На правах рукописи

Соболев Евгений Станиславович

ПОЛЗУЧЕСТЬ И ВИБРОПОЛЗУЧЕСТЬ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты,

подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2014 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Тер-Мартиросян Завен Григорьевич

Официальные оппоненты: Ставницер Леонид Рувимович, доктор технических наук, профессор, ОАО «НИЦ «Строительство» Научноисследовательский, проектноизыскательский и конструкторскотехнологический институт оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова, начальник экспертно-аналитического отдела Королева Ирина Владимировна кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры Оснований, фундаментов, динамики сооружений и инженерной геологии

Ведущая организация: ОАО «Институт по изысканиям и проектированию инженерных сооружений «Мосинжпроект»

Защита состоится «_» _ 2014 г. в _ на заседании диссертационного совета Д 212.138.08, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте http://www.mgsu.ru.

Автореферат разослан «_» 2014 г.

Ученый секретарь Знаменский диссертационного совета Владимир Валерианович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При проектировании, строительстве и эксплуатации промышленных и гражданских зданий и сооружений, в том числе высотных зданий и комплексов с развитой подземной частью, часто возникает необходимость учёта циклических и вибрационных воздействий на напряженнодеформированное состояние (НДС) грунтов оснований, в том числе для определения дополнительных осадок и кренов фундаментов.

Достоверность количественной оценки этих величин во многом зависит от достоверности и точности определения расчетных параметров деформируемости и прочности, в том числе ползучести и виброползучести грунтов оснований, в лабораторных и полевых условиях.

Опыт эксплуатации различных видов зданий и сооружений показывает, что длительные циклические и вибрационные воздействия с амплитудой 30% от статической нагрузки и частотой от 1-10 Гц приводят к накоплению дополнительных остаточных деформаций в грунтах основания, что в конечном итоге приводит к дополнительным остаточным осадкам и кренам фундаментов. В водонасыщенных песчаных грунтах циклическое и вибрационное воздействия могут привести к их разжижению и полной потере прочности и устойчивости.

Поэтому изучение свойств ползучести и виброползучести и их использование при прогнозировании НДС оснований сооружений является актуальной задачей прикладной механики грунтов и фундаментостроения.

Цель исследования заключается в изучении и совершенствовании методов исследования и описания механических свойств грунтов при кинематическом, циклическом и вибрационном воздействиях, и разработке на их основе методики количественной оценки НДС оснований зданий и сооружений, в том числе для определения дополнительных осадок и устойчивости при динамических нагрузках.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

анализ современного состояния экспериментальных и теоретических методов изучения НДС оснований зданий и сооружений при статическом, кинематическом, циклическом и вибрационном воздействиях с учетом реологических и виброреологических свойств грунтов;

экспериментальные лабораторные исследования механических свойств 2) грунтов в условиях трехосного сжатия в кинематическом, циклическом и вибрационном режимах нагружения, необходимые для построения новых реологических моделей грунтов и определения параметров этих моделей;

построена новая реологическая модель грунта на основе учета неодинакового сопротивления грунта при нагрузке и разгрузке, переменности вязкого сопротивления во времени и степени водонасыщения;

выполнен анализ результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических исследований при различных режимах нагружения, в том числе кинематическом, циклическом и вибрационном воздействиях.

Показано, что во всех этих случаях дополнительные деформации, как правило, развиваются с затухающей скоростью, т.е. пропорциональны логарифму времени;

обоснован метод расчета дополнительных осадок фундаментов зданий и 5) сооружений при вибрационном воздействии путем коррекции деформационных характеристик грунтов по результатам специальных лабораторных испытаний в режиме динамического трехосного сжатия;

решены примеры прикладных задач механики грунтов аналитическим и численными методами с применением разработанных реологических моделей грунтовой среды при статических, циклических и вибрационных нагрузках.

';

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

На основе анализа экспериментальных и теоретических исследований физико-механических свойств грунтов построены модифицированные реологические модели, и составлены соответствующие уравнения, учитывающие особенности поведения грунтов в условиях кинематического, циклического и вибрационного нагружения.

По результатам лабораторных испытаний песчаных грунтов определены основные реологические параметры, входящие в состав механических моделей для прогнозирования напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений.

