Несущая способность и осадка оснований фундаментов с учетом длительного и нелинейного деформирования грунтов

В настоящее время при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений возникает необходимость учета влияния длительности действия нагрузок на грунты основания при количественной оценке несущей способности и прогнозе осадок. Существующие аналитические методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов дают значительные расхождения между фактическими и расчетными величинами и требуют дальнейшего развития с более точным учетом расчетной схемы, прочностных и деформационных параметров грунтов, изменения реологических свойств и напряженно-деформированного состояния во время длительной эксплуатации зданий и сооружений. Развитие и уточнение методов расчета несущей способности и осадок особенно актуально для оснований, сложенных глинистыми грунтами, длякоторых учет фактора времени играет существенную роль.

В глинистых грунтах напряженно-деформированное состояние меняется со временем, при этом деформации и прочность изменяются в зависимости от траектории нагружения, начальной плотности и влажности, соотношения девиаторной и шаровой частей тензора напряжений, что связано с эффектом стесненной дилатансии.

В грунтах под подошвой фундаментов возникает пространственное напряженное состояние, которое в каждой точке характеризуется компонентами тензора девиатора и шарового тензора, соотношение между которыми различно при переходе от точки к точке основания. В связи с вышеизложенным возникает необходимость усовершенствования методики расчета несущей способности и осадок оснований с учетом изменения прочностных и деформационных свойств грунтов в условиях трехосного сжатия при длительном действии нагрузок.

Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является развитие теории длительной прочности и деформирования глинистых грунтов при трехосном статическом нагружении и разработка усовершенствованных методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтов.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являются: выполнить анализ существующих методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном нагружении, имеющихся результатов экспериментальных исследований, расчетных моделей длительной прочности и деформируемости глинистых грунтов при статическом нагружениипровести экспериментальные исследования длительной прочности и деформируемости глинистых грунтов в условиях трехосного сжатия по траектории девиаторного нагружения, а также лабораторные и натурные исследования осадок оснований фундаментовразработать расчетную модель длительного нелинейного деформирования глинистых грунтов при трехосном сжатииразработать методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтовпровести оценку точности и достоверности предлагаемых методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном статическом нагружении.

Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы.

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, приводится краткий обзор содержания диссертации.

В первой главе выполнен аналитический обзор ранее проведенных исследований, в которых установлены основные закономерности достижения предельного состояния и развития осадок оснований фундаментов, разрушения и деформирования глинистых грунтов в том числе с учетом фактора времени, пространственного напряженного состояния и режимов нагружения.

Во второй главе приводится программа и методика экспериментальных исследований, описываются характеристики опытных образцов и режимы нагружения образцов.

В третьей главе описываются результаты экспериментальных исследований прочности, деформируемости, характера разрушения глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении.

Четвертая глава посвящена анализу напряженно-деформируемого сжатия глинистых грунтов при статическом длительном трехосном сжатии, а также разработке* расчетной модели длительного нелинейного деформирования глинистого грунта при трехосном длительном статическом нагружении.

В пятой главе приведены методы расчета несущей способности и осадки оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном нагружении и проверка сходимости результатов расчета по предлагаемым методам и экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана расчетная модель длительного нелинейного деформирования глинистого грунта при трехосном статическом нагружении;

2. Получены аналитические зависимости для описания процесса изменения прочности и деформаций глинистого грунта при длительном трехосном статическом нагружении;

3. Разработан усовершенствованный метод расчета осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании грунтов;

4. Разработан метод расчета несущей способности оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании грунтов;

5. Получены новые экспериментальные данные о характере разрушения, прочности и деформациях глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении, развитии длительных осадок оснований фундаментов реального объекта и двух моделей фундамента в лабораторных условиях.

Практическое значение работы заключается в том, что в результате выполненных исследований разработаны усовершенствованные методы расчета осадок и несущей! способности оснований фундаментов при длительном неупругом деформировании глинистых грунтов, полученные на основе предложенной расчетной модели длительного нелинейного деформирования грунта при трехосном статическом нагружении, позволяющие повысить надежность, а в ряде случаев — расчетную несущую способность, и за счет этого получить более экономичные проектные решения оснований и фундаментов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены применением известных законов механики твердого деформируемого тела, механики грунтов, выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и поверенных контрольно-измерительных приборов и оборудования, обеспечивающих достаточную точность измерений при испытаниях, а также достаточной для практических расчетов сходимостью результатов экспериментальных исследований и расчетов по предложенным методам.

На защиту выносятся:

— результаты экспериментальных исследований прочности и деформируемости глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении, развития осадок и изменения несущей способности оснований фундаментов при длительном статическом нагружении;

— аналитические зависимости для описания процесса изменения прочности и деформаций глинистого грунта при трехосном длительном статическом нагружении;

— расчетная модель длительного нелинейного деформирования глинистого грунта при трехосном статическом нагружении;

— усовершенствованный метод расчета осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтов;

— метод расчета несущей способности оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании глинистых грунтов.

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных статьях (в том числе в 7 публикациях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ).

Личный вклад автора в решение проблемы.

Автором проведены все экспериментальные исследования, выполнен анализ результатов полученных данных и выявлены основные закономерности изменения прочности и деформаций глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии, разработана расчетная модель длительного нелинейного деформирования глинистых грунтов при трехосном статическом нагружении, разработаны практические методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов при длительном нелинейном деформировании грунтов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на ежегодных Республиканских конференциях (Казань 2009 — 2011), V и VI Общероссийских конференциях изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва 2009, 2010), Конференции по геотехнике, «Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения» (Санкт-Петербург 2010), Международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы мегаполисов» ГЕОМОС 2010 (Москва 2010), XV академических чтениях РААСНмеждународной научно-технической конференции. (Казань 2010), Тринадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов^ и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» (Москва 2010), Юбилейной конференции, посвященной 80-летию кафедры-механики грунтовоснований', и фундаментов, 110-летию со дня рождения H.A. Цытовича, 100-летию со дня рождения С. С. Вялова (Москва 2010), V-x Денисовских чтениях (Москва 2010), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные вопросы геотехники при решении сложных1 задач нового строительства и реконструкции», посвященной 100-летию со дня рождения Б. И. Далматова (Санкт-Петербург 2010), Герсевановских чтениях (Москва 2011), 7-ой Всеукраинской научно-технической конференции «Механика грунтов, геотехника и фундаментостроение» (Одесса 2011), Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь. 2011), Международной научной конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ' «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва 2011).

Объем работы.

Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включающего 102 рисунка и фотографии, 2 таблицы, список литературы из 127 наименований.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Основания, фундаменты, динамика сооружений и инженерная геология» Казанского государственного архитектурно-строительного университета в 2008 — 2011гг. под руководством советника РААСН, доктора технических наук, профессора Мирсаяпова И. Т., которому считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за постоянное внимание и помощь в работе.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ И РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Особенности структуры и физические свойства глинистых грунтов.

Глинистые грунты, представляют трехфазную пористую систему, все фазы которой находятся в определенных взаимоотношениях.

Глинистые минералы обуславливают физико-химические свойства глинистых грунтов и подразделяются на минералы с жесткой кристаллической решеткой, раздвижной и ее промежуточным типом. К основным глинистым минералам с жесткой кристаллической решеткой относятся минералы группы каолинита, с раздвижной — монтмориллонита, а к промежуточному типу — гидрослюды.

