Напряженно-деформированное состояние оснований сооружений с учетом степени их водонасыщения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат наук Нгуен Хуи Хиеп

• Нгуен Хуи Хиеп
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Хуи Хиеп

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ НДС ВОДОНАСЫЩЕННЫХОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ КОНЕЧНОЙ ШИРИНЫ

1.1.Введени е

1.2.Современные методы количественной оценки НДС водонасыщенных оснований фундаментов конечной ширины аналитическими методами

1.3. Современные методы количественной оценки НДС водонасыщенных оснований фундаментов конечной ширины численными методами

1.4. Современные методы количественной оценки прочности и устойчивости оснований фундаментов конечной ширины

1.4.1. Определение начальной критической нагрузки и расчетного сопротивления основания

1.4.2. Основы теории предельного напряженного состояния и определение второй (предельной)критической нагрузки р**

1.6.Цель и задачи исследований

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ НДС ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ КОНЕЧНОЙ ШИРИНЫ

2.1. Введение

2.2. Теоретические основы количественной оценки НДС водонысыщенных оснований

у

2.2.1. Общие положения

2.2.2. Уравнения состояния двухкомпонентного грунта

2.2.3.Уравнения теории фильтрационной консолидации не полностью водонасыщенного грунта в условиях плоской задачи, в том числе при фильтрационной анизотропии

2.3. Теоретические основы численного моделирования НДС грунтов оснований

2.3.1.Общие положения

2.3.2. Программный комплекс РЬАХК!

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3. НАЧАЛЬНОЕ НДС ВОДОНАСЫЩЕННОГО ОСНОВАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ МЕСТНОЙ НАГРУЗКИ

3.1. Постановка задачи

3.2. Начальная критическая нагрузка на основание фундаментов в зависимости от степени их водонасыщения

3.2.1.Введени е

3.2.2.Начальная критическая нагрузка основание с учетом степени их водонасыщения

3.2.3.Выводы и рекомендации

3.3.Влияние граничных условий на начальную и предельную критическую

нагрузки на грунты оснований сооружений

3.3.1 Введение

3.3.2.Постановка и решение задачи

3.3.3.Выводы и рекомендации:

3.4.Выводы по главе:

ГЛАВА 4. НДС ВОДОНАСЫЩЕННОГО ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТА КОНЕЧНОЙ ШИРИНЫ В НЕСТАБИЛИЗИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ (ДВУХМЕРНАЯ ЗАДАЧА КОНСОЛИДАЦИЯ)

4.1. Общие положения. Исходные уравнения

4.2. Аналитическое решение двумерной фильтрационной консолидации с учетом 8Г<1

4.3. Аналитическое решение плоской задачи консолидации с учетом ползучести скелета грунта

4.4.Численное решение плоской задачи флильтрационной консолидации - 83 -

4.5.Выводы по главе:

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬВА НА ПРЕОБРАЗОВАННЫХ ОСНОВАНИЯХ СЛАБОГО ВОДОНАСЫЩЕННОГО ГРУНТА

5.1.Влияние песчаной насыпи (подушки) на НДС слабого водонасыщенного глинистого основания фундаментов конечной ширины

5.1.1.Введени е

5.1.2.НДС слабого водонасыщенного основания с учетом взаимодействия с песчаной подушкой и фундаментом конечной ширины

5.1.3.НДС слабого водонасыщенного основания с учетом взаимодействия с песчаной насыпью и фундаментом конечной ширины

5.2.Влияние песчаной насыпи (дамбы) на НДС в подстилаемом водонасыщенном слое слабого водонасыщенного грунта с учетом его уплотнения песчаными сваями

5.3. Выводы по главе

Основные выводы:

Список литературы

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

иги - инженерно-геологические изыскания;

ИГУ - инженерно-геологические условия;

игэ - инженерно-геологический элемент;

кэ - конечный элемент;

мкэ - метод конечных элементов;

МКР - метод конечных разностей;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

НИР - научно-исследовательская работа;

НТР - научно-техническая работа;

ПК - персональный компьютер;

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Упругость - свойство тел восстанавливать деформации после снятия нагрузки.

Вязкость (внутреннее трение) -свойство тел, оказывать сопротивление перемещению из одной их части относительно другой с заданной скоростью.

Реология - раздел механики грунтов, изучающий деформационные и прочностные свойства грунтов во времени.

Математическая модель - математическое представление реальности.

Компрессионное испытание (испытание в одометре)- лабораторное определение величины деформации грунта под действием внешней нагрузки без возможности бокового расширения.

Консолидация - процесс уплотнения водонасыщенного грунта, который сопровождается отжатием поровой воды в сторону дренирующей поверхности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Напряженно-деформированное состояние оснований сооружений с учетом степени их водонасыщения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы Инженерно- геологические и гидрогеологические условия большинства регионов республики Вьетнам, в том числе, города Ханоя относятся к сложным, обусловленные наличием слабых водонасыщенных глинистых грунтов с модулем деформации до 5 мПа и степенью водонасыщения 0,8<8Г < Уна глубину до 80 м, подстилаемые сравнительно плотными песчаными и гравелистыми грунтами. Освоение этих регионов имеет важное народно- хозяйственное значение и связано и решением проблем строительства и эксплуатации зданий и сооружений, возводимые на таких грунтах.

