Исследование динамической прочности песчаных грунтов методом автоколебаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исследование динамической прочности песчаных грунтов методом автоколебаний

Специальность

25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Латыпов Айрат

Екатеринбург - 2011г.

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» и на кафедре общей геологии и гидрогеологии ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Драновский Абрам Нисонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Корнилков Михаил Викторович

кандидат геолого-минералогических наук

Подкорытова Лидия Ивановна

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»



Общая характеристика работы

Актуальность работы. Практика современного проектирования требует решения многих вопросов, связанных с поведением оснований под действием динамических нагрузок. В связи с увеличением интенсивности техногенного вибрационного воздействия на основания зданий и сооружений, строительством в сейсмичных районах, проектированием фундаментов, работающих в условиях динамического нагружения, актуальность рассматриваемой в данной работе проблемы в последнее время значительно возросла.

Многочисленные наблюдения и эксперименты за динамическими воздействиями на грунты позволили установить, что деформации наиболее значительны в тех случаях, когда основанием служат песчаные грунты. Поэтому в диссертации рассмотрены результаты теоретических и практических исследований динамической прочности только песчаных грунтов.

Анализ известной литературы о поведении грунтов при динамических воздействиях показал, что результаты исследований и выводы исследователей чрезвычайно противоречивы. Так, природа изменения прочности и плотности грунта Г.И. Покровским, Д.Д. Барканом, И.А. Савченко, Е.М. Перлеем и др. объяснялась изменением коэффициента внутреннего трения и сцепления грунта, причем решающим фактором выступало ускорение колебаний. В то же время ряд авторов (П.Л. Иванов, Ю.К. Зарецкий, Н.В. Флорина, Л.А. Эйслер) придерживался противоположного мнения, заключающегося в том, что изменение сопротивления грунтов сдвигу при вибрациях происходит не за счет изменения угла внутреннего трения, который остается почти таким же, как и при статических воздействиях, а в связи с кратковременным изменением напряженного состояния.

Исследования, проводимые в нашей стране и за рубежом в последние тридцать лет, показали, что возникновение и развитие в грунтах необратимых деформаций определяется не ускорениями движения грунта, а инерционными силами или динамическими напряжениями в грунте. Это обусловило отказ от общепризнанной определяющей роли ускорений и переход к методике исследований динамической деформируемости грунтов в условиях контролируемых напряжений и деформаций.

В последние годы ряд исследователей объясняют реакции грунтов на динамическое воздействие теориями усталостного разрушения материалов. Под усталостью обычно понимается снижение прочности и повышение деформируемости материалов в условиях динамического нагружения. В настоящее время не разработано единой теории усталостного разрушения даже таких однородных материалов как металлы. Для грунтов же явление усталости является вообще слабо изученным.

К наиболее полным и значительным работам в этой области следует отнести работы Е.А.Вознесенского, которым для оценки реакции грунтов на динамическое воздействие был предложен термин динамическая неустойчивость грунта, под которой понимается повышение вероятности разрушения грунта при динамическом нагружении по сравнению со статическими условиями.

Работы многих авторов посвящены экспериментальным исследованиям, направленным, как правило, на изучение влияния отдельных факторов, и содержат лишь конечные результаты о динамической прочности, мало затрагивая особенности процесса разрушения и физических явлений, связанных с ним.

Недостатком современных моделей поведения массива грунта под действием динамических нагрузок является то, что в них используются те же механические характеристики, что и при статическом нагружении, например, определяется влияние динамичности на кулоновские характеристики прочности. Однако исследования различных авторов показывают, что при динамических нагрузках прочность грунта не всегда подчиняется закону сухого трения, поэтому определять параметры прочности Кулона при интенсивной динамической нагрузке бессмысленно. Кроме того, использование пиковых статических характеристик прочности при расчете оснований на действие динамической нагрузки приводит к завышенным результатам.

Все это говорит о недостаточной изученности влияния динамического нагружения на сопротивление несвязных грунтов сдвигу и деформации оснований. автоколебание деформированный песчаный

Объектом исследований являются песчаные грунты.

Предметом исследований является реакция песчаных грунтов на действие динамической нагрузки.

Идея работы. Способность грунта противостоять действию динамической нагрузки может быть оценена с помощью метода автоколебаний, так как он основан на определении параметров песчаного грунта, полученных в результате возбуждения в процессе разрушения динамических процессов.

Цель диссертационной работы состоит в изучении особенностей работы песчаных грунтов при динамическом воздействии и разработке рекомендаций по определению и применению параметров динамической прочности грунтовых оснований методом автоколебаний.