Вода в глинистых грунтах, в зависимости от степени их увлажненности, по А. Ф. Лебедеву [35], может находиться в виде водяного пара, гигроскопической, пленочной, гравитационной и химически связанной воды, а также в твердом состоянии (лед).

Размеры твердых минеральных частиц глинистых грунтов изменяются в широких пределах. Наряду с крупными (пылевидными, песчаными и более крупными) существуют мельчайшие глинистые частицы, размеры которых измеряются тысячными долями миллиметра. Частицы грунта, размеры которых по шкале Стокса составляют менее 0,002 мм, называются глинистыми. Частицы размером менее 0,0001 мм называются коллоидами.

На свойства глинистого грунта наиболее сильное влияние оказывают глинистые фракции (в особенности коллоидные), которые отличаются от более крупных размером, минеральным составом, формой и свойствами. В формировании свойств существенную роль играют весьма малые размеры глинистых частиц и из-за этого большая их удельная поверхность и большие значения сил молекулярного притяжения между частицами.

Особенностью глинистых грунтов является их способность оказывать сопротивление растягивающим усилиям, обусловленная наличием структурных связей (сцеплением) между частицами. Прочность связей между частицами глинистого (связного) грунта по сравнению с прочностью минеральных частиц очень мала, следовательно, основным фактором, обуславливающим прочность грунта, является прочность его структурных связей. Изучение структурных связей важно для изучения природы прочности и деформируемости глинистых грунтов. К. Терцаги [124] считал цементом всех глинистых грунтов коллоидные компоненты, от состояния которых зависят физические I свойства глин.

Прочность структурных связей глинистого грунта изменяется под действием естественных факторов и инженерной деятельности человека. В каж-< дом конкретном случае прочность глинистого грунта обусловлена состоянием плотности, влажности и структурной прочности грунта в данный момент времени. Доказательством влияния инженерной деятельности человека на величину прочности структурных связей глинистых грунтов может служить изменение прочности в результате нарушения естественного сложения при всех остальных равных значениях влажности и плотности.

После нарушения естественного сложения грунта начальное сцепление (прочность структурных связей) восстанавливается не полностью.

В результате физико-химических и других процессов сцепление глинистых частиц постепенно возрастает. Дополнительное упрочнение связей между глинистыми частицами во времени при отсутствии уплотнения Н. Я. Денисов [35] назвал сцеплением упрочнения. Оно проявляется в тех случаях, когда кроме сил вторичной валентности (межмолекулярных), катионно-анионных и водородных связей оказывают влияние также силы первичной валентности (химические связи), проявляющиеся при небольших расстояниях между атомами. В возникновении сцепления упрочнения большую роль играют физико-химические процессы на границе раздела твердой и жидкой фаз. Особое значение имеют адсорбированные на поверхности грубодис-персных зерен коллоидные оболочки (пленки), которые в течение времени застудневают и прочно склеивают более крупные частицы грунта [35].

Структуру глинистого грунта изучали В. М. Гольдшмидт, В.Д. Ломтад-зе, А. Н. Заварицкий, М. М. Филатов, В. А. Приклонский, Е. М. Сергеев, С. А. Захаров, Р. В. Максимяк.

На важность влияния структурной прочности на прочностные и деформационные свойства глинистых грунтов указывали Г. И. Тер-Степанян [98], С. А. Роза [80], Н. Я. Денисов [35], В. А. Приклонский [78], В. Д. Ломтадзе [35], И. М. Горькова [26], М. Н. Гольдштейн [25], H.A. Цытович [106], С. Р. Месчян [70, 72].

Прочность связных грунтов определяется величинами межчастичных связей, нарушение которых может происходить при деформировании грунта в результате его сжатия, отрыва или сдвига.

1.2. Прочность и деформируемость глинистых грунтов при длительных статических нагружениях.

Глинистые грунты обладают явно выраженными реологическими свойствами, которые проявляются в виде ползучести, релаксации напряжений и снижения прочности при длительном действии нагрузок.

Впервые ползучесть глинистых грунтов исследована К. Терцаги [124] в 1925 г., а первые исследования длительных деформаций сдвига пылевато-глинистых грунтов выполнены в 1932;1933 гг. H.H. Масловым [62, 64]. Значительный вклад в теорию ползучести и длительной прочности внесли отечественные и зарубежные ученые: Н. П. Анахов [3], С. С. Бабицкая [20], С. С. Вялов [14, 15, 16], М. Н. Гольдштейн [24, 25], С. Э. Городецкий [20], С.Е. Гре-чищев [30], Р: Э. Дашко [57], Н. Я. Денисов [35], В. В. Жихович [40], Ю.К. За-рецкий [42−44], Я. Л. Коган [99], Г. М. Ломизе [20], Р. В. Максимяк [58],.

С.Р. Месчян [65, 72], H.H. Маслов [62, 64], В. А. Мизюмский [99], С.Е. Моги-левская [74], Н. К. Пекарская [17], С. Н. Сотников [100], A.C. Строганов [84, 88], Г. В. Сорокина [99], З.Г. Тер-Мартиросян [92, 95, 97], Г. И. Тер-Степанян [98], А. Я. Туровская [99], В. А. Флорин [105], H.A. Цытович [106], Г. М. Ша-хунянц [99] и др., а также: А. Бишоп [112], Л. Бьеррум [113], Е. Гезе [114], Р. Гиббсон [90], К. Давенпорт [90], А. Казагранде [90], С. Мурояма [75], И. Саито [82], Н. Симоне [123], А. Скемптон [123], Тан Тьонг-Ки [114], К. Терцаги [124], Г. Тидеман [125], Д. Троллоп [126], X. Уезава [82], С. Уил-сон [127], Д. Хенкель [115], А. Хейм [127], Р. Хефели [120], Н. Чен [118], Т. Шибота [75], Л. Шукле [108] и др.

Результаты многочисленных экспериментальных исследований глинистых грунтов при длительном нагружении [17, 20, 26, 30, 46, 65, 66, 69, 70, 72, 75, 95 99] показали, что для таких грунтов характерны классические диаграммы развития деформаций ползучести, имеющие затухающий характер при малых напряжениях и незатухающий при больших значениях напряжений (рис. 1.2−1.4).

В начальных этапах при исследовании реологических свойств глинистых грунтов отдельно изучали деформации ползучести при уплотнении и деформации ползучести при сдвиге. к в А—? й У с —- 1 — Г 1 1 1 1 1 р < / / і > | 1 II І НІ і 1 1 І 1 1 1 ->

Рис. 1.3. Кривая незатухающей ползучести (схема).

Деформации ползучести при одномерном уплотнении использовали при решении задач прогнозирования осадок оснований зданий и сооружений, а деформации ползучести при сдвиге — в задачах по прогнозированию длительной устойчивости грунтовых массивов и их перемещений.

С.С. Вялов [20], А. Л. Гольдин [21], Ю. К. Зарецкий [48], С. Р. Месчян [72], Г. В. Сорокина [99] отмечают, что такое разделение не всегда оправдано. Это связано с тем, что в общем случае под подошвой фундаментов возникает пространственное напряженное состояние, которое в каждой точке характеризуется компонентами тензора девиатора StJ и шарового тензора <УЦ, соотношение между которыми различно при переходе от точки к точке основания, а в условиях сложного напряженного состояния деформации, изменения объема и деформации изменения формы глинистых грунтов вызваны как всесторонним обжатием, так и девиаторным нагружением.