При взаимодействии фундаментов сооружений с водонасыщенными глинистыми грунтами возникает сложное, неоднородное напряженно-деформированное состояние (НДС), которое трансформируется в пространстве и во времени, сопровождаемое процессами консолидации и ползучести.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы количественной оценки НДС водонасыщенных оснований, сложенные глинистыми грунтами со степенью водонасыщения 0,8<3Г < 1 на начальном и промежуточном этапах НДС аналитическим и численным методами. Они необходимы для совершенствования расчетов водонасыщенных оснований по I и II группам предельных состояний, в том числе, для условий Вьетнама.

Целью работы является изучение и совершенствование методов количественной оценки НДС водонасыщенных оснований сооружений, сложенные глинистыми грунтами со степенью водонасыщения 0,8<8Г<1 в рамках плоской задачи, в том числе, на начальном и промежуточном этапах. Особое внимание при этом обращено учету граничных условий на контуре расчетной области в виде полуплоскости и полуплоскости с прямоугольным вырезом.

Для достижения поставленной цели были рассмотрены и решены следующие задачи:

1. Составлен обзор и анализ современного состояния проблемы строительства на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, в том числе, с учетом степени водонасыщения меньше единицы;

2. Анализированы современные аналитические и численные методы количественной оценки НДС водонасыщенных оснований, в том числе на начальном и промежуточном этапах;

3. Сформулированы основанные положения и составлены уравнения состояния скелета и поровой газосодержащей воды для количественной оценки НДС водонасыщенных оснований на начальном и промежуточном этапах;

4. Определены расчетные параметры деформируемой скелета и поровой газосодержащей воды грунта, а также грунта целом, в том числе коэффициент порового давления для условий отсутствия дренирования (закрытия система);

5. Поставлены и решены краевые задачи по количественной оценке НДС водонасыщенных оснований под воздействием местной нагрузки (плоская задача) с учетом различных граничных условий по напряжениям и различной формы границы ( полуплоскости с прямоугольным вырезом );

6. Поставлена и решена задача уплотнения водонасыщенного слабого грунта под воздействием песчаной насыпи с учетом песчаных дрен.

7. Поставлена и решена задача о НДС двухслойного основания состоящего из песчаной дамбы и преобразованного слабого слоя грунта.

8. Исследовано влияние степени водонасыщения в переделах 0,81,0. на НДС в допредельном и в предельном состояниях.

9. Исследовано влияния формы границы расчетной области в виде полуплоскости с прямоугольными вырезами на НДС водонасыщенных оснований под воздействием местной нагрузки;

10. Исследовано влияние касательных напряжений на границе полуплоскости при оценке НДС под воздействием местной нагрузки для определения начальной и предельной нагрузок;

11. Поставлена и решена плоская задача консолидации водонасыщенного основания под воздействием местной нагрузки. Показано, что на начальном этапе формирования НДС избыточное поровое давление концентрируется непосредственно под местной нагрузкой на ограниченную глубину На/2, а в промежуточном этапе экстремум порового давления смещается вниз и рассеивается во все стороны;

12. Исследовано влияние свойств ползучести скелета грунта при сдвиге при прогнозе осадок водонасыщенных оснований в условиях плоской задачи;

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснована необходимость учета степени водонасыщения, касательных напряжений на границе, а также формы границы расчетной области для количественной оценки НДС оснований при определении начальной и предельной критической нагрузок на основания зданий и сооружений;

2. Поставлены и решены задачи по количественной оценке НДС оснований сооружений под воздействием местной нагрузки ( фундамент, дамба ) аналитическим и численным методами с учетом степени водонасыщения, коэффициента Пуассона, касательных напряжений на границе и формы границы в виде полуплоскости с прямоугольным вырезом. Показано существенное влияния этих факторов на НДС оснований сооружений;

3. На основе решения плоской задачи консолидации показано, что под воздействием местной нагрузки в водонасыщенном основании избыточное поровое давление на начальном этапе концентрируется непосредственно под местной нагрузкой на глубину Л/2 и имеет

экстремум, а на промежуточном этапе экстремум порового давления смещается вниз.

4. Рассмотрено НДС двухслойного основания, состоящего из песчаной насыпи и преобразованного слабого слоя с помощью песчаных дрен конечной длины.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований способствуют повышению достоверности количественной оценки НДС водонасыщенных оснований на начальном и промежуточном этапах. Кроме того они позволяют определить начальную и предельную критические нагрузки на водонасыщенное основание, необходимые для расчета оснований по I и II группам предельных состояний.

Выполненные исследования показали, что время стабилизации осадки под воздействием местной нагрузки ( плоская задача ) существенно меньше чем время, определенное методом эквивалентной одномерной задачи.

Показано, что предварительное уплотнение верхних слоев слабых водонасыщенных глинистых грунтов большой мощности с помощью песчаной насыпи и дрен позволяют использовать образованное двухслойного массива в качестве оснований фундаментов конечной ширины.

Реализация работы. Результаты работы будут использованы на кафедре механики грунтов и геотехники МГСУ и автором диссертации в его дальнейшей научной и практической деятельности.

На защиту выносятся:

1. Постановка и решения задач по количественной оценке НДС водонасыщенных оснований на начальном и промежуточном этапах аналитическими и численными методами в рамках плоской задачи с учетом различных факторов;

2. Анализ результатов полученных решений плоской задачи консолидации и ползучести водонасыщенных оснований в том числе, начальной и предельной критических нагрузок с учетом различных факторов.