Для реализации данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

· выполнить анализ и обобщение опубликованного материала по исследованиям реакции песков на динамические воздействия;

· провести экспериментальные исследования прочности песчаных грунтов в лабораторных условиях и при полевых испытаниях при автоколебаниях;

· выполнить упруго-пластический анализ напряженно-деформированного состояния, установить критерии возникновения автоколебаний, сформулировать условие динамической устойчивости песчаных оснований.

· разработать рекомендации по определению и применению параметров динамической прочности грунта методом автоколебаний для решения инженерных задач.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований прочности песчаных грунтов, разработке рекомендаций по определению и применению параметров динамической прочности для решения инженерных задач.

Фактический материал. Лабораторные исследования были выполнены на образцах нарушенной структуры, изготовленных из аллювиальных кварцевых песков позднего неоплейстоцена (aQ_III) первой надпойменной террасы р.Казанки.

Методы исследований. Предмет исследований диссертационной работы находится на стыке ряда отраслей знаний, среди которых можно выделить механику грунтов, инженерную геологию, строительную механику, трение металлов, теорию упругости и пластичности, основания и фундаменты. В целом методика исследований направлена на изучение процессов, происходящих в песчаном массиве при его разрушении.

Научная новизна:

1. Получены не имеющие аналогов диаграммы автоколебательного деформирования и разрушения песчаных образцов при кинематическом режиме нагружения.

2. Построены зависимости пиковой и остаточной прочности песчаных образцов от плотности, влажности и гранулометрического состава (эффективного диаметра D₁₀).

3. Для оценки динамической прочности грунта предложены не использовавшиеся ранее параметры - угол трения скольжения, угол зацепления и связность частиц грунта.

4. Впервые показано, что дискретность процесса погружения зонда в однородных песках обусловлена его продольным изгибом.

5. Для интерпретации результатов статического зондирования впервые предложен метод математической обработки с помощью теории автоколебаний.

Практическая значимость проведенной работы состоит:

1. В разработке новой методики обработки результатов испытания грунта на срез - методики нормализации. Использование данной методики позволяет существенно снизить разброс определяемых прочностных характеристик и сократить количество необходимых испытаний.

2. В разработке методики обработки результатов статического зондирования грунтов при значительных скачках измеряемых параметров, что позволяет по-новому интерпретировать получаемые значения параметров зондирования для расчетов несущей способности свай.

3. Во внедрении результатов исследований динамической прочности в проектирование фундамента под компрессорную установку комплекса по производству полиэтилена ОАО «Нижнекамскнефтехим».

4. В использовании методики обработки результатов статического зондирования при инженерно-геологических изысканиях площадки Дворца водных видов спорта по ул. Чистопольской г. Казани.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих отечественных и международных конференциях:

- 52-я республиканская научная конференция (Казань, 2000);

- 4-та украiнська науково-технiчна конференцiя «Механiка грунтiв та фундаментобудувания» (Киев, 2000);

- 53-я республиканская научная конференция (Казань, 2001);

- международная научно-технической конференция «Современные проблемы фундаментостроения» (Волгоград, 2001);

- всероссийская научно-практическая конференция «Современные научно-технические проблемы транспортного строительства» (Казань, 2007);

- I всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2010г);

- VI всероссийская научно-практическая конференция «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2010).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 9 статьях в журналах: «Инженерная геология» (Москва, 2011), «Известия КазГАСУ» (Казань, 2008, 2010) и сборниках трудов конференций «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2010), «Современные научно-технические проблемы транспортного строительства» (Казань, 2007), «Современные проблемы фундаментостроения» (Волгоград, 2001), «Республиканская научная конференция» (Казань, 2000, 2001), 4-я украинская научно-техническая конференция (Киев, 2000).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 89 наименований. Общий объем составляет 166 страниц машинописного текста, 51 рисунка, 9 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю профессору КГАСУ, кандидату технических наук А.Н. Драновскому за многолетнее обучение, научное руководство и теплое отношение.

Автор признателен профессору МГУ им.М.В.Ломоносова, доктору геолого-минералогических наук Е.А. Вознесенскому за ценные консультации и советы, заведующему кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ, профессору, доктору геолого-минералогических наук О.Н. Грязнову за содействие и помощь в защите диссертационной работы, заведующему кафедрой оснований, фундаментов и инженерной геологии КГАСА, кандидату технических наук Р.Р.Авазову.



ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Реакция песчаного грунта на динамическое воздействие может быть оценена с помощью метода автоколебаний, в котором запредельная стадия деформирования и разрушения грунта представлена как дискретный скачкообразный процесс. Учет возникающих при этом скоростей и ускорений позволяет рассматривать грунт как динамическую систему.