В связи с этим в начале шестидесятых годов прошлого столетия начались исследования реологических свойств глинистых грунтов в условиях сложного напряженного состояния, при которых деформации подразделялись на деформации изменения объема и деформации изменения формы. Исследованиями С. С. Вялова [20], Ю. К. Зарецкого [48], Г. В. Сорокиной [99] установлено, что в этом случае стадии деформирования и деформации ползучести существенно зависят от соотношения тензора девиатора Sy и шарового тензора сги.

Диаграмма длительного деформирования грунтов, а также условное деление деформаций ползучести на различные стадии тесно связаны с изменением прочности при длительном нагружении. Экспериментальные исследования Н. П. Анахова [30], К. Терцаги [124], X. Тидамана [125] показали, что развитие ползучести сопровождается изменением прочности грунтов во времени.

Исследованиями С. С. Вялова [20], М. Н. Гольдштейна и сотрудников [24], Ю. К. Зарецкого [48], A.M. Скибицкого [14, 83], С. Е. Могилевской [74], Н. К. Пекарской [45], Е. И. Кабахидзе и соавторов [51], Г. В. Сорокиной [99], С. Р. Месчяна [66], а также Д. Митчела [121], И. Саито и др. [82], Л. Бьеррума и др. [113], А. Бишопа и Д. Хенкеля [112], Д. Троллопа и К. Чена [126] и многих других установлено снижение прочности глин ненарушенной и нарушенной структуры от твердой до текучей консистенции, которая изменялась во времени от условно-мгновенного максимального значения (г0) до предельно-длительного минимального (тт) (рис. 1.5, 1.6).

Рис. 1.5. Кривая длительной прочности (схема) схема).

Результаты экспериментальных исследований С. С. Вялова [20], Г. В. Сорокиной [99], J1. Шукле [108] показывают, что прочность грунта во времени снижается в основном за счет уменьшения сил сцепления, тогда как угол внутреннего трения меняется незначительно. Эффект снижения прочности грунтов при длительном нагружении в проявлении ползучести был подтвержден также натурными исследованиями А. Скемптона [123], Д. Хенкеля [115], Л. Шукле [108].

С.С. Вялов и Н. К. Пекарская [16] проводили экспериментальные исследования на чистый сдвиг искусственных образцов юрской глины батбайо-ского горизонта. Грунты обладают высокой дисперсностью и пластичностью, содержание фракций крупностью 0,005 мм составляет 56%, влажность fV = 32% при WL = 48% и WP = 26%. Условно мгновенная прочность тs при быстром (0,5−1 мин) загружении составляет 0,167−10″ кПа. При напряжениях г < 0,575 ts деформации грунта были затухающими, а при т > 0,575 ts развиваются незатухающие деформации ползучести с последующим разрушением образца грунта. При этом необходимо отметить, что переход от затухающей к незатухающей ползучести был вызван увеличением напряжений всего на Аг = 0,015 rs.

С. Мурояма и Т. Шибота [75] проводили испытания образцов ненарушенной структуры. Аллювиальная пластичная глина (г. Осака) имела следующие характеристики: влажность W = 65% при W, = 63 — 83%, степень во-донасыщения Sr = 1. По результатам испытаний образцов глины на сжатие под постоянными напряжениями, равными 0,63 0,9 • ts (г^ = 0,9 • 102 7<77<я), можно отчетливо выделить три стадии деформирования при незатухающей ползучести.

O.F. Диасамидзе [62] проводил на срезном приборе экспериментальные исследования на сдвиг. К образцам глинистого грунта прикладывалась нагрузка 0,4 4- 0,55 г5. При величине сдвигающей нагрузки т — 0,4 ts деформации носили затухающий характер, а при г > 0,4 ts развилось пластично-вязкое течение, прогрессирующая стадия которого привела к разрушению образца.

При исследовании лессового грунта ненарушенного сложения на срезном приборе под водой при < 0,73 ts деформации затухали, а при т > 0,73 rs развиваются незатухающие деформации ползучести. Условно-мгновенная прочность грунта ts при этом составила 0,75 ЛО2 кПа. Следует отметить, что испытываемый образец грунта после полного водонасыщения подвергался воздействию уплотняющей нагрузки сг, = 100кПа. В естественном состоянии лесс имел влажность W = 9,3% при WL =31,2% и WP =20,8%.

В.Г. Сорокина и A.C. Строганов. [99] проводили испытания на трехосное сжатие илистого грунта нарушенной структуры. Исследуемый ил в естественном состоянии содержал до 9% гумуса, при WL =120% и WP =51%. Предварительно уплотненный грунт в, процессе испытаний подвергался различным значениям напряжений г, (величина Tt принималась как доля от условно-мгновенной прочности г — ts =, 6Л02кПа). Значение среднего нормального напряжения в течение всего времени проведения эксперимента оставалось постоянным <тт = 1,0−102к/7л. В зависимости от величины соотношения значений девиатора напряжений и всестороннего давления деформации имели как затухающий, так и незатухающий характер, прогрессирующая стадия последнего привела к разрушению образца.

В ряде случаев прогрессирующее течение, сопровождающееся возрастанием скорости деформаций, является следствием возникновения незатухающей ползучести.

Е. Гезе и Тан Тьонг-Ки [114] проводили экспериментальные исследования на скручивание полых цилиндрических образцов иллитовой глины. Грунты имели пластичную консистенцию, содержание фракций крупностью менее 0,002 мм составляет 50%, влажность W = 47,5% при WL =93,5% и.

Wp = 27,4%. Течение с постоянной скоростью устанавливалось через небольшой промежуток времени (не более 10 часов). Сдвигающая нагрузка составляла от 0,2 т5 до 0,8 гл. Величина т5 определена как кратковременная (10 минут) разрушающая прочность.

С.Р. Месчян [64] проводил серию опытов на приборе кольцевого сдвига. Исследуемый суглинок имел следующие характеристики: влажность IV = 26,5% при =31,3% и РГр =18,6%. Образец грунта подвергался воздействию крутящего момента и осевого давления, величина которого составляла сг = 2,0−102к/Та. Сдвигающая нагрузка составляла от 0,8 тст до 0,9 тст (величина тст является стандартной прочностью, определяемой согласно методике медленного среза [27], полученное значение составляет 80% от условно-мгновенной прочности). Согласно результатам-проведенных испытаний было установлено, что деформации ползучести имели затухающий характер или протекали с установившейся скоростью (стадия установившегося1 течения).

Снижение прочности грунтов, изменяющейся во времени от условно-мгновенного максимального значения г0 до предельно-длительного минимального было установлено С. С. Вяловым [20], Д. М: Ахпателовым [4, 99], С. Р. Месчяном [66], М. Н. Гольдштейном с коллективом сотрудников [23, 24], Д. Митчелом [121], Л. Бьерумом [113], А. Бишопом и Д. Хенкелем [112] и, другими.

1.3. Анализ существующих методов расчета деформации глинистых грунтов при длительных статических нагружениях.

Инженерные методы расчета деформации глинистых грунтов, обладающих реологическими свойствами, с учетом фактора времени, включают в себя расчет на ползучесть, который в общем виде сводится к определению нагрузки, при которой деформации ползучести и/или их скорости в данный момент времени не превышали бы допустимого значения. Если величина напряжений в грунте будет меньше критического значения (предельно-длительного) деформации будут стабилизироваться и ползучесть приобретет затухающий характер, а при больших значениях т деформации ползучести будут прогрессировать (приростать).