3. Анализ результатов решения осесимметричной задачи консолидации для предварительного уплотнения слабых водонасыщенных грунтов с помощью песчаной насыпи и дрен.

4. Выводы и рекомендации, составленные по результатам исследований;

Диссертационная работа выполнена на кафедре механике грунтов и геотехники МГСУ в период обучения в аспирантура в 2009- 2013 годах под руководством профессора, доктора технических наук З.Г.Тер- Мартиросяна, которому автор выражает искреннюю благодарность за постоянное вынимание и помощь.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 3 в научных журналах, рекомендованных ВАК. Основные из них:

1. Тер-Мартиросян З.Г, Сидоров В.В, Нгуен Хуи Хиеп, Расчетное сопротивление грунтов оснований фундаментов зависимости от степени их водонасыщения, журнал Инженерная Геология № 5, 2012, сс.48-52 (По списку ВАК).

2. Тер-Мартиросян З.Г, Нгуен Хуи Хиеп, Влияние степени водонасыщения глинистого грунта на его напряженно-деформированное состояние, журнал Вестник МГСУ № 8, 2012, сс.112-120 (По списку ВАК).

3. Тер-Мартиросян З.Г, Тер-Мартиросян А.З, Нгуен Хуи Хиеп, Консолидация и ползучесть оснований фундаментов конечной ширины, журнал Вестник МГСУ № 4,2013, сс.38-52 (По списку ВАК).

4. Тер-Мартиросян З.Г, Тер-Мартиросян А.З, Сидоров В.В, Нгуен Хуи Хиеп, Влияние граничных условий на расчетное сопротивление грунтов оснований фундаментов и предельную нагрузку на них, журнал Геотехника №4,2012,сс.12-15.

5. Тер-Мартиросян З.Г, Сидоров В.В, Нгуен Хуи Хиеп., Напряженно- деформированное состояние основания под воздействием полосовой нагрузки с учетом неполного водонасыщения грунта, XXI Российского Словацко- Польский семинар "Теоретические основы строительства", Варшава, 2012, сс.463-472.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ НДС ВОДОНАСЫЩЕННЫХОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ КОНЕЧНОЙ ШИРИНЫ

1.1.Введение

При проектировании и строительстве зданий и сооружений на водонасыщенных глинистых грунтах неизбежно возникает необходимость количественной оценки НДС оснований во времени, обусловленное процессами консолидации и ползучести. Такая оценка связно с прогнозированием скорости и величины осадки основания во времени, а также его устойчивости в нестабилизированном состоянии уплотнения.

Под воздействием внешней нагрузки (фундамент, дамба и др.) в водонасыщенном основании возникает сложное и неоднородное НДС, которое трансформируется в пространстве и во времени обусловленные распределением и перераспределением общих напряжений между поровой водой и скелетом грунта в соответствии с теорией фильтрационной консолидации. Теория фильтрационной консолидации является одной из сложных в прикладной механике грунтов, т.к. она связана с решением уравнений в частных производных, следующего вида [1,2,48, 62, 63]:

ды„, 2

д1

сХМ

(1.1)

где Чуг поровое давление, су- коэффициент консолидации,

V2- оператор Лапласа

( 2 | д2р 2

У

дх2 &■

с заданными начальными и

граничными условиями.

Кроме того для решения задач фильтрационной консолидации необходимо определение расчетных параметров деформируемости и прочности скелета грунта, сжимаемости поровой воды а также коэффициента

фильтрации, на основе которых рассчитывается начальное и нестабилизированное НДС.

В настоящее время количественная оценка НДС водонасыщенных оснований во времени базируется, в основном, на решении одномерных задач консолидации, что не всегда соответствует реальным условиям взаимодействия сооружения и основания. Это особенно касается основаниям фундаментов конечной ширины, т.к. в них неизбежно возникает двумерное НДС, что требует рассмотрения двумерной задачи фильтрационной консолидации.

Настояния глава посвящена обзору и анализу проблем количественной оценки НДС водонасыщенных оснований фундаментов конечной ширины (плоская задача), а также перспективу развития существующих методов решения таких задач.

1.2.Современные методы количественной оценки НДС водонасыщенных оснований фундаментов конечной ширины аналитическими методами

Известно, что при проектировании водонасыщенных оснований фундаментов конечной ширины необходимо дать количественную оценку стабилизированной и нестабилизированной осадок, а также устойчивости оснований в нестабилизированном состоянии уплотнения.

В настоящее время наиболее распространенным является метод эквивалентного слоя Н.А.Цытовича [63], который позволяет двухмерную и трехмерную задачи НДС оснований привести к одномерной путем замены криволинейной эпюры напряжений а2р по центральной оси на эквивалентную треугольную эпюру. Кроме того предполагается, что избыточное поровое давление фильтрует только в одном направлении, т.е. вдоль оси г (рис. 1.2). Это позволяет определить стабилизированную осадку и осадку основания во времени по формулам:

(1.2) (1.3)

5и=рт.кэ.ту

где рт- среднее давление под подошвой фундамента. э =АсоЬ- эквивалентный слой, зависящий от ширины Ъ и табличных коэффициентов А и со, зависящие от коэффициента Пуассона уи от формы и местности приложения нагрузки рт.