Выполнен обзор результатов экспериментально-теоретических исследований поведения песчаных грунтов при действии динамической нагрузки, проведенных в нашей стране и за рубежом. В результате установлено, что на сегодняшний день отсутствуют как единообразная методика проведения испытаний, так и достоверные параметры динамической прочности грунта. Большинство работ посвящены экспериментальным исследованиям и практически не затрагивают особенности процесса разрушения и физических явлений, связанных с ним, а в качестве исследуемых параметров прочности принимаются те же характеристики, что и при статических испытаниях. Кроме того, отсутствие общего подхода к проведению испытаний приводит к тому, что результаты исследований и выводы исследователей чрезвычайно противоречивы.

В основу работы положен принципиально новый подход к определению динамической прочности грунта - кинетический, впервые предложенный А.Н.Драновским. Реализация данного подхода с использованием метода автоколебаний позволила установить зависимость между параметрами процесса разрушения грунта в запредельной стадии деформирования и способностью грунта противостоять действию динамической нагрузки.

В настоящей работе, основанной на экспериментальных и теоретических исследованиях, грунт рассматривается как автоколебательная среда. То есть система, в которой под влиянием статических воздействий возникают колебания особого вида, так называемые релаксационные или разрывные автоколебания.

Автоколебания возникают вследствие того, что грунт накапливает потенциальную энергию формоизменения лишь до определенного предела, определяемого плотностью его сложения, а затем происходит разрушение строения грунта, мгновенная релаксация сопротивления сдвигу и пластическая деформация проскальзывания. После этого под влиянием внешней нагрузки грунт постепенно вновь накапливает энергию, а затем разгружается. Таким образом, грунт сам по себе даже под влиянием только собственного веса является не статической, а динамической системой.

Предполагается, что скачкообразные автоколебания прочности, фиксируемые в процессе сдвиговой деформации, связаны с дискретным изменением плотности сложения грунта на поверхности разрушения.

В качестве автоколебательных характеристик приняты механические свойства - пиковая статическая прочность ф_max, остаточная статическая прочность ф_st и предел релаксации сдвигающего напряжения ф_R, определяемые по автоколебательной диаграмме деформирования грунта.

На рис.2 приведен общий вид такой диаграммы, полученный при лабораторных испытаниях образцов песчаного грунта на срез в кинематическом режиме нагружения с постоянной скоростью деформирования. Испытания проводились на приборе круглоцилиндрического прямого среза, созданного в Казанском инженерно-строительном институте А.Н. Драновским и М.С. Воробъевым.

Главное отличие данного прибора от других приборов прямого среза состоит в том, что нижняя подвижная секция грунтоприемной камеры закреплена на подвесе, шарнирно опертом на силоизмеритель (рис.1). Верхняя секция закреплена неподвижно. Нижняя секция обладает возможностью маятникообразно перемещаться относительно верхней подвижной секции.

Закрепление нижней подвижной секции на подвесе позволяет свести к минимуму трение в элементах устройства, искажающее результаты измерения сдвигающего усилия, а опирание подвеса на динамометр позволяет измерять нормальное усилие непосредственно в плоскости среза.

Многочисленные испытания образцов песчаного грунта в сдвиговом приборе показали, что вертикальное давление в плоскости среза существенно отличается от давления на верхний торец образца, что объясняется наличием сил трения по боковой поверхности, которые существенно зависят от дилатансии грунта при сдвиге.

Для корректной обработки результатов была разработана методика нормализации, позволяющая учитывать изменения вертикального давления в процессе сдвига и существенно снизить разброс определяемых прочностных характеристик.

Нижний торец верхней секции и верхний торец нижней секции прибора очерчены по коаксиальным круглоцилиндрическим поверхностям, ось которых совпадает с горизонтальной осью шарнира, а образующие нормальны направлению сдвига. Благодаря этому срез грунта осуществляется по круглоцилиндрической поверхности, радиус которой принимается равным расстоянию от середины зазора между секциями до оси вращения подвеса.

Экспериментальные исследования проводились на образцах нарушенной природной структуры, изготовленных из песков аллювиальных (аQ_III) первой надпойменной террасы р. Казанки. Сначала из песка методом отмучивания удалялись глинистые частицы, после чего грунт высушивался до полностью сухого состояния. Необходимая начальная влажность образцов достигалась добавлением определенного количества воды

Все образцы имели цилиндрическую форму диаметром 7,14см и высотой 4см.



Рис. 1. Схема прибора прямого среза

1 - неподвижная секция камеры; 2 - подвижная секция камеры; 3 - подвес; 4 - шарнир; 5 - силоизмеритель

После помещения в грунтоприемную камеру испытываемый образец нагружался вертикальной нагрузкой, создаваемой с помощью рычажной системы. Вертикальное давление передавалось на верхний торец образца через перфорированный штамп.

Сдвигающее усилие прикладывалось через динамометр в кинематическом режиме с постоянной скоростью деформирования.