Вопросами разработки методов расчета длительной деформации грунтов занимались В. А. Флорин [105], С. С. Вялов [20], М. Н. Гольдштейн [24], A.M. Скибицкий [99], С. Р. Месчян [72], Ю. К. Зарецкий [43], Л. Н. Рассказов [22], З.Г. Тер-Мартиросян [97] и др.

С.С. Вяловым, A.M. Скибицким [99] предложено выполнять расчеты деформаций на основе теории пластичности с добавлением условия, учитыj вающего изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива во времени, т. е. связать интенсивность напряжений, интенсивность деформаций и их скорости, при этом значения предполагалось определять по результатам испытаний на трехосное сжатие r (t) = + cp{T) K (t)dt = Г0+ Т&J K (t)dt, (l.l).

Ц) о о.

Для затухающей ползучести K (t) принимается различными авторами (В.А. Флорин [105], С. С. Вялов [99], A.M. Скибицкий [99], М. Н. Гольдштейн [24]) в виде гиперболической или экспоненциальной функции или комбинированно. Учет изменения уплотняемости грунтов в процессе деформирования, ползучести скелета грунта и фильтрации был предложен С. Р. Месчяном [71].

Учитывая, что скорость течения сдвига для связных грунтов зависит от нормального напряжения, и приняв за основу закон Кулона, С. Р. Месчян [67,.

71] предложил определять деформацию ползучести грунта при сдвиге у (t) п по выражениям: уравнение нелинейной сдвиговой ползучести.

— G){t)'F.

1.2).

Gz ' tg.

Г, (t, т, <т z) = (Dit, О" ,) • /(г,.

В.В. Жихович [40] предложена методика определения скорости и деформации ползучести в, глинистого грунта на любой момент времени.

Yj’tj = урш tр, (1−4).

• • где ут и у р — скорости деформации;

S s tT и tp — время наступления этих деформацийdt.

1.5).

Основываясь на теории наследственной ползучести, применяя нелиг нейное уравнение <�р (/(г)] =) +1 К{{ — у) • т{у)с1у, связывающее деформацию у с напряжением т в любой момент времени t — функцию q>{y) =.

GrX.

О b.i.

Ts+G0r у и ядро ползучести K (t — v) = —-^?2″, A.A. Бартоломей, Г. Б. Кузнецов и.

Б.С. Юшков [5] предложили дробно-линейное ядро ползучести представить в виде r (t)=Tsi xGo’Vs.

1 + Г (^-1). г r t-t{ л iT+t^T+tl l + T (o-l)f t-t то (0(y т+ф+ty г0(/,).

— 1 ' где r0(tx)=T{o-)-a.

Г,.

T + tx In.

КТ T.

1.6).

G0 — начальный модуль сдвигаts — предел текучести, определяемый по результатам кратковременных испытаний;

8 и Т — эмпирические константы, получаемые из опытов на ползучесть.

Простейший вид ядра ползучести, экспериментально установленный для дисперсных глинистых грунтов при компрессии, имеет вид [106].

1.7) и при сдвиге xjrxx{t-t0 (1.8) где д, дх, х, Х — параметры ползучести, определяемые опытным путем. Меру ползучести грунта, не обладающего предельным напряжением сдвига, С. Р. Месчян [68] описал соотношением o) t — т, crс (г)1 = —г——г-гп,.

Щ~Г, С7ср{т) в знаменателе записана функция, выражающая закон изменения коэффициента вязкости от состояния грунта.

Для случая нелинейной ползучести и переменной во времени нагрузки деформации грунта предложено определять из выражения.

Г, Сер М] = Ы'~ г, о-ср (т)] • F[q, (т), стср{т)]rfr, (1.17) т где Q[t-T, CT (т)]=-г—-рп.

Для случая неярко выраженных деформаций течения при возможности пренебрежения старением и изменением состояния материала процесс ползучести сдвига можно описать по теории упруго-ползучего тела (1.18), старения (1.19) и упрочнения (1.20) r, n (t) = 5Ffa,)ei (t-T)dT, (1.18) т.

7n (t) = Atmq[ (1.19) т.

1.20).

Ю.К. Зарецким [43] было предложено описывать процесс развития во времени вязко-пластических деформаций грунта, основываясь на том, что скорость деформаций пропорциональна разности между приложенным сдвиговым напряжением и напряжением, которое соответствует той же деформации в стабилизированном состоянии.

•Г^Ь^ИЙС 0−21) где 77 — коэффициент вязкости, определяемый по результатам эксперимента.

Уравнение для вязко-пластических деформаций грунта в допредельном состоянии для глинистых грунтов с числом пластичности 1р > 0,2 предложено в виде г = (1.22) где таа=Са} + <уп • tgф<Xl (С* — предельно длительное сцепление- (рга — предельно длительный угол внутреннего трения) — ф{уУр} = ^у*+в уур (У* ~ величина разрушающей деформации.

Для грунтов с числом пластичности 0,09 <1р <0,2, обладающих значительным внутренним трением и проявляющих свойство дилатансии при сдвиге), справедливо выражение.

Т = [аг т, >00 +. (1 — ау) • т, ] ¦ ф{уУр), (1.23) где — функция, зависящая от накопленных значений вязкопластических деформаций сдвига.

Данные различия, по мнению Ю. К. Зарецкого, объясняются различием в характере контактных связей, т. е. наличием невосстанавливающихся хрупких цементационных связей в грунте.

В статье [94] З.Г. Тер-Мартиросян и H.A. Цытович отмечают, что протекание осадок уплотнения глинистых грунтов во времени существенно зависит от деформаций ползучести скелета грунта, обусловленных пластическими изменениями структуры грунта и сдвигами пленок прочносвязанных водно-коллоидных оболочек частиц, и предлагают для одномерной задачи уравнение состояния скелета грунта д s{t) = б{тх) — ait)-o (tx, t)+сг (т)—а (ц, т) с1т, (1.24) где cc{t, т) — амг + авт[l — ] — изменение пористости к моменту времени tаиг — изменяющийся во времени коэффициент пористости грунтаавт ИТ] — параметры ползучести скелета грунта, при этом ант рассматривается как коэффициент вторичного уплотнения.

М.Н. Гольдштейн [24] предложил учитывать переориентацию частиц при длительном действии нагрузки и представить скорость деформации через время после начала ползучести.

00 vt=p-N-{aa, t)'f{cTaydcTa, (1.25) о где N{p-a, t) — число частиц с напряжением активации в интервале от оа до <�та+derа через время t после начала ползучестисга) — вероятность того, что за время df произойдет перемещение частицы с напряжением активации.

Под напряжением активации понимается напряжение, необходимое для поворота и смещения частицы относительно соседних.

В статье [19] С. С. Вялов и Хамед Аамер Шейб, основываясь на результатах испытаний глинистых грунтов на установке трехосного сжатия стаби-лометрического типа, предложили уравнения для затухающей ползучести =?(<�гя>т"0, (1.26).

Г, =.

A*'[l + *jHl V и для установившегося течения.

-(l + lni), (1.27).

-,/ Lt, при 0.

Sil где, А — параметр условно-мгновенного деформирования при чистом сдвиге;

Н = const-,.

7] - коэффициент вязкостиг, — величина сдвиговых напряженийer т — среднее нормальное напряжениеот ту — длительная прочность при чистом сдвиге.

1.4. Анализ существующих методов расчета прочности глинистых грунтов при длительных статических нагружениях.