осредненное значение коэффициента относительной сжимаемости слоев неоднородного основания.

и (г)- степень консолидации, который изменяется от 0 до 7 и определятся в результате решения одномерной задачи консолидации.

Рис. 1.1. Расчетная схема для определения осадок слоистого основания по способу послойного суммирования DZ, — отметка планировки; ИЬ — отметка поверхности природного рельефа; — отметка подошвы фундамента; 1¥Ь — уровень подземных вод;

ВС — нижняя граница сжимаемой толщи

Ь

Г 1 Г 1 1 Г 1 Г 1

/// /Л

Рис. 1.2. Схема к расчету осадки методом эквивалентного слоя для слоистого напластования основания по H.A. Цытовичу

Многолетний опыт использования этого метода определения стабилизированной и нестабилизированной осадки водонасыщенного основания фундаментов конечной ширины во многом оправдало себя при решении практических задач и востребован до настоящего времени.

Метод эквивалентного слоя Цытовича для решения консолидации была развита в работах его учеников, Тер- Мартиросяна З.Г, Кулькаррни К Р, Нуриджаняна С.Ш и др., в которых учитывались нелинейная зависимость деформационных и фильтрационных свойств от уплотняющей нагрузки, а также ползучесть скелета и сжимаемость поровой газосодержащей поровой виды.

Вместе с тем эти решения ограниченны возможностью оценки НДС основания в двухмерной и трехмерной постановке. В частности не учитывается фильтрация в горизонтальном направлении.

Пространственная оценка НДС необходима не только для расчета осадки во времени но также для расчета НДС осадки водонасыщенного

основания фундаментов конечной ширины в начальный момент приложения нагрузки, а такие для расчетов устойчивости основания в нестабилизированном состоянии уплотнения. По этому консолидационную задачу следует рассматривать в два этапа: начальное ( условно- мгновенное и промежуточное длительное ).

В работе В.А.Флорина привидятся постановка и решение плоской и пространственной задач консолидации с учетом двух этапов для частных случаев действия нагрузки в виде сосредоточенных сил и др, полученные Короткиным В.Г. Так например для сосредоточенной силы Р в случае трехмерной консолидации получено формула для определения избыточного порового давления в виде [62]:

' г2 +Я2\

и„(х,у,г) =

Рл

п

ехр

4 с Г

V /

I 2с/ ,

(1.4)

2 2 2 2

где ф- интеграл вероятности, Л =х +у .

В общем случае решение уравнения консолидации (1.1) для полностью водонасыщенного грунта при граничном условии и„(х,0,^=0 в случаях плоской задач представляется в виде :

для плоской задачи ( ленточный фундамент ) [62]:

-(г-;)2-к г-,)2 -и-()г*<'*ч)1

| +0М-0О

А -

■"V 0 -со

е 4с>' -е 4с

ш

(1.5)

для пространственной задач ( прямоугольный фундамент ) [62]:

и„(х,у,г, 0 =

\3/2

4 (ж?,0

-со+со+оо 11

-('-¡)2Ну-Ч)2Н1-С)г -('-{РнгчРчг+СУ1

-е

4с„/

4с„(

(1.6)

где и и„(£,£г1,0)- начальное распределение избыточного

порового давления в грунтовом полупространстве под воздействием местной нагрузки.

Для равномерно- распределенной нагрузки р по полосе шириной Ъ=2а В.А Флориным получено решение вида [63]:

тг •> I у —

-1

ехр

4 сЛ

-1

(1-7)

В этих решениях принято, что степень водонасыщения грунтов равна единицей и поэтому принимается, что начальное избыточное поровое давление равно среднему напряжению ат(х,у,г,О)=(ох+оу+02)/3, т.е.:

иф,у,г, 0) =сгт(х,у,г, 0) (1.8)

Для случаев не полного водонасыщения В.А.Флорин [62] предлагает учитывать коэффициент сжимаемости поровой газосодержащей воды.

Решение пространственной задачи уплотнения водонасыщенного основания под воздействием равномерно- распределенной нагрузкой по площади прямоугольника получено Гибсоном Р.Е при коэффициенте Пуассона V=0. Выражение степени консолидации для угловой точки загруженной площади прямоугольника имеет вид:

С1_

ТТ - _ « Т 7 2т (Л О^

с~ , ч - со . 1 * ' Ч1'-7/

д т J 2т 2т

а осадка угловой точки определяется по формуле виде:

®,(0 = ®о(0-^,к(®)-®е(0)] (1-Ю)

По графикам на рис. 1.3. определяют значения ис для различных значений соотношений сторон прямоугольника Х=ЫЬ и фактора времени Ы/Ь2, где t время от условно мгновенного приложения нагрузки.

с=2вф (1.11) где (7-модуль сдвига, к- коэффициент фильтрации,

ц =

1 — V

1 - 2v

(1.12)

где v- коэффициент Пуассона принятой равным нулю, т.е. rj-1.

0,00t

et

Фактор времени 0,01 OJ iß

Рис 1.3. Зависимость степени консолидации от фактора времени по Гибсону P.E. Начальная осадка угловой точки по Гибсону Р.Е равна половина конечной осадки, т.е.:

¿уДоо) = 2а)с(0) (1.13)

Этот результат имеет важное теоретическое и практическое значение и подтверждается нашими исследованиями ( см главу 3).