В процессе испытания замерялись горизонтальные и вертикальные деформации образца, а также величины усилий, возникающих в передающих нагрузку динамометрах.

Все измерения осуществлялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01мм.



Рис.2. Диаграмма автоколебательного сдвига

Как видно, в запредельном состоянии колебательный процесс состоит из двух характерных этапов: «остановки» и «скачка», т.е. процесса медленного нагружения при относительном макропокое верхней и нижней половин образца, и быстрого, скачкообразного их относительного перемещения.

Процесс деформирования протекает следующим образом. После начала нагружения динамометр деформируется до тех пор, пока передаваемое им усилие не преодолеет полную силу трения покоя (участок ОА рис.2). Точка А соответствует максимальному сдвигающему усилию ф_max. После достижения максимума начинается быстрый процесс скольжения (АБ). Движение происходит с переменной скоростью, изменяясь от ускоренного к замедляющемуся. На участке БВ статическое деформирование приводит к постепенному увеличению сдвигающего усилия до значения ф_st, затем начинается следующий цикл автоколебания сдвигающего усилия.

На участках увеличения сдвигающего усилия (БВ, ГД, ЕЖ…), который можно назвать статическим, происходит мобилизация прочности грунта до значения ф_st, сопровождающаяся постепенным статическим накоплением упругой энергии в образце грунта и динамометре. Исследования автора показали, что мобилизация статической остаточной прочности грунта происходит в доли секунды, т.е. практически мгновенно. Поверхность разрушения, как поверхность разрыва скоростей, отсутствует. Скорость сдвиговой деформации грунта постоянна, она меньше заданной х₀.

На участках уменьшения сдвигающего усилия (АБ, ВГ, ДЕ, ЖЗ…) происходит быстрая динамическая разгрузка от накопленной энергии. При этом на поверхности разрушения происходит проскальзывание и реализуется трение скольжения, а сдвигающее усилие снижается до значения ф_R, где ф_R-это предел релаксации сдвигающего напряжения. Динамический этап протекает быстро, практически мгновенно.

Особенность динамического этапа в том, что сдвигающее усилие, измеряемое динамометром, не равно кинетическому сопротивлению грунта сдвигу, так как из-за неравномерности процесса проскальзывания статическое условие равновесия сил не выполняется.

Таким образом, при кинематическом нагружении циклическое деформирование возникает вследствие самопроизвольного периодического изменения скорости сдвига в результате возникновения фрикционных автоколебаний.

По значениям ф_st и ф_R, определяемым непосредственно по автоколебательной диаграмме испытания, можно определить сопротивление трению скольжения ф_f (кинетическую прочность) и сопротивление страгивания ф_с, соответствующие состоянию i-й плотности сложения. За нулевую принята начальная плотность грунта.

, .

Величина ф_fi является отсчетным уровнем i-го автоколебания прочности грунта. Она характеризует напряженное состояние i-й плотности сложения в тот момент, когда ускорение проскальзывания равно нулю, т.е. в том момент, когда отсутствуют инерционные силы и показание динамометра точно фиксирует силу сопротивления трению скольжения.

Таким образом, при автоколебательном сдвиге контролируется уровень динамических воздействий на любом этапе сдвиговых деформаций.

2. Сопротивление песчаного грунта сдвигу можно представить в виде суммы кинетического сопротивления трению скольжения и сопротивления страгивания, а входящие в формулы для их определения такие параметры, как угол трения скольжения, угол зацепления и связность могут рассматриваться как истинные параметры динамической прочности грунта.

Сопротивление грунта сдвигу может быть представлено в виде суммы двух составляющих - кинетического сопротивления трению скольжения ф_f и сопротивления страгивания ф_c

.

Эксперименты показали, что эти параметры зависят от нормального напряжения и могут быть определены по формулам

;

,

где P - нормальное давление на поверхности сдвига; ц_f - угол трения скольжения; ц_с - угол зацепления; У_w - связность частиц грунта.

На рис.3 приведена графическая интерпретация вышесказанного. Прямая 1 есть классическое представление зависимости ф от у - закон Кулона, 2 - сопротивление сдвигу сухого грунта, 3 - кинетическое сопротивление трению скольжения грунта природной влажности. В любой момент времени при величине нормального напряжения у=Р полное сопротивление сдвигу ф реализуется благодаря двум составляющим - ф_f и ф_c, значения которых зависят как от величины Р, так и от грунтовых характеристик ц_с, ц_f, У_w. При этом классический угол внутреннего трения ц является лишь математическим параметром зависимости между касательными и нормальными напряжениями и при действии динамической нагрузки не имеет физического смысла, так как не учитывает кинетику процесса деформирования и разрушения и не позволяет оценить действие динамичности на изменения структуры грунта.