Разработанные реологические модели описывают остаточные деформации и напряжения, а также явление ползучести и виброползучести при трехосном сжатии в режиме кинематического, циклического и вибрационного нагружения, что имеет важное прикладное значение.

Установлено, что при циклическом нагружении дополнительные деформации в песчаных грунтах развиваются, преимущественно, прямо пропорционально логарифму времени, причем, интенсивность этих деформаций зависит от относительной амплитуды /ст и приведенного порового давления uw/, а также степени приближения к предельному состоянию i/i*.

Решена задача о взаимодействии одиночной задавливаемой сваи с окружающим упруго-вязкопластическим грунтовым массивом ограниченных размеров с учетом лидерной скважины. Выполнены расчеты НДС нелинейно деформируемого неоднородного грунтового массива вмещающего абсолютно жесткую сваю при статическом и циклическом воздействиях.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается тем, что они основаны на анализе результатов экспериментальных лабораторных исследований свойств грунтов в кинематическом и циклическом режиме нагружения, а также на теоретических исследованиях ползучести и виброползучести песчаных грунтов на основе современных методов прикладной механики грунтов.

Практическая значимость и реализация работы. Полученные в диссертационной работе результаты экспериментальных и теоретических исследований позволяют: усовершенствовать теоретические основы описания механических свойств грунтов при статическом, кинематическом и циклическом воздействиях; дать научное обоснование накопления дополнительных деформаций и напряжений в грунте при циклическом нагружении; использовать полученные результаты в совершенствовании методов лабораторных испытаний с целью определения физико-механических свойств грунтов в условиях трехосного сжатия при кинематическом, циклическом и вибрационном режимах нагружения;

развивать методы количественной оценки остаточных деформаций и напряжений в основаниях зданий и сооружений аналитическими и численными методами с учетом ползучести и виброползучести грунтов.

Результаты испытаний грунтов по разработанной методике были использованы при проектировании новых станций и тоннелей Кожуховской и Калининско-Солнцевской линий Московского метрополитена. Кроме того, выполнены экспериментальные лабораторные исследования для обоснования проектных решений оснований АЭС Смоленск-2, Российская Федерация и АЭС Руппур, Народная Республика Бангладеш.

Апробация работы. Основные положения работы опубликованы в ведущих научно-технических журналах по тематике исследования и обсуждались на: Международной научной конференции «Инновации, партнёрство и интеграция в строительном образовании и науке» (Москва, МГСУ, 2011 г.); XIII Международном симпозиуме по реологии грунтов «Достижения, проблемы и перспективные направления развития для теории и практики механики грунтов и фундаментостроения» (Казань, КГАСУ, 2012 г.); XV Международной межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Москва, МГСУ, 2012 г.); Научно-практической конференции «Геотехника: теория и практика» (Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2013 г.); Научно-технической конференции «Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение» (Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2014 г.); XIV Международном симпозиуме по реологии грунтов «Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов» (Казань, КГАСУ, 2014 г.).

Личный вклад соискателя заключается в: анализе существующих и выполненных результатов экспериментальных исследований ползучести и виброползучести; анализе методик количественной оценки напряженнодеформированного состояния оснований зданий и сооружений при различных типах динамического нагружения; проведении и анализе результатов лабораторных исследований реологических и виброреологических свойств грунтов на приборах трехосного сжатия; уточнении и составлении новых реологических моделей неводонасыщенных и водонасыщенных песчаных грунтов с учетом упруго-вязкопластических свойств; решении прикладных задач механики грунтов и свайных фундаментов на основе предложенных реологических моделей грунтов.

На защиту выносятся: результаты экспериментальных лабораторных исследований грунтов при кинематических, циклических и вибрационных нагрузках, и их математическое описание, основанное на дополненных, уточненных и модифицированных реологических моделях; примеры применения модифицированных реологических моделей грунтов для решения задач прикладной механики грунтов и фундаментостроения.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, из них 3 в научных журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и приложения. Диссертационная работа содержит 150 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 5 таблиц, 138 формул, список литературы из 147 наименований.