Конечная осадка угловой точки сос(оо) по Гибсону P.E. при v=0 определяется по формуле:

(1.14)

7G' ^Д00) =—{ arcshl + Ä.arcsh—

ср Ь Я/

где (р- интенсивность внешней нагрузки. С- модуль сдвига грунта.

Используя это решение и графики ( рис 1.3 ) можно определить осадку поверхности грунта в любой точке методом угловых точек.

Двухмерную задачу консолидации водонасыщенного основания под воздействием равномерной нагрузки по площади круга рассмотрена Ю.К.Зарецким (1967) для двухфазного грунта с учетом ползучести скелета грунта [23,24]:

, о., ч

л 1 + ^

( \ Z

к2

d^drj

(1.15)

При этом начальная, условно мгновенная и стабилизированная осадка определяются по формулам:

(1.16)

PR

£(«>)=( (1.17)

Gck

где R- радиус круга.

Степень консолидации определяется по формуле:

U(t) = S(t)/S(co) (1.18)

Решение плоской задачи консолидации слоя ограниченной ширины при действии полосовой нагрузки рассмотрено в работе Пак Чун Сун (1997 г) в МИСИ- МГСУ [43] на основе решения стационарной задачи НДС слоя ограниченной ширины с помощью рядов Рибьера-Фойлона.

Решение аналогичной задачи под воздействием нагрузки трапецеидальной формы ( Дамба ) рассмотрения Буй Чыонг Шоном ( 2005г) с помощью рядов фуре [8].

1.3. Современные методы количественной оценки НДС водонасыщенных оснований фундаментов конечной ширины численными методами

Первая попытка решения плоской задачи фильтрационной консолидации численным методом конечных разностей была сделана В.А.Флорина ( 1961г ) [61, 62].

Расчетная область грунтового полупространства под полосовой нагрузкой была разбита на конечные элементы в виде квадратной сетки равной Ax=Az^(1/6+1/8) ширины фундамента. Соотношение размеров сетки и шага по времени выбирались из условия, что:

a = 0,25 (1.20)

{Щ

В работе В.А.Флолина приводиться пример решения одномерной задачи консолидации численным методом при неравномерном распределенном напряжений по глубине слоя ( собственный вес ).

В работе Зарецкого Ю.К, и Орехова В.В [41] поставлена и решена плоская задача консолидации методом конечных элементов с учетом нелинейной деформации скелета, не полностью водонасыщения пор грунта водой на основа модели Зарецкого Ю.К. [23]. Приводятся результаты расчетов НДС водонасыщенного основания в виде изолиний избыточного порового давления в разные моменты времени от начального момента нагружения, а также вертикальных и горизонтальных перемещений при различных скоростях нагружения штампа и при различных степенях водонасыщения грунтов основания.

Приводятся также зависимость осадки от нагрузки при различных режимах нагружения. Отмечается, что несущая способность основания при нулевом водонасыщении, определенная предложенным методом совпадает с результатом, рассчитанная по формуле В.А.Березанцева.

1.4. Современные методы количественной оценки прочности и устойчивости оснований фундаментов конечной ширины

1.4.1. Определение начальной критической нагрузки и расчетного сопротивления основания

Начальная критическая нагрузка р* соответствует случаю, когда в единственной точке в основании под краем ленточного фундамента возникает предельное состояние. Для определения р* Пузыревский Н П рассмотрел простейший случай, когда основание неводонасыщенное, линейно- деформируемое, однородное и изотропное, а напряжение от собственного веса грунта распределяется по закону гидростатики, т.е [3, 4, 5,

где б?- глубина от дневной поверхности, у- удельный вес грунта. Это означает, что напряжения и аХё являются главными.

Максимальные и минимальные главные напряжения от действия полосовой нагрузки (р- на ширину Ъ он определил по известным [86] формулам, т.е.:

11,12,13,48]:

(1.21)

(1.22)

где а- угол видимости (рис. 1.4).

Pa=yd

Ф Ф w Ф

Рис. 1.4. Расчетная схема для определения начальной критической нагрузки по Пузыревскому Суммарное значение главных напряжений в любой точке с учетом (1.21) в точке M(z,a) можно определить таким образом:

' -V~^\2cc±ún2a)+y{d + z).

<7,

л

(1.23)

Предельное напряженное состояние в точке М(г,а) может реализоваться, если напряжения (1.23) будут удовлетворять условию предельного состояния по Кулону- Мору в виде:

<7, -сг3

= sin (р

(JX+(J7>+ 2c.ctg(p Подставляя сг/^из (1.23) в (1.24), он получил:

(1.24)

71

sin а - sin ф

( р-д

л

а + y.d + y.z

\

= с. eos (р

(1.25)

Уравнение (1.23) представляет собой геометрическое место точек, где выполняется условие (1.24). Координаты этих точек г и а можно получить, решая (1.25) относительно г, т.е.:

p^q

7ty

\

sin а

--а

{smy ,

d-^~.ctg(p (1.26)

Это уравнение кривой очертания границы области предельного равновесия и имеет максимум zmax (рис. 1.3) в зависимости от р, у, с и (р . Ее можно найти, взяв производную dz/da и приравняв ее нулю, т.е.:

dz p — q

da 7гу

с \

COSÖT

J

= 0

(1.27)

отсюда следует, что г=гтах, когда соуа= зтср, т.е. а = и зта=соз<р.