Рис.3. Зависимость сопротивления сдвигу ф от нормального напряжения у

В этом смысле предлагаемые параметры динамической прочности ц_с, ц_f, У_w четко характеризуют кинетику процесса разрушения грунта в запредельной стадии деформирования и, соответственно, его способность противостоять действию динамической нагрузки.

Условие потери динамической устойчивости можно представить виде

.

Т.е. падение сопротивления грунта сдвигу при действии динамической нагрузки может быть оценено с помощью ц_с, ц_f, У_w, которые могут считаться динамическими параметрами прочности, характеризующие истинные механические свойства грунтов.

Значительная часть работы посвящена лабораторным исследованиям образцов песчаного грунта. На рис.4,5 показаны полученные зависимости сдвигающего напряжения от деформации для образцов различной плотности, и гранулометрического состава, а на рис.6 - зависимость параметров деформирования от влажности грунта.

1

Рис.4. Зависимость ф(д) при испытаниях песков разной плотности при W=11%

Рис.5. Зависимости ф(д) для песков различного грансостава

1 1 - ф_max (?); 2 - ф_f (¦); 3 - ф_с (^)

Рис.6. Зависимость пиковой статической прочности ф_max, кинетической остаточной прочности ф_f и зацепления страгивания ф_с от влажности образца грунта W



В результате установлено, что начальная плотность образцов грунта оказывает влияние только на пиковую статическую прочность, а остаточная прочность определяется свойствами образовавшегося в зоне среза некоторого объема грунта установившейся плотности.

Гранулометрический состав песчаного грунта не оказывает влияния на кинетическую остаточную прочность, которая определяется шероховатостью поверхности частиц и нормальным давлением.

Сопротивление страгиванию (зацепление) возрастает с увеличением размера частиц, причем определяющим в этой зависимости является не максимальный размер частиц, а эффективный диаметр D₁₀. На основании проведенных экспериментов установлена линейная зависимость между зацеплением и эффективным диаметром. Влияния степени однородности грунта на его прочностные характеристики выявлено не было.

Влажность грунта не оказывает непосредственного влияния на прочностные характеристики. Различие пиковой статической прочности при испытаниях образцов разной влажности объясняется различием начальной плотности сухого грунта.

3. Циклическое деформирование возникает вследствие самопроизвольного периодического изменения скорости сдвига в результате возникновения фрикционных автоколебаний. Аналогичность протекания процессов при внутреннем и внешнем трении позволяет применять для их описания математический аппарат теории релаксационных автоколебаний при трении металлов.

Существующие лабораторные и полевые методы определения динамической прочности грунта не позволяют определить компоненты сопротивления сдвигу.

Предлагаемый метод основан на определении параметров грунта, напрямую характеризующих его способность противостоять внешнему динамическому воздействию, т.к. они получены в результате возбуждении в процессе разрушения динамических процессов.

Анализ существующей литературы показал, что термина «автоколебания» и соответственно какого-либо их описания и методик расчета в современной механике грунтов не существует. Между тем в работах различных авторов наблюдаются сведения, свидетельствующие о фиксации в процессе экспериментов зачастую случайных и неожидаемых резких изменений регистрируемых параметров.

В 30-40-х годах XX века при исследовании процессов трения в машиностроении было установлено, что скачкообразность деформирования при внешнем трении обусловлена возбуждением релаксационных фрикционных автоколебаний (ФА).

Изучение проблемы показало, что процессы дискретного деформирования при внутреннем и внешнем трении протекают аналогично. Это позволило при математическом описании процесса автоколебательного разрушения грунта использовать теоретические предпосылки, разработанными такими основоположниками изучения проблемы ФА, как И.В.Крагельский, Ю.И.Костерин, В.А.Кудинов, Н.Л.Кайдовский, Б.В.Дерягин, Д.М.Толстой, Ф.П.Боуден, Х.Блок, М.Е.Эльясберг и др.

В результате был получен ряд зависимостей, пригодных для выполнения инженерных расчетов.

Так, в качестве описания динамического этапа было принято дифференциальное уравнение возмущенного движения

,

где m - масса активного тела, -ускорение колебаний, Т - сдвигающее усилие.

Решение этого уравнения позволило получить следующие характеристики динамического этапа:

- деформация сдвига

;

- скорость сдвига

;

- ускорение сдвига

;

- продолжительность динамического этапа

.

Здесь х₀ - скорость деформирования; t - время; К_д - коэффициент жесткости динамометра; Т_с - сопротивление страгиванию; - круговая частота; - начальная фаза колебания.

4. При статическом зондировании грунтовых оснований в определенных условиях процесс погружения зонда в грунт имеет дискретный характер, что связано с возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса.

При этом корректная интерпретация результатов зондирования без фиксации параметров автоколебаний невозможна.