В существующей литературе различают следующие значения прочности: условно-мгновенная, длительная прочности и предел длительной прочности. Первая показывает предельное значение прочности, которое характеризует сопротивление материала быстрому разрушению, вторая определяется напряжением, вызывающим разрушение материала за заданный промежуток времени, предел длительной прочности показывает напряжение, являющееся границей между затухающей и незатухающей ползучестью.

Расчет на длительную прочность грунтов (по предельному напряженному состоянию) заключается в определении предельной (разрушающей нагрузки), при которой напряжения в данный момент не превосходят длительной прочности грунта, и производится с учетом ползучести, т. е. по условию предельного состояния, но с учетом фактора времени, т. е. с учетом переменности во времени параметров ср и с.

1.29).

При этом при расчете на предельно-длительную прочность возможность появления незатухающей ползучести исключается [106].

Ю.К. Зарецкий [43] описал вязкое течение грунтовой среды уравнением т = {cl+crn.tg (pa)+71^fp, (1.30) и предложил уравнение стабилизированного состояния для глинистых грунтов с числом пластичности «/' < 0,2 = к • + (!-<*/)• <�ф{гур (1.31) где (Ху — функция, зависящая от накопленных значений вязко-пластических деформаций сдвига, т*оа=а/- + (1 — а у) — т*г — предельно-длительная прочность.

Критерием длительной прочности принимается т* = т*^.

Математическое ожидание числа дефектов структуры глинистого грунта.

М (М) = М0 ехрЦ [т — < ¦ ф{г)]• ^ -, (1.32) где т^ = а у ¦ т*/гл + (1 — а^)'Т*г — предельно-длительная прочностьЫ{) — начальное число дефектов структуры грунтацг — функция, характеризующая неоднородность стохастического процесса образования дефектов структуры.

1 —.

В работе [42] Ю. К. Зарецким рассмотрено разрушение геоматериалов при реализации механизма среза, сопровождающегося развитием пластических деформаций сдвига, и механизма отрыва, наступающим при достижении упругой деформацией предельной величины и предложено объединенное условие прочности сг' = С' - к' • <т, (1.33) где ст. — предельное значение интенсивности напряжений сдвига (второй вариант девиатора напряжений) — т — среднее гидростатическое давление (первый инвариант тензора напряжений);

С* и к* - сцепление и тангенс угла внутреннего трения на октаэдриче-ской площадке сдвига (с0Кт, к*0кт).

Реологическое уравнение. состояния, отображающее связь между ин-тенсивностями напряжений сг, и деформаций б1, средним давлением сгт и временем^, предложено С. С. Вяловым [15] 9х (е,) • (0 + <Р2 (в,)¦ Ф (<�г)• Рг (0. (1−34).

1−35) где первое слагаемое отображает сопротивление чистому сдвигу, а второе — влияние во времени среднего давления, повышающего сопротивление сдвигу, = А0 • (?) и В{{) = В0-К (/) — переменные во времени параметры, вид которых устанавливается из опытов, а А0 и В0 их значения при t = 0. При этом указывается, что в процессе ползучести предельное сопротивление сдвигу тх и угол трения у/5 будут уменьшаться.

С.С. Вяловым, Н. К. Пекарской и Р. В. Максимяк [17] предложен механизм разрушения глинистых грунтов и выражения, описывающие снижение прочности во времени, обусловленное развитием трещин. Для постоянных значений касательных напряжений и неизменных свойств грунта.

1.36).

V «V.

I /{т)ж = | л{™)с1м> = с,.

1.37) о где, а (-и>) — параметр, зависящий от структуры грунтаи \>пр — плотность трещин в начальный момент времени и в момент разрушения tpс — постоянная величина, константа грунта, определяющая условия его длительного разрушения.

1.5. Анализ существующих методов расчета несущей способности ос.

Под несущей способностью грунта основания понимают такую нагрузку, при которой основание теряет свою устойчивость. В основу методик расчета несущей способности заложена теория предельного равновесия сыпучих сред, основа которой была заложена в трудах Ш. Кулона (1773) и В. Ренкина (1859). В дальнейшем на теорию оказали влияние работы Л. Прандтля, Ф. Кеттера, Г. Рейснера и др.

Существенный вклад в развитие теории предельного равновесия внесли В. В. Соколовский [87] и С. С. Глушкевич [87], которые рассмотрели плоскую задачу теории предельного равновесия сыпучей среды и сформулировали замкнутую систему из трех уравнений относительно напряжений. Практические рекомендации по решению данных задач дал В. А. Флорин [105]. Применительно к теории осесимметричной задачи теорию предельного равновесия сыпучей среды рассмотрел В. Г. Березанцев [6], для чего им было введено предположение о равенстве двух главных напряжений между собой в предельно напряженной сыпучей среде. Смешанную упругопластическую заданований глинистых грунтов при статических нагружениях чу решал A.K. Бугров [12]. Следует отметить работы М. В. Малышева [59, 60], A.C. Строганова [89] и других ученых.

Основным параметром, характеризующим исчерпание несущей способности грунтов основания, является предельная критическая нагрузка ри. Впервые выражение для определения ри в предположении невесомости основания было получено Л. Прандтлем и Г. Рейснером (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Линии скольжения при предельной полосовой нагрузке для невесомого основания (у = 0) ри = {fd + с ci8.

1 — Sin (р

В.В.Соколовским получено решение для плоской задачи при действии на поверхности наклоненной под углом 8 к вертикали нагрузки, изменяющейся по закону трапеции ри =nryx + nqq + ncc, (1.39).

Pt = PjgS, (1.40) где Nr, Nq, Nc — безразмерные коэффициенты несущей способности грунта основания, зависящие от угла внутреннего трения (р и угла наклона равнодействующей нагрузки к вертикали 8.

Согласно существующей нормативной методике при расчете по первой группе предельных состояний несущая способность основания считается обеспеченной, если выполняется условие F <ус Fu? yn .

Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания определяется по формуле.

NH =b4Nr^by+N^fd + Nclc). (1.41).

М.В. Малышев и Н. С. Никитина [61] предложили давление, соответствующее исчерпанию несущей способности, определять по формуле.

Ри = n77 ъ + Nqy + Ncc, (1.42) где b — ширина подошвы фундамента;

Ny, Nq, Nc — безразмерные коэффициенты несущей способности грунта основания, определяемые по эмпирическим формулам l + sin^.

7 1 • '.

1 — Sin ф.

Nc={Nq-)ctg.

ДГ t§.

A.C. Строганов [89] предложил вычислять несущую способность по формуле.

N = yb2Ny + 2Ь (р + H) Np+H — 2ЪН, (1.44) где Nr, NphH — безразмерные коэффициенты.

На основании неассоциированного закона пластического течения грунтов представлено выражение для определения приведенного угла внутреннего трения в условиях плоской деформации аМ" 2 вт/? = -*——, (1.45) где v — коэффициент дилатансии (разрыхления), определяемый экспериментальноу/ - угол внутреннего трения по октаэдрической площадке.

1.6. Анализ существующих методов расчета осадок оснований глинистых грунтов при статических нагружениях.

На сегодняшний день существует более 20 методов определения величины деформаций грунтового массива от воздействия приложенной нагрузки. р

Согласно существующей практике проектирование ведут в диапазоне нагрузок р < Л, поэтому для определения напряжений в основании используют теорию линейно-деформируемой среды. Применимость данной модели к грунтам впервые была обоснована трудами Н. П. Пузыревского, К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича. В основе теории заложена линейная зависимость между напряжениями и деформациями в грунтах.