Тогда, подставив это выражение в (1.26), получается максимальное значение г в виде:

*«.х=—{«8<Р + <Р-?г)-<*--(1.28)

7гу \ 2) у.<Л£ф

Отсюда легко определить значения граничной нагрузки р, в зависимости от хмах, т.е. получается:

р*= ' тах '-(1.29)

Полагая гтах=0, можно определить значения начальной критической нагрузки в виде:

Рн =—-^ (1.30)

щф + ф- —

Для случаев отсутствия трения (ср=0, с ф 0 ), к которым можно отнести жирные глины и слабые водонасыщенные глины в нестабилизированном состоянии уплотнения, получим:

р*=кс+ у& (1-31)

Начальная критическая нагрузка является совершенно безопасной для грунтового основания. Однако при этом не полностью используются, резервы несущей способности основания. Поэтому полагают, что

расширение области предельного равновесия на глубину гтах=Ъ/4 несущественно влияет на несущую способность основания, а зависимость осадки от нагрузки при этом остается линейной. Следовательно, для определения осадок основания при р<р можно использовать аппарат теории упругости.

Подставляя гтах-Ь/4 в (1.29), получим так называемое нормативное сопротивление грунта [25,, 33,48]:

дя _ я{уЬ / 4+ у а + с.щф) | ^

^гФ+Ф-^

ж I.

уЬ +

( Я^

41 щф+ф--

Л л

-+1

щф+ф~

(1.32)

сЩф + ф-7^

Это выражение можно представить в виде трехчленной формулы: 11н=Му'у -Ь+Мд .у -а+Мс -с, (1.33)

где Му, Мф М- безразмерные коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения ср, и вычисляются по формулам [86]:

Опыт использования формулы (1.34) и наблюдения за осадками сооружения позволили еще больше увеличить диапазон между р* и Ян. Последнее получило название расчетного сопротивления грунта основания Я и рекомендуется СНиП 2.02.01-83* [66] в виде:

+{мя-\уаъ.гш+м^увшехп] (1.35)

где уС1, уС2- коэффициенты условий работы, принимаемые по таблицам СНиП; к- коэффициент надежности, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта (рп и сц определены непосредственно по результатам испытания, и равным 1,1, если они приняты по справочным

таблицам; Му> Мд, Мс- коэффициенты, определяемые по (1.34) и принимаемые по СНиП; к2- коэффициент, принимаемый равным 1 при ширине подошвы фундамента ¿<10 м, а при ¿>10 м- к2=го/Ь+ 0,2; где г<г=8 м; ¿-ширина подошвы фундамента (м), у1Г удельный вес грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (кН/м ); у '1Г удельный вес грунтов, залегающих выше подошвы фундамента; с1г приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала:

л (1.36)

где кц- толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала; ¿4- глубина подвала, равная от уровня планирования до пола подвала (м); для сооружений с подвалом шириной В < 20м и глубиной более 2 м принимается ¿4 = 2 м, при ширине подвала В> 20 м, при ширине подвала В> 20м принимается ¿4 = 0; с/Грасчетное сцепление несущего слоя грунта.

В заключение отметим, что расчет осадки оснований сооружений при условии, когда среднее давление р под подошвой фундамента не превышает Я, при ширине фундамента более 10 м практически выполняется всегда. Поэтому проверка условия р<Я для плитных фундаментов размером 20x30,40x50, а иногда и 100x100 является бессмысленной. В таких случаях целесообразно пользоваться другим решением, исключающим ширину фундамента из формулы для определения расчетного сопротивления.

1.4.2. Основы теории предельного напряженного состояния и определение второй (предельной)критической нагрузки р**

При действии р** в грунтах основания полностью формируются области предельного состояния, грунты основания теряют свою несущую способность и развивается незатухающая провальная осадка, сопровождаемая выпором грунта в стороны, а также на поверхность в случае неглубокого заложения фундамента. Такое состояние абсолютно недопустимо для любого сооружения.

Для количественной оценки р** необходимо решить соответствующую задачу теории пластичности. Впервые это удалось сделать Л.Прадтлю и Г.Рейснеру в предположении отсутствия сил собственного веса грунта, т.е. у=0. Это решение имеет вид [48]:

рт = (уИ + с.^<р (1 37)

\-smcp х

где у'- удельный вес грунта выше оси х; глубина от поверхности до

оси у.

Расчетная схема этой задачи представлена на рис. 1.5, на котором представлены границы одной из областей предельного равновесия и два семейства линий скольжения, соответствующие этому решению.

Рис 1.5. Линии скольжения при предельной полосовой нагрузке для невесомого основания (у=0) Линии скольжения в центральной части под загруженной площадью образуют ромбы под углом к/2-(р (зона АОВ). В сегменте ОВС семейство линий скольжения имеют веерообразную форму, которая ограничивается отрезком ОС логарифмических спиралей. Наконец, третья зона (ОСП) образована ромбами, но вытянутыми вдоль оси х под углом тг/4-ф/2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Хуи Хиеп, 2013 год

Список литературы

1. Абелев М. Ю., Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений, М., Стройиздат, 1973. - 288с.

2. Амарян JI. С., Свойства слабых грунтов и методы их изучения, М., Недра, 1990.-217с.