Автор считает своим приятным долгом и искренне благодарит своего научного руководителя, заслуженного деятеля науки РФ, почетного академика РААСН, лауреата Правительственной премии РФ в области науки и техники, заведующего кафедрой «Механика грунтов и геотехника» ФГБОУ ВПО «МГСУ», почетного профессора МГСУ, доктора технических наук ТерМартиросяна Завена Григорьевича за постоянное внимание и всевозможную помощь при выполнении настоящей работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен обзор существующих экспериментальных и теоретических методов исследования ползучести и виброползучести грунтов. В соответствии с современными представлениями о взаимодействии подземных конструкций зданий и сооружений со сжимаемым грунтовым основанием при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях выполнен анализ существующих методов количественной оценки НДС, отмечена необходимость учета остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде при циклических и вибрационных воздействиях.

Наибольший вклад в изучение явлений ползучести и виброползучести внесли научные работы следующих ученых: М.Ю. Абелева, Д.Д. Баркана, Е.А.

Вознесенского, С.С. Вялова, Н.М. Герсеванова, С.С. Григоряна, Ю.К. Зарецкого, П.Л. Иванова, В.А. Ильичева, Н.Д. Красникова, М.В. Малышева, Н.Н. Маслова, C.Р. Месчана, И.Т. Мирсаяпова, А.Д. Потапова, Л.Н. Рассказова, О.А. Савинова, Л.Р. Ставницера, З.Г. Тер-Мартиросяна, В.А. Флорина, Н.А. Цытовича, I.M. Idriss, K. Ishihara, N.M. Newmark, H.B. Seed, A.W. Skempton.

Экспериментальные и теоретические исследования реологических свойств грунтов при статическом и циклическом воздействиях не позволяют считать до конца решенной задачу долгосрочного прогнозирования НДС грунтового массива и требуют дальнейшего совершенствования.

Методы количественной оценки НДС массивов грунтов, вмещающих подземные части зданий и сооружений при статическом и циклическом воздействиях, существующие в настоящее время также требуют совершенствования.

При этом необходимо учитывать большое количество факторов, что возможно путем использования численных методов оценки НДС.

В конце первой главы излагаются выводы и приводятся формулировки цели и основных задач исследований.

Вторая глава посвящена результатам лабораторных исследований реологических и виброреологических свойств воздушно-сухих и водонасыщенных песчаных грунтов. В рамках диссертационного исследования были выполнены серии трехосных испытаний при кинематическом, циклическом и вибрационном режимах (всего более 200 испытаний). Исследования проводились на базе лаборатории Научно-образовательного центра «Геотехника» Московского государственного строительного университета». Рассмотрим некоторые из них.

Кинематический режим нагружения const. В диссертационной работе приведены зависимости коэффициентов вязкости воздушно-сухих и водонасыщенных грунтов и модуля сдвига от величины всестороннего сжатия (рисунок 1) песчаного грунта по результатам испытаний в приборе трехосного сжатия по траектории раздавливания образцов-близнецов.

Рисунок 1. Результаты трехосных испытаний водонасыщенного песчаного грунта в кинематическом режиме нагружения. Зависимости вязкости () (а) и модуля сдвига (G) (б) от всестороннего сжатия () Вибрационный режим нагружения. Выполнен анализ процесса развития дополнительных деформаций по результатам лабораторных исследований (рисунок 2). Отмечается, что при вибрацонном воздействии грунты упрочняются с ростом количества циклов (N) и во времени (t=N·T). Эту зависимость можно определить по эмпирической формуле где a - параметр зависящий от частоты; T - период изменения нагрузки.

Далее в диссертационной работе приводятся результаты экспериментальных испытаний в приборе трехосного сжатия в вибрационном режиме. Анализ полученных результатов позволил определить зависимость вязкости от частоты вибрационного нагружения: вязкость грунтов возрастает тем больше, чем больше частота вибрационной нагрузки.

Рисунок 2. Зависимость относительных деформаций ( z ) от времени нагружения (t) в секундах при частоте 20 и 50 Гц Оценка критериев разжижения. Результаты испытаний песчаных грунтов для определения критериев разжижения при циклических нагрузках, вызванных сейсмическим воздействием приведены на рисунке 3.

пылеватых водонасыщенных песков.