Кроме того, достижение предельных значений деформаций оснований не используется, поскольку определяющей является недопустимость превышения давления р величины 1,27?.

На сегодняшний день основным расчетным методом является метод послойного суммирования, основанный на законе Гука для одноосного сжатия. Осадка основания рассматривается как сумма вертикальных деформаций элементарных слоев грунта, на которые разделена сжимаемая толща, при этом возможность бокового расширения грунта не рассматривается. Высота сжимаемой толщи определяется из условия °=Р = 0,2ст^.

Расчет осадки ведется по формуле (7 Н = (1.46) 1 где [3 — безразмерный коэффициент, принимаемый равным 0,8;

7 — — среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в 1-м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней и нижней границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундаментак1 —толщина 1-го слоя грунта;

Е1 -модуль деформации ¡—го слоя грунтап — число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

При этом распределение вертикальных нормальных напряжений по глубине основания принимается в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 1.9.

Метод заключает в себе следующие предпосылки и допущения:

— предполагается, что существует линейная зависимость между напряжениями, возникающими в массиве грунта от воздействия внешней нагрузки, и деформациями грунтового массиварассматриваются только вертикальные давления, действующие под центром фундаментапри определении величины дополнительных вертикальных давлений слоистость напластований не учитываетсявместо решения пространственной задачи и учета 6 компонентов напряжений рассматривается плоская задача и действие только вертикального напряжениявозможность бокового расширения грунта не учитываетсявысота сжимаемой толщи определяется графически, при этом считается, что ниже указанной активной зоны грунт не деформируетсяиспользуемая в расчете величина модуля деформации грунта во многом зависит от способа его определения.

Рис. 1.9. Расчетная схема для определения осадки фундамента методом послойного суммирования.

В результате метод расчета осадок фундаментов по схеме однородного упругого полупространства не вполне корректно описывает процесс развития деформаций грунтового основания, представляющего собой дискретную, многофазную структуру с выраженными реологическими свойствами. Так, например, по данным исследований, проводимых В. Н. Брониным [9], метод послойного суммирования дает неприемлимые результаты для определения осадок плитных фундаментов.

Еще одним методом, рекомендованным в нормативной литературе, является метод расчета осадки линейно-деформируемого (упругого) слоя, разработанный К. Е. Егоровым [36, 37] в 1958 году.

Осадка фундамента на слое конечной толщины (рис. 1.10) определяется по формуле.

С РЬК К-Х.

Я = (1.47) '=¦ А где р — среднее давление под подошвой фундамента;

Ъ — ширина прямоугольного или диаметр круглого фундаментов, кс и кт — коэффициенты, зависящие от сжимаемости основанияп — число слоев, различающихся по сжимаемости в пределах сжимаемой толщи Н ск1 и — коэффициенты, определяемые в зависимости от формы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента и относительной глубины, на которой расположены подошва и кровля ¡—го слоя;

Е{ — модуль деформации ьго слоя грунта. b.

DL У/У SAS.

— 777—777−77^.

IP.

FL вс.

V7777777777777777>7 777 777 777 777 777 311 744-,.

Рис. 1.10. Схема для расчета осадки с использованием модели линейно.

Расчетная толщина линейно-деформируемого слоя определяется с использованием выражения, аналогичного выражению для расчета методом послойного суммирования.

Метод основан на одномерном уплотнении грунта, при этом не позволяет определять осадку с учетом загружения соседних фундаментов [9].

Метод эквивалентного слоя H.A. Цытовича рассматривает деформации грунта в пределах бесконечного полупространства, что приводит к завышенному значению осадки [33].

Осадка основания s методом эквивалентного слоя грунта определяется по формуле где pQ — дополнительное давление под подошвой фундаментаmv — коэффициент относительной сжимаемости грунтаh3 — мощность эквивалентного слоя грунта определяемая из выражения h0 = A cobгде со — коэффициент, зависящий от формы и жесткости фундамента. деформируемого слоя s = h3mop0,.

1.48).

Ь — ширина подошвы фундамента;

А — коэффициент, определяемый по формуле, А = ——^ ;

1 —2//0) где //0 — коэффициент Пуассона грунта основания.

Выражение для б применимо для случая однородного основания. При слоистой толще грунтов необходимо найти среднее значение коэффициента относительной сжимаемости в пределах сжимаемой толщи Нс = 2кэ (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Схема к расчету осадки методом эквивалентного слоя.

Применяемые методы расчета осадок оснований дают существенно отличающиеся друг от друга результаты. Это связанно с тем, что значения осадок в первую очередь зависят от гипотезы, заложенной в основу расчетной модели грунта, и тех допущений, которыми каждая гипотеза ограничена. Однако общим в выше перечисленных методах является то, что они рассматривают плоскую деформацию грунта, не учитывая пространственное напряженное состояние, не рассматривают возможность изменения физико-механических (реологических) свойств грунта в процессе длительного нагружения основания и не позволяет проектировать экономичные фундаменты.

Для инженерных расчетов метод послойного суммирования деформаций более приемлем. С целью уменьшения разницы между расчетной величиной осадки фундамента и наблюдаемыми деформациями основания необходимо приблизить условия расчета к реальным условиям нагружения основания. Для достижения этой цели применяется шаговый метод расчета осадок [53], учет влияния боковых давлений, отличающихся от компрессионных [10, 106], учет изменчивости деформационных характеристик грунта при возрастании нагрузки [52], учет разгрузки основания при экскавации грунта из котлована [92] и другие усовершенствования.

Б.И. Далматовым и В. М. Чикишевым. [34] на основании формулы. К. Е. Егорова предложено определять осадку прямоугольных фундаментов < с учетом переменности модуля деформации по глубине основания, который зависит от напряженного состояния глинистого грунта, по формуле п р

Б = р-Ь-а^ ' 'ч, (1.49).

1 Ь где — коэффициент, учитывающий изменение Е в пределах каждого слоя напластования грунтова — коэффициент, учитывающий форму подошвы фундамента;

Ек1 — компрессионный модуль деформации грунта ьго слоя.

М:В. Малышевым и Н. С. Никитиной [61] предложен практический способ расчета осадки в нелинейной стадии деформируемости грунта, при этом полупространство заменяется эквивалентным по осадке нелинейно-деформируемым массивом грунта в условиях однородного напряженного состояния. На участке р < р< рх, где рх — критическая нагрузка, отвечающая условию начала возникновения областей пластических деформаций, $ 1 =.

1.50).

1.51).

Р ~Р-.Ч при рх< р< р2.

Р{Р2~Р^)~{Р-Рх)Р Р (рг~р).

Для прогноза развития осадок неоднородного основания ограниченной толщины с учетом реологических свойств грунтов, описываемых по закону вековой ползучести, фундаментов тяжелых сооружений З.Г. Тер-Мартиросяном и Х. Ш. Тураевым [96] предложено использовать выражение.

5,(0=2.

1 + *•)"(*, з/)^.

1.52).

В работе [52] на основе анализа результатов стабилометрических испытаний предлагается модель двухфазового деформирования грунта для однородного песчаного основания, для которой характерен линейный закон увеличения модуля деформации Е по глубине сжимаемой толщи. Расчет осадок реализуется в рамках метода послойного суммирования.

Расчет осадки снований с учетом горизонтальных напряжений (деформаций) в основании и жесткости фундамента предлагается [10] выполнять по формулам.

8 = 1.