3. Ахпателов Д. М., Воробьев В. Н., Учет начального напряженного состояния при решении задач геомеханики численными методами// В сб.: Приложение численных методов к задачам геомеханики, МИСИ, 1986. -с.167-173.

4. Барбакадзе В. Ш., Мураками С., Расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений в деформируемых средах, М., Стройиздат, 1989. - 472с.

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

6. Бондарик Г. К., Методика инженерно-геологических исследований, М., Недра, 1986. - 332с.

7. Бугров А. К., Нарбут Р. М., Сипидин В. П., Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия, JL, Стройиздат, 1987. — 184с.

8. Буй Чыонг Шон., Длительная устойчивость водонасыщенных оснований насыпей, канн, диссертация. М.МГСУ, 2005г. 153 стр.

9. Варданян Г.С., Андреев В.И., Атаров Н.М., Горшков A.A., Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности, М., АСВ, 1995.-568с.

10. Вялов С. С., Реологические основы механики грунтов, М., Высшая школа, 1978. - 447с.

11. Ганичев И. А., Устройство искусственных оснований и фундаментов, М., Стройиздат, 1973. - 400с.

12. Гольдин А. Л., Рассказов Л. Н., Проектирование грунтовых плотин, М., Изд. АСВ, 2001. - 375с.

13. Гольдштейн М. Н., Механические свойства грунтов, М., Стройиздат, 1971. - 367с.

14. Гольдштейн М. Н., Механические свойства грунтов (Основные компоненты грунта и их взаимодействие), М., Стройиздат, 1973. - 376с.

15. Гольдштейн М. Н., Механические свойства грунтов (Напряженно-деформативные и прочностные характеристики), М., Стройиздат, 1979.-304с.

16. Гольдштейн М. Н., Проблема прочности слабых водонасыщенных грунтов// Проблемы строительства на слабых грунтах, Рига, 1972.-с. 29-34.

17. Горелик А. М., Дружинин М. К., Чухрова А. Н., Испытания прочности и деформируемости слабых водонасыщенных глинистых грунтов// В сб.: Строительство на слабых грунтов, Рига, 1970. - с. 43-47.

18. Далматов Б. И., Механика грунтов, оснований и фундаментов, Л., Стройиздат, 1988. - 415с.

19. Далматов Б. И., Строительство в условиях слабых водонасыщенных глинистых грунтов// Проблемы строительства на слабых грунтах, Рига, 1972. - с. 105-113.

20. Дашко Р. Э., Каган А. А., Закономерности развития деформаций сдвига и изменение прочности во времени некоторых слабых глинистых грунтов// В сб.: Строительство на слабых грунтах, Рига, 1970. - с.56-59.

21. Денисов Н. Я., Природа прочности и деформаций грунтов -Избранные труды, М., Стройиздат, 1972. - 280с.

22. Драновский А. Н., Воробьев М.С., О погрешностях традиционной интерпретации результатов испытаний песка на прямой сдвиг, в сб.: Исследования работы оснований и фундаментов в сложных грунтовых условиях, Казань, 1985. - с.55-60.

23. Зарецкий Ю. К., Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений, Стройиздат, 1988. - 350с.

24. Зарецкий Ю. К, Орехов В.В.,Напряженно- деформированное состояние грунтового основания под действием жесткого ленточного фундамента. "Основания, фундаменты и механика грунтов", 1983 N6, стр.2124.

25. Иванов П. Д., Грунты и основания гидротехнических сооружений, М., Высшая Школа, 1991. - 447с.

26. Коновалов П. А., Устройство фундаментов на заторфованных грунтах, М., Стройиздат, 1980. - 160с.

27. Крыжановский A. JL, Абелев М. Ю., Воронцов Э. И., Влияние вида напряженного состояния на механические свойства илов озера Сиваш // В сб.: Строительство на слабых грунтов, Рига, 1970. - с.37-42.

28. Кульчицкий JI. И., Усъяров О. Г., Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород, М., Недра, 1981. - 169с.

29. Кушнер С. Г., Напряженно-деформированное состояние конечной толщины под воздействием произвольной полосовой нагрузки на поверхности, ОФМГр, 1998,No.l.-c.2-7.

30. Ларионов А. К., Свойства слабых грунтов, их природа и методы исследования// Проблемы строительства на слабых грунтах, Рига, 1972. -с.11-27.

31. Ломтадзе В. Д., Инженерная геология - Инженерная петрология, Л., Недра, 1970.-527с.

32. Ломтадзе В. Д, Инженерная геология — Специальная инженерная геология, Л., Нед-тэа, 1978. - 496с.

33. Маслов Н. Н., Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними), М., Стройиздат, 1977. — 320с.

34. Маслов Н. Н., Основы инженерной геологии и механики грунтов, М., Высшая Школа, 1982. - 511с.

35. Маслов Н. Н., Ле Ба Лыонг, К вопросу о повышении прочности и несущей способности глинистых грунтов под нагрузкой во времени// Проблемы строительства на слабых грунтах, Рига, 1972. - с.39-48.

36. Месчян С. Р., Механические свойства грунтов и лабораторные методы их определения (с учетом временных эффектов), М., Недра, 1974. — 191с.

37. Месчян С. Р., Реологические процессы в глинистых грунтах (с учетом особых воздействий), Ереван, Айастан, 1995. - 395с.