Глубина отбора - 24,75 м. Зависимости порового давления от касательного напряжения (а), порового давления (б) и вертикальных перемещений (в) от времени нагружения Подтверждено, что критерием начала процесса разжижения является развитие 5%-ной осевой деформации, а также увеличение коэффициента избыточного давления поровой воды 1. Отмечено, что разжижению подвержены водонасыщенные песчаные грунты с глубины залегания до 25 м.

Циклический режим нагружения. В лаборатории НОЦ «Геотехника» исследования динамических свойств грунтов с целью исследования изменений динамического модуля сдвига Gд (рисунок 4, а) и исследования коэффициента демпфирования грунтов D (рисунок 4, б). Эти характеристики применяются при проектировании зданий и сооружений повышенной ответственности с учетом динамических нагрузок на грунтовое основание.

Рисунок 4. Результаты испытаний пылеватых водонасыщенных песков для оценки динамического модуля сдвига и коэффициента демпфирования. Глубина отбора - 15,5 м. Зависимости динамического модуля сдвига G (а) и коэффициента демпфирования D (б) от угловых деформаций Анализ результатов выполненных испытаний показал, что увеличение амплитуды деформаций сдвига приводит к существенному снижению динамического модуля сдвига. Отмечено, что снижение коэффициента демпфирования (затухания) также связанно с ростом амплитуды деформаций сдвига.

В третьей главе приводятся описание реологических моделей грунтов и соответствующих им уравнений, необходимых для описания процесса накопления деформаций уплотнения и сдвига при циклическом и вибрационном воздействиях. Эти уравнения составлены на основе анализа результатов экспериментальных исследований, изложенных в 1-й и 2-й главах.

Известно, что для грунтовой среды зависимость «нагрузка-разгрузка» при объемном изменении и формоизменении характеризуется наличием упругой и пластической деформации (рисунок 5) где K 0, G0 - модули общей (суммарной) деформации объема и сдвига, соответственно; K e, Ge - модули объемной и сдвиговой упругой деформации, соответственно; K p, G p - модули объемной и сдвиговой неупругой деформации, соответственно.

Зависимость между напряжениями и деформациями при изменении формы (-) и изменении объема (-), имеющую нелинейный характер, можно представить уравнениями вида:

где a, b - параметры компрессионной кривой; - предельное значение интенсивности касательных напряжений, зависящее от среднего напряжения - упругий модуль сдвига.

Для описания деформаций ползучести предлагается реологическое уравнение Бингама-Шведова-Маслова в актуализированном виде Представленные модели грунта прямо применимы только в случае сухого грунта и описывают деформационные свойства скелета грунта. Если степень водонасыщения грунтов (0,80,8) – прогрессирующий характер.

3. Подтверждено, что ключевым фактором, приводящим к циклическому разжижению водонасыщенных песчаных грунтов, является возрастающее поровое давление газосодержащей воды, когда (uw/)1.

4. Анализ разработанных модифицированных реологических моделей показал, что они позволяют описать остаточные деформации и остаточные напряжения в грунтах при статическом, кинематическом и циклическом нагружении в случае учета упрочнения и разупрочнения песчаных грунтов, их структурной прочности и степени водонасыщения, а также описывает процесс накопления порового давления в водонасыщенном грунте.

5. Разработана методика количественной оценки НДС песчаных оснований при циклическом нагружении с учетом неодинакового деформирования грунта при нагружении и разгрузке ( Gн G р, K н K р ), позволяющая описать затухающую Gн Gн 0 i и прогрессирующую Gн Gн 0 i ползучесть и виброползучесть с помощью числовых рядов.

6. Решение задачи о взаимодействии одиночной сваи с окружающим упруго-вязкопластическим грунтовым массивом ограниченных размеров с учетом предварительно пробуренной лидерной скважины показало, что при уменьшении скорости погружения, можно понизить сопротивление внедрению сваи.

7. Аналитически и численно решены задачи о взаимодействии сваи с нелинейно деформируемым неоднородным массивом грунта при статическом и циклическом воздействиях. Показано, что распределение усилия на сваю между боковой поверхностью и нижним торцом существенно зависит от геометрических размеров сваи, а также механических свойств грунтов.

8. При заданной длине сваи и нагрузке на оголовок, можно определить такое оптимальное значение диаметра и длины сваи