7 + с +(7 2(7 — с — сг р, 1 хр, 1 ур, 1: р, 1 хр, 1 УР, 1.

3 к.

6С.

5 = а^ л I У^+^+^Х1- 2у) + (2+ - X1 + К У 1.

ЗЕ.

3 Е.

1.53).

1.54) где первое слагаемое позволяет определить осадку, связанную с деформациями уплотнения грунта, а второе — с деформацией формоизменения основания.

Метод расчета осадок оснований, основанный на послойном суммировании с учетом структурной прочности грунта и пригодный для применения в расчетах плитных фундаментов, изложен в работе [103], согласно которому осадка может быть записана в виде.

1−55) где — координата подошвы фундаментаграница послойного суммирования при выполнении условия До-= 0,1 ащ.

Д — коэффициент бокового обжатия, Д = Дс + — (Дм — Дс);

Дет — приращение нормального вертикального напряжения от действия нагрузки на основание;

Е — модуль деформации.

При этом для связи модели основания с моделями грунтов применена билинейная модель, сформулированная так:

Дог Аст = № Ее Аа ЕеР при.

Е — Рс, Рс -°" оРс+М (Рс~Со) при.

Ет 1 ер Ее Еер

1.56) где.

Ес, Еер — упругий и упругопластический модули деформации;

М = Еер! Еерс — структурная прочность грунта.

В 1963 году В. Г. Березанцевым [6] предложена методика для вычисления осадок оснований глубоких фундаментов, позволяющая учитывать влияние областей сдвигов на изменение закономерности нарастания осадок фундамента. Полная осадка фундамента при плоской деформации основания представлена выражением.

Е — модуль общей деформациил — коэффициент относительной поперечной деформации грунтасо — коэффициент, с помощью которого учитывается форма площади, передающей нагрузкуp;

З.Г. Тер-Мартиросяном и B.C. Прошиным [79] предложен метод расчета осадок оснований, в основу которого положен метод послойного суммирования и учтено пространственное напряженное состояние грунтового массива. Данная методика позволяет вычислить осадки не сразу от полной величины действующей нагрузки, а от последовательно действующих нагрузок, при этом природное давление грунта рассматривается как всесторонняя нагрузка, а дополнительная нагрузка как девиаторное нагружение. Однако в этом методе не учтена длительность действия нагрузки, т.к. здания и сооружения имеют различный срок службы и в течение всего этого периода передают нагрузку на грунт основания.

Петраков A.A. и Макиенко В. Е. [77] провели полевые исследования длительной деформативности глинистых грунтов и экспериментально подтвердили наследственный характер деформаций ползучести грунта, т. е. конечная осадка штампа зависит не только от длительности приложения нагрузки, но и от закона ее изменения во времени.

1.57) где zb=l-e~^n~Y^tg.

1.7. Анализ существующих приборов для проведения длительных испытаний.

Для более полного моделирования поведения грунтов в основании фундаментов исследование механических свойств грунтов должно быть осуществлено на приборах, позволяющих проводить испытания в условиях сложного напряженного состояния в соответствии с заданной программой исследований. За рубежом испытания грунтов в условиях трехосного сжатия применяются достаточно часто, однако в отечественной практике они пока еще не нашли должного применения.

На сегодняшний день для испытания фунтов в условиях сложного напряженного состояния применяют различные схемы нагружения (рис. 1.12) на трехосное сжатие.

Рис. 1.12. Схемы испытаний при сложном напряженном состоянии: а — осесимметричное трехосное сжатиеб — осесимметричное сжатие и кручениев — осевое сжатие и кручение полого цилиндраг — осевое сжатие, радиальное внутреннее и наружное давление и кручение полого цилиндрад — сжатие куба при произвольных значениях напряжений.

Изучение деформационных характеристик грунтов при сложном напряженном состоянии проводятся на приборах осесимметричного трехосного сжатия.

Такие приборы впервые в СССР были предложены М. В. Малышевым и A.C. Строгановым. Известны конструкции приборов A.JI. Гольдина, A.A. Мустафаева, И. Н. Иващенко, М. Н. Захарова. За рубежом такие приборы разработаны JL Шукле.

Приборы для исследования цилиндрических образцов отличаются в основном размером образцов и способом нагружения.

Прибор трехосного сжатия стабилометрического типа был сконструирован для проведения испытаний с образцами мрамора и известняка в 1915 году Корманом и Беккером. В нашей стране такие испытания были предложены в 1931 г. Б. П. Яппу и H.H. Давиденковым.

На сегодняшний день применяются стабилометры конструкции Е. И. Медкова, A.C. Строганова, И. Н. Иващенко, М. Н. Гольдштейна, Н. И. Сидорова, В. П. Спидина, конструкции «Гидропроекта», Г. Г. Болдырева и др.

За-рубежом используются приборы конструкции А. Бишопа.

Испытания цилиндрических образцов в стабилометре не позволяют реализовать программу исследований с произвольно изменяемыми главными напряжениями по трем взаимно перпендикулярным осям. Учитывая тот факт, что в основании сооружений распределение напряжений является трехмерным с неравными значениями напряжений по трем осям координат, т. е. ?7, ф сг2 Ф сг3, приборы трехосного сжатия, позволяющие испытывать образцы грунта кубической формы в условиях несимметричного нагружения, называют приборами истинного трехосного сжатия.

Приборы для испытаний образцов грунта кубической формы, позволяющие наиболее точно смоделировать поведение грунта в условиях сложного напряженного состояния, впервые были сконструированы в нашей стране H.H. Давиденко в 1934 г, а за рубежом — Kjelman в 1936 г.

Существуют попытки классифицировать приборы истинного трехосного сжатия по граничным условиям:

— приборы с жесткими границами — штампами (Hambly, 1969; Реагсе, 1972; Ibsen et al., 2002), позволяющие контролировать деформации образца;

— приборы с гибкими границами — мембранами (Крыжановский, 1966; Ко and Scott, 1967; Sture and Desai, 1979; Meier et al., 1982; Mandevile and Penumadu, 2004), которые позволяют контролировать напряжения;

— приборы со смешанными границами (Lade and Duncan, 1973; Michelis, 1988; Hoyos et al., 2001; Alshibli, 2005).

Многие исследователи отмечают существенную роль граничных условий, основываясь на том факте, что во всех типах приборов истинного трехосного сжатия результаты испытаний могут оказаться, различными. В то же время отсутствует ответ на главный вопрос: «Какие граничные условия испытывает элемент грунта в полевых условиях?».

В настоящей работе использовался прибор трехосного сжатия с жесткими штампами и независимо регулируемыми главными напряжениями.

1.8. Выводы к главе 1.

1. В грунтах под подошвой фундамента возникает пространственное напряженное состояние, которое в каждой точке характеризуется компонентами тензора девиатора и шарового тензора, соотношение между которыми различно при переходе от точки к точке основания. В связи с вышеизложенным возникает необходимость исследования (уточнения методик расчета) несущей способности и осадок оснований с учетом изменения прочностных и деформационных свойств грунтов в условиях трехосного сжатия при длительном нагружении.

2. В глинистых грунтах напряженно-деформированное состояние меняется со временем, при этом деформации и прочность изменяются в зависимости от режима (траектории) нагружения, начальной плотности и влажности, соотношения девиаторной и шаровой частей тензора напряжений.

3. Сложность описания деформируемости глинистых грунтов и разнообразие их свойств выдвинули множество подходов и различных моделей деформирования и изменения прочности во времени. В основу большинства схем пространственного деформирования грунтов заложена концепция скольжения с трением по условным площадкам, ориентация которых может быть получена различными гипотезами.