Анализ полевых методов исследования динамической прочности показал, что существующие методы практически не затрагивают особенностей процесса разрушения и физический явлений, связанных с ним. В работе выполнена попытка предложить в качестве такого метода использование весьма распространенного метода статического зондирования грунтов. Анализ известной литературы и собственные исследования позволили предположить существование дискретности процесса погружения зонда в массив, что может быть связано с возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса. Накопление упругой энергии в этой системе происходит, по-видимому, вследствие изгиба стержня зонда, который необходимо рассматривать как задачу возможной потери устойчивости стержня в воздушной среде с ограниченной величиной максимального изгиба.

Благодаря интерпретации результатов статического зондирования с точки зрения возникновения автоколебаний на конкретных площадках удалось установить ряд параметров, которые могут быть использованы при выполнении практических расчетов.

В качестве примера можно привести исследования, выполненные при статическом зондировании площадки строительства дворца водных видов спорта в Ново-Савиновском районе г.Казани установкой УЗК-15 (зонд II типа). Зондирование было выполнено в 10 точках.

Инженерно-геологический разрез площадки приведен на рис.7 и в таблице 1. На рис.8 представлена диаграмма зондирования в точке статического зондирования №1.



Рис.7. Инженерно-геологический разрез в ТСЗ№1

( -- q_c, --- f_s)

Рис.8. График статического зондирования в ТСЗ №1 объекта: дворец водных видов спорта, г.Казань



Таблица 1

Инженерно-геологическое описание грунтов в ТСЗ №1

№ ИГЭ	Характеристика ИГЭ	Мощность, м
1	Почвенно-растительный слой	0,4
2а	Глина твердая, полутвердая коричневая макропористая	1,1
3в	Суглинок мягкопластичный коричневый, макропористый	2,8
3б	Суглинок тугопластичный коричневый, макропористый	1,7
7а	Песок средней крупности водонасыщенный желтовато-коричневый, средней плотности	5,6
N2б	Глина неогеновая тугопластичная серая, слюдистая	3,4

В интервале глубины 6-11,6м залегает слой ИГЭ 7а - песок аллювиальный, средней крупности со следующими характеристиками: природная влажность 0,18-0,25, плотность с=1,99-2,10г/см³, коэффициент пористости е=0,50-0,67, угол внутреннего трения ц=31-36°, модуль деформации Е=28-45МПа.

По данным инженерно-геологического отчета ОАО «КазТИСИз» в ИГЭ 7а не выявлено наличие существенных прослоев и неоднородных включений. Однако, как видно из приведенной диаграммы, скачки сопротивления грунта под наконечником зонда q_с внутри одного слоя достигают 7-10 МПа, сопротивления на участке боковой повехности f_s - 80-120 кПа.

Представляется, что подобные скачки связаны не с изменчивостью свойств массива грунта, а с возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса.

На рис.9 приведена диаграмма полного сопротивления погружению зонда F=R+Q в рассматриваемой точке статического зондирования ТСЗ№1.

Пунктирной линией показано полное сопротивление по боковой поверхности.

где u - периметр зонда, f_si - сопротивление по муфте трения, h_i - мощность i-го слоя грунта.

Рис.9. Диаграмма полного сопротивления погружению зонда (F) и сопротивления по боковой поверхности (Q) в ТСЗ №1

Полученная диаграмма подтверждает дискретный механизм погружения зонда. На участках возрастания усилия погружения происходит накопление упругой энергии в системе до некоторого пикового значения F_max. Процесс погружения при этом характеризуется ростом нагрузки без существенного перемещения наконечника зонда по глубине, но с появлением продольного изгиба стержня зонда. Это связано, прежде всего, с малым по сравнению с длиной диаметром стрежня зонда и, как следствие, его высокой гибкостью. С ростом нагрузки система «зонд-грунт» переходит в состояние предельного равновесия и в определенный момент наконечник зонда резко перемещается со скоростью, значительно большей, чем заданная.

На приведенной диаграмме полного сопротивления погружению зонда в слой ИГЭ 7а, можно зафиксировать максимальные и минимальные значения сопротивления. При этом скачки сопротивления погружению обусловлены не изменчивостью свойств массива грунта ИГЭ 7а, а возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса.

Т.е. массив грунта ИГЭ 7а обладает для любой глубины H гарантированной пиковой статической прочностью F_st,max (кривая АВ, рис.10), минимальной статической прочностью F_st,min (кривая СD) и кинетической прочностью F_f (кривая KL). Интерпретация результатов зондирования при этом должна основываться на том, в каких условиях - статических или динамических - будет работать система «свая-грунт».

Рис.10. К интерпретации результатов статического зондирования



Если речь идет об обычной работе сваи под действием статической нагрузки, то в массиве грунта реализуется статическая прочность F_st,max и при определении несущей способности в расчете должны быть использованы пиковые параметры сопротивления погружению зонда.