38. Месчян С. Р., Экспериментальная реология глинистых грунтов, М., Недра, 1985.-342с.

39. Мотузов Я. Я., Ибрагимов М. Л., Семкин В. В., Закрепление илистых грунтов при строительстве портовых сооружений, ОФМГр, 2003, N0.1-0.25-30.

40. Нгуен Вьет Туан., Напряженно-деформированное состояние грунтов основания и бортов котлована с учетом пространственного фактора, канн, диссертация. М.МГСУ, 2006г. 197 стр.

41. Орехов.В.В., Напряженно-деформированное состояние и несущая способность водонасыщенного грунтового основания под действием жесткого фундамента. УПДунайско- европейская конфереция по механике грунтов и фундамента строению, Кишинев, 1983, стр. 243-246.

42. Олодо Теле Давид, Напряженно- деформированное состояние слабых водонасыщенных оснований насыпей и дамб, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, МГСУ, М. - 2010.

43. Пак ЧунСун, Консолидация слоя ограниченной ширины// дисс. канд. тех. наук., М., МИСИ, 1997. - 146с.

44. Разоренов В. Ф., Пенетрационные испытания грунтов, М., Стройиздат, 1980.-248с.

45. Ревуженко А. Ф., Механика упруго-пластических сред и нестандартный анализ, Новосибирск, Издательство новосибирского университета, 2000. — 428с.

46. Сергеев Е. М., Инженерная геология, Издательство Московского Университета, 1978. - 384с.

47. Сидоров Н. Н., Сипидин В. П., Современные методы определения характеристик механических свойств грунтов, Л., Стройиздат, 1972. — 196с.

48. Тер-Мартиросян 3. Г.,Механика грунтов, М., Изд. АСВ, 2010. -

552с

49. Тер-Мартиросян 3. Г., Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов, М., Недра, 1986. - 290с.

50. Тер-Мартиросян 3. Г., Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений, М., Стройиздат, 1990. - 200с.

51. Тер-Мартиросян 3. Г.,ПакЧун Сунн, Консолидация и ползучесть слоя грунта ограниченной ширины под действием местной нагрузки, ОФМГр, 1998, N0.2-с.2-6.

52. Тер-Мартиросян 3. Г., Ахпателов Д. М., Расчет напряжено-деформированного состояния массивов многофазных грунтов, М., МИСИ, 1982.-118с.

53. Тер-Мартиросян 3. Г., Вялов С. С., Демин И. И., Шахурина Н. Е., Учет ползучести и нелинейной деформируемости при расчете осадок сильносжимаемыхводонасыщенных оснований// В сб.: Балтийская конференция по МГр и фунд-нию. Стр-во на торфах и деформации сооружений на сильносжимаемых грунтах (Т2), СССР, Оргкомитет II Балтийской конференции по МГр. и фундаментостроению, 1988. - с. 13-17.

54. Тер-Мартиросян 3. Г., Прошин М. В., Кратковременная и длительная устойчивость склонов, ОФМГр, 2002, N0.2 - с.2-5.

55. Тер-Мартиросян З.Г.,Олодо Т.Д., Сидоров В.В., Напряженно-деформированное состояние оснований дамб с учетом их взаимодействия, журнал Инженерная Геология, № 1,2011г. Стр.30-34.

56. Тер-Мартиросян 3. Г., Дёмин И. И., Рахманов А. А., Численный метод решения задач консолидации слабых водонасыщенных грунтов// В сб.: Приложение численных методов к задачам геомеханики, МИСИ, 1986. - с.62-67.

57. Тер-Мартиросян 3. Г., Эквивалентные характеристики деформируемости и прочности многокомпонентного грунта// Материалы Международного Совещания заведущих кафедрами МГр., Инж. геологии, О и Ф и Подземного стр-ва строительных вузов и факультетов, М., МГСУ, 2003, с.15-25.

58. Терцаги К., Пек Р., Механика грунтов в инженерной практике, М., Стройиздат, 1958. - 608с.

59. Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В., Тер-Мартиросян 3. Г., Чернышев С. Н., Механика грунтов, Основания и Фундаменты, М., Изд. АСВ, 1994.-527с.

60. Фадеев. А. Б., Метод конечных элементов в геомеханике, М., Недра, 1987.-223с.

61. Флорин В.А., Основы механики грунтов, Т.1, М. и Л., Госстройиздат, 1959.-357с.

62. Флорин В.А., Основы механики грунтов, Т.2, М. и Л., Госстройиздат, 1961.-543с.

63. Цытович Н. А., Механика грунтов (краткий Курс), М., Высшая Школа, 1983.-288с.

64. Шукле Л., Реологические проблемы механики грунтов, М., Стройиздат, 1976.-486с.

65. Щербина Е. В., Зубкова Г. В., Напряженно-деформированное состояние грунта в стабилометре// В сб.: Приложение численных методов к задачам геомеханики, МИСИ, 1986. - с.45-48.

66. СНиП 2.02.01-83*: Основания зданий и сооружений

67. David Muir Wood, Soil behavior and critical state soil mechanics, Cambridge University Press, 1994. - 448p.

68. Harden, J., &Wolski, W. (edited): Embankment on Organic Soils, ELSEVIER, 1996. - 424p.

69. Manuals Plaxis V 8.2.