4. Методы расчета несущей способности и осадок оснований, разработанные для однократного кратковременного нагружения, не в состоянии в должной мере учитывать особенности изменения напряженно-деформированного состояния и прочности грунтов оснований при длительном действии нагрузки и проявлении реологических свойств, что приводит к снижению надежности проектных решений. В связи с этим назрела необходимость в разработке практических методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ.

ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Программа исследований.

Существуют различные теории, описывающие процессы, развития деформаций материалов во времени. Ряд авторов предлагает для описания процессов развития деформаций ползучести применять теорию старения, другое предложение — для описания процессов ползучести использовать теорию упрочнения. Также для прогнозирования развития деформаций ползучести глинистых грунтов возможно применение теории трещин. Однако" будет справедливым уточнение, что выполнено очень мало экспериментальных исследований, обосновывающих ВОЗМОЖНОСТЬ применения ТОЙ ИЛИиной теории для грунтов, с данными, физико-механическими свойствами. Отсутствуют четко прописанные пределы применимости различных теорий для решения, инженерных задач использования глинистых грунтов в качестве основания сооружений. Вопрос о возможности применения какой-либо теории для описания процесса деформирования глинистого грунта при воздействии на него длительных нагрузок также остается открытым. В связи с этим была составлена программа экспериментальных исследований, основной задачей', которой является установление на основе анализа результатов лабораторных опытов и лотковых испытаний закономерностей развития деформаций ползучести и изменения прочности глинистых грунтов при трехосном сжатии при воздействии на них длительных статических нагрузок.

Для сравнения полученных результатов, в программу экспериментальных исследований включены следующие пункты:

— прочность и деформируемость глинистых грунтов прикратковременном трехосном статическом нагружении;

— прочность и деформируемость глинистых грунтов при длительном трехосном статическом нагружении;

— прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях одноосного сжатия при кратковременном режимном нагружении;

— прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях кратковременного одноосного сжатия при различном времени выдержки образца в форме;

— прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях трехосного сжатия при кратковременном режимном нагружении;

— прочность и деформируемость глинистых грунтов в условиях кратковременного трехосного сжатия при различном времени выдержки образца в форме;

— деформируемость глинистых грунтов при длительном гидростатическом нагружении;

— лотковые испытания.

С целью определения величины влияния траектории нагружения на прочность и деформируемость образцов глинистого грунта нарушенной структуры были проведены эксперименты с реализацией трех режимов нагружения в условиях кратковременного и длительного трехосного сжатия: сг1 > сг2 = <т3 = 80 кПа (Режим 1), сг, > сг2 = сг3 = 160 кПа (Режим 2), сгх > а2 = 160 кПа > ст3 — 80к/7йг (Режим 3).

Рис. 2.1. Программа экспериментальных исследований.

2.2. Методика приготовления образцов и исследуемого грунта.

2.2.1. Характеристики грунта (искусственно приготовленного).

Опыты проводились с образцами искусственно приготовленного грунта, который по числу пластичности, равному 1Р =17,5, относится к глине. Характеристики данного грунта:

— Удельный вес природного грунта у = 19,4 кН/м3;

— Влажность грунта? V = 0,22;

— Влажность на границе текучести 1¥-ь = 0−41;

— Влажность на границе раскатывания РГр = 0,235 ;

— Число пластичности I р = 17,5;

— Показатель текучести I, = -0,03 ;

— Коэффициент пористости е = 0,81;

— Степень влажности Бг = 0,73.

Показатель текучести Iь — -0,03 характеризует грунт как твердую глину.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В действующих нормах на проектирование оснований фундаментов СНиП 2.02.83* отсутствуют методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного действия нагрузки и нелинейного деформирования грунтов. Методы расчета несущей способности и осадок оснований, разработанные для однократного кратковременного на-гружения не в состоянии в должной мере учитывать особенности изменения напряженно-деформированного состояния и прочности грунтов оснований при длительном действии нагрузки и проявлении реологических свойств, что приводит к снижению надежности проектных решений. В связи с этим назрела необходимость в разработке практических методов расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов.

2. Разработан усовершенствованный метод расчета несущей способности оснований фундаментов. Предложенный метод позволяет рассчитывать несущую способность оснований фундаментов в зависимости от изменения деформированного состояния и процессов самоупрочнения глинистых грунтов, длительности и режима нагружения и достоверно оценивает несущую способность оснований на всех стадиях нагружения.

3. Разработан усовершенствованный метод расчета осадок оснований фундаментов, в основу которого положен способ послойного суммирования с учетом особенностей, обусловленных пространственным напряженно-деформированным состоянием и длительным нелинейным деформированием глинистых грунтов. Объемные деформации грунта во времени описываются в соответствии с теорией наследственной ползучести в виде суммы деформаций изменения объема и деформаций изменения формы с учетом их взаимовлияния. Предложенный усовершенствованный метод расчета осадок позволяет с высокой точностью оценивать осадки оснований фундаментов при длительном нагружении.

4. В соответствии с предложенной расчетной моделью длительного нелинейного деформирования неводонасыщенных глинистых грунтов при трехосном статическом нагружении деформирование происходит за счет движения уплотненных пирамид как жестких тел, образованных в верхней и нижней части образца и у боковых граней. В указанных уплотненных зонах не происходит ухудшение физико-механических характеристик грунтов. Негативные процессы, снижающие физико-механические характеристики, локализуются в зоне между этими пирамидами и грунты в этой зоне подвергаются одновременному отрыву и сдвигу. Девиаторное нагружение и длительная выдержка под нагрузкой сопровождаются возникновением и развитием множества поверхностей сдвига и разрывов сплошности грунта образца, положение которых меняется во времени.

5. В диссертации предложены аналитические зависимости для описания процесса изменения прочности и деформаций глинистого, грунта при трехосном длительном статическом нагружении. Полученные аналитические зависимости в компактной форме учитывают наблюдаемые в экспериментах влияния режима нагружения, величины девиатора напряжений и длительности действия нагрузки на прочность и деформации глинистого грунта при длительном трехосном сжатии. Использование указанных аналитических зависимостей позволяет более точно оценивать несущую способность и осадки оснований фундаментов, сложенных глинистыми грунтами, при длительном статическом нагружении.

6. Выполнены экспериментальные исследования прочности и деформируемости глинистых грунтов при длительном трехосном сжатии и на основании результатов этих исследований можно представить следующую схему развития деформаций ползучести и изменения длительного сопротивления грунта разрушению. В зависимости от величины, режима и длительности действия нагрузки в глинистом грунте происходят два взаимно компенсирующих явления — упрочнение, обусловленное залечиванием дефектов и более плотной перекомпоновкой частиц, и разуплотнение, вызванное переориентацией частиц, а также образованием и развитием микро и макротрещин. В случае, когда разрушение начнет превалировать над упрочнением, возникает стадия разрушения и прогрессирующей ползучести, причем эти процессы охватывают не весь объем грунта, а лишь зоны предельного равновесия, где происходит развитие трещин.

7. Разработанные методы расчета несущей способности и осадок оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (отклонения не более 22%). Их достоверность и надежность подтверждается данными натурных наблюдений за осадками оснований 13 фундаментов опор трубопровода, результатами испытания двух моделей фундамента в лабораторных условиях и 120 образцов грунтов на трехосное сжатие.