В случае динамического режима работы сваи прочность массива грунта должна оцениваться кинетической прочностью F_f, соответствующей реализации трения скольжения.

На рассматриваемом объекте предполагается использование свай марки С90-30-8у, работающих в статическом режиме.

Согласно п.7.3.11 СП 50-102-2003 частное значение предельного сопротивления забивной сваи в точке зондирования F_u определяется в зависимости от значения q_с, которое принимается равным среднему сопротивлению грунта под конусом зонда на участке, расположенном в пределах одного диаметра выше и четырех диаметров ниже отметки острия сваи и в зависимости от f_s, - среднего значения предельного сопротивления на боковой поверхности.

В ТСЗ №1 для глубины 9м эти значения будут равны:

q_c=10,9МПа, f_s=33,8кПа

Тогда F_u=787кН.

Если же применять методику обработки результатов зондирования с помощью теории автоколебаний, то в данной точке пиковая статическая прочность грунта обусловлена значениями сопротивлений q_c=20МПа, f_s=45,3кПа.

Тогда предельное сопротивление сваи F_u=1029кН.

Аналогичные результаты были получены и в других точках статического зондирования. В результате было установлено, что значение предельного сопротивления забивной сваи, вычисленного с помощью метода автоколебаний, больше того же значения по СП 50-102-2003 в среднем на 24%.

В ноябре 2009г на площадке строительства ОАО «КазТИСИз» выполнило испытания 12 свай марки С90-30-8у статической вдавливающей нагрузкой. В результате для сваи №21, наиболее близко расположенной к точке статического зондирования №1, срыв произошел при нагрузке 1210кН.

Как видно, интерпретация результатов зондирования с помощью метода автоколебаний дает более близкие к реальным значениям результаты.

В данном случае, это позволяет получить весьма существенную экономию.

Для экспериментальной проверки дискретности процесса погружения зонда вследствие его изгиба в лабораторных условиях была сконструирована установка, состоящая из лотка цилиндрической формы, заполняемого грунтом, и нагружающего устройства для вдавливания зонда в грунт в статическом режиме.

Лоток изготовлен из металлической бочки 1 диаметром 0,7м и высотой 1м. Нагружающее устройство представляет собой жесткую раму, состоящую из направляющих вертикальных стоек 2 и опорных балок 3, 4. Зонд 5 погружается в грунт с помощью домкрата 6.

Вдавливающее усилие измерялось при помощи динамометра 7 ДОСМ-3-02.

Перемещение верхнего конца зонда фиксировалось с помощью прогибомера 6-ПАО с ценой деления 0,01мм.

Принципиальная схема установки показана на рис.11.



1 - лоток; 2 - направляющие стойки; 3, 4 - опорные балки; 5 - зонд;

6 - домкрат;7- динамометр ДОСМ-3-02; 8 - прогибомер 6-ПАО

Рис.11. Схема лотка для испытания грунтов

Испытания производились с помощью зондов разной длины, изготовленных из металлических стержней диаметром 5мм и конусообразного наконечника диаметром 7мм с углом вершины 60°.

В качестве основания в лотке был использован песок аллювиальный, средней крупности.

Укладка песка производилась с послойным (через 5см) уплотнением ручной трамбовкой. Плотность укладки каждого слоя проверялась в трех точках с помощью режущего цилиндра диаметром 60 мм и высотой 40мм.

Основная цель экспериментов - получение автоколебаний системы «зонд-грунт» с построением диаграмм сопротивления погружению.

Для этого в лотке были смоделированы грунтовые условия, благоприятствующие появлению продольного изгиба стержня зонда. Например, в одной серии в нижней части на высоту 60см укладывалось песчаное основание заданной плотности и влажности, выше - на высоту 40см - песчаное основание, отсыпанное либо без уплотнения, либо меньшей плотности.

На рис.12 приведена диаграмма сопротивления погружению, полученная при следующих условиях:

ИГЭ-1: плотность с=1,6 г/см³; влажность w=0,03;

ИГЭ-2: с=2,1 г/см³; w=0,11;

длина зонда - 700мм.



Рис.12. Диаграмма сопротивления погружению и характер изгиба зонда в экспериментальном лотке

Как видно, слой ИГЭ 1 зонд проходит с незначительным сопротивлением погружению около 100Н. Ось стержня при прохождении прямолинейна, скорость погружения постоянна. При вхождении в слой ИГЭ 2 сопротивление резко возрастает до 500Н. При прежней постоянной скорости нагружения процесс погружения зонда резко замедляется, сопровождаясь продольным изгибом стержня в слое ИГЭ 1.

Далее процесс погружения происходит дискретно, когда участки статического, медленного набора прочности сменяются участками мгновенной динамической разгрузки.

Таким образом, в экспериментальном лотке при статическом зондировании были зафиксированы скачки сопротивления погружению, не связанные с неоднородностью грунтового основания или с наличием каких-либо включений.



ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предлагаемый метод автоколебаний основан на определении параметров песчаного грунта, напрямую характеризующих его способность противостоять внешнему динамическому воздействию, т.к. они получены в результате возбуждения в процессе разрушения динамических процессов.

2. Дискретность процесса деформирования при сдвиге и зондировании обусловлена самопроизвольным периодическим изменением скорости деформирования в результате возникновения фрикционных автоколебаний.

3. Автоколебания возникают вследствие того, что грунт накапливает потенциальную энергию формоизменения лишь до определенного предела, определяемого плотностью его сложения, а затем происходит разрушение строения грунта, мгновенная релаксация сопротивления сдвигу и пластическая деформация проскальзывания. После этого под влиянием внешней нагрузки грунт постепенно вновь накапливает энергию, а затем разгружается. Таким образом, грунт сам по себе даже под влиянием только собственного веса является не статической, а динамической системой.

4. При автоколебательном разрушении сопротивление грунта сдвигу можно представить в виде суммы кинетического сопротивления трению скольжения и сопротивления страгивания, которые могут быть определены по формулам , . Входящие в эти формулы такие параметры, как угол трения скольжения ц_f,угол зацепления ц_с, и связность У_w четко характеризуют кинетику процесса разрушения грунта в запредельной стадии деформирования и могут рассматриваться как истинные параметры динамической прочности грунта.

5. Остаточная прочность грунта характеризуется плотностью некоторого объема грунта в зоне среза, при этом кинетическая остаточная прочность (сопротивление трению скольжения) определяется шероховатостью поверхности частиц, а сопротивление страгиванию линейно зависит от эффективного диаметра частиц D₁₀.

6. При статическом зондировании грунтовых оснований в определенных условиях процесс погружения зонда в грунт имеет дискретный характер, что связано с возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса. Накопление упругой энергии в системе «зонд-грунт» происходит вследствие изгиба стержня зонда, который необходимо рассматривать как задачу возможной потери устойчивости стержня в воздушной среде с ограниченной величиной максимального изгиба

7. Фиксация параметров автоколебаний при проведении статического зондирования представляется перспективным с точки зрения определения статических и динамических характеристик прочности грунтовых оснований.



ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК России

1. Драновский А. Н. Автоколебания напряженно-деформированного состояния грунтовых анкеров / А.Н. Драновский, А.И. Латыпов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2008. - № 2 (10). - С. 64-68.

2. Драновский А. Н. К интерпретации результатов статического зондирования грунтовых оснований / А.Н. Драновский, А.И. Латыпов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2010. - № 1 (13). - С. 162-169.

3. Драновский А.Н. Исследование динамической прочности песчаного грунта методом автоколебаний / А.Н. Драновский, А.И. Латыпов // Инженерная геология.-2011. - №1.

Работы, опубликованные в других изданиях

1. Латыпов А. И. Методика статистической обработки результатов испытаний на прямой срез / А.И. Латыпов, М.С. Савкин // Материалы 52-й республ. науч. конф. - Казань, 2000. - С. 107-112.

2. Савкин М. С. Статическая и кинетическая остаточная прочность при автоколебательном разрушении грунтов / М.С. Савкин, А.И. Латыпов // Материалы 52-й республиканской науч. конф. - Казань, 2000. - С. 112-116.

3. Савкин М. С. Определение статических и кинетических характеристик сопротивления грунтов разрушению / М.С. Савкин, А.И. Латыпов // Механiка грунтiв та фундаментобудувания: мiжвiдомчий науково-технiчний збiрник 4-та украiнська науково-технiчна конференцiя - Кипв: НДIБК, 2000. - Вып. 53, кн. 1. - С. 215-220.

4. Латыпов А. И. О прочностных свойствах песчаных грунтов при автоколебательном разрушении / А.И. Латыпов, М.С. Савкин // Современные проблемы фундаментостроения: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Волгоград: ВолГАСА, 2001. - Ч. 3/4. - С. 55-57.

5. Драновский А.Н. К интерпретации результатов испытаний грунтовых анкеров противооползневых конструкций / А.Н. Драновский, А.И. Латыпов // Материалы всероссийской научно-практической конференции: Современные научно-технические проблемы транспортного строительства - Казань, 2007.- С.138-141.

6. Латыпов А. И. К интерпретации результатов статического зондирования грунтовых оснований / А.И. Латыпов // Геология в развивающемся мире: материалы I Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Перм. гос. ун-т. - Пермь, 2010. - Т. 2. - С. 16-19.

Размещено на Allbest.ru