыпучей среды Текст. / В.В. Соколовский. 3-е изд. -М.: Гостехизда, 1960. - 243 с.

23. Сорочан, Е.А. Фундаменты промышленных зданий Текст. / Е.А. Сорочан. М.: СИ, 1986. - 304 с.

24. Тер-Мартиросян, З.Г. Механика грунтов Текст. / З.Г. Тер-Мартиросян. М.: Изд. ABC, 2005.- 380с.

25. Тер-Мартиросян, З.Г. Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений Текст. / З.Г. Тер-Мартиросян. М.: Стройиздат, 1990.- 200 с.

26. Федоровский, В.Г. Современные методы описания механических свойств грунтов: обзор Текст. / В.Г. Федоровский. М., ВНИИИС, 1985.- 73 с.

27. Цитович, Н.А. Основы прикладной геомеханики в строительстве Текст. / Н.А. Цитович, З.Г. Тер-Мартиросян. -М.: Высшая школа, 1981. -292 с.

28. Belyschko, Ted Nonlinear Finite Elements for Continue and Stractures / Belyschko Ted, Wing Kam Lin, Brian Moran. Wileg, 2000.

29. Cundall P.A. Geotechnique / Cundall P.A., Strack O.D.L. 1979. - vol. 29.-N l.-p. 47-65.

30. Rosco, K.H. In "Engineering Plasticity", Cambridge Univercity Press / K.H. Rosco, J.B. Burland. Cambridge, 1968. - p. 535-609.

31. Schofield A.N. Critical State Soil Mechanics. McGraw-Hill / A.N. Schofield, P. Wroth. London, 1968.

32. ANSYS Theoretical Manual // www.cadfem.ru.

33. Статьи из сборников и периодических изданий

34. Бажант, 3. Эндохронная теория неупругости и инкрементальная теория пластичности Текст. / 3. Бажант // Механика деформируемых твердых тел. М., Мир, 1983.

35. Бент Хансен Приближенный метод расчета зоны разрушения в глинах Текст. / Бент Хансен // Доклад 3/15 на VI Международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроению. Канада, 1965. - С. 31-37.

36. Васильков, Г.В. Об одном варианте определяющих уравнений пластического деформирования дилатирующих сред Текст. / Г.В. Васильков // Стр. мех. и расчет сооружений. 1987. - № 1. - С. 44-48.

37. Воронцов, Г.В., Дыба В. П. Теорема о простом нагружении упругопластических моделей конструкций из устойчивых материалов Текст. / Г.В. Воронцов, В.П. Дыба // Изв. вузов Сев.-Кавк. региона. Техн. Науки. 1996. - № 3. - С 142-150.

38. Григорян, А.А. Деформируемость лессового грунта при различном напряженном состоянии Текст. / А.А. Григорян // Механика грунтов: сборник трудов НИИОСПа. М.: Госстройиздат, 1961. - № 43. - С. 13-26.

39. Дидух, Б.И. Исследования по механике сыпучей среды на основе модели межзернового взаимодействия Текст. / Б.И. Дидух, Аль-Хадж Ахмет Люфти // Расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений: сб.тр.- М.: Изд-во УДН, 1984. С. 89-100.

40. Дидух, Б.И. О построении теории пластического упрочнения грунта Текст. / Б.И. Дидух, В.А. Иоселевич // Известия АН СССР, Механика твердого тела. 1970. - № 2. - С. 155-158.

41. Дыба, В.П. Анализ предельного состояния основания под шероховатым ленточным фундаментом Текст. / В.П. Дыба, Г.М. Скибин // Нелинейная механика грунтов: тр. IV Российской конф. с иностр. участием: т. 1.-С.-П6, 1993.-С. 98-103.

42. Дыба, В.П. Математическое моделирование пластически уплотняемой грунтовой среды Текст. / В.П. Дыба, М.П. Ширяева //

43. Численно-аналитические методы: сборник научных трудов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. - С. 101-108.

44. Дыба, В.П. Моделирование процесса просадки оснований под ленточными фундаментами Текст. / В.П. Дыба, М.П. Ширяева // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. - Прил. № 12.- С. 18-25.

45. Дыба, В.П. Предельное напряженное состояние основания под фундаментами конечной жесткости Текст. / В.П. Дыба // Взаимодействие сплошных фундаментных плит с грунтовым массивом: межвуз.сб./Новочерк. политех, ин-т. Новочеркасск, 1982. - С. 57-64.

46. Евдокимов, П.Д. Сопротивление грунтов сдвигу. Доклад 1/17 Текст. / П.Д. Евдокимов и др. // Труды VIII Международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению: т. 1 ч. 1. М., 1973. - С. 131-138.

47. Ишлинский, А.Ю. Осесимметричная задача теории пластичности и проба Бринелля Текст. / А.Ю. Ишлинский // Прикладная математика и механика: т. VIII вып. 3. 1944. - С. 201-224.

48. Кагановская, С.Е. Исследование устойчивости глинистого основания с помощью экранов Текст. / С.Е. Кагановская // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1973. - № 3. - С.29-31.

49. Криворотов, А.П. О распределении касательных напряжений в зоне формирования грунтового ядра Текст. / А.П. Криворотов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1975. - № 1. - С. 35-38.

50. Ломизе, Г.М. Исследования закономерности развития напряженно-деформированного состояния песчаного основания при плоской деформации

51. Текст. / Г.М. Ломидзе и др. // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1972. -№ 1.-С. 4-8.

52. Моргунов, В.Н. Расчет напряженно-деформированного состояния основания фундамента, устраиваемого без выемки грунта Текст. / В.Н. Моргунов, В.П. Дыба, Ю.Н. Мурзенко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. Науки. 2005. - Спецвыпуск. - С. 26-31.

53. Парамонов, В.Н. Конечноэлементное решение задачи о вдавливании штампа в грунт в геометрически нелинейной постановке Текст. / В.Н. Парамонов // Реконструкция городов и геотехническое строительство.- С-Пб.: Изд. Дом. KN, 2000. № 2. - С. 108-117.

54. Школа, А. В. Анизотропия прочностных свойств лессовых грунтов и расчет несущей способности с ее учетом Текст. / А.В. Школа // Лессовые просадочные грунты как основания зданий и сооружений: кн. 2. ч. 2. -Барнаул, 1990. С. 212-217.

55. Fraeijs de Vebeke В. A conforming finite element for plate bending // Intern. J. Solids and Structures. 1968. - V. 4. - P. 95-104.

56. Muhs, H. Ergebnisse von Probebekastungen auf grosen Lastflachen, zur Ermittung der Bruchlast im Sand. Degebo, H. 14,1961 / H. Muhs, H. Kahl // Die zulassige Belastung von Sand auf Grund mehrere Yersuche und Erkenntnisse. -Degebo. H. 10, 1963.1.l

57. Sander, G. Bornes superieures et inferieures dans l' analyse matricielle des plaques en flexion-torsion // Bull. Soc. Roy. Liege. 1964. - V. 33. - P. 456-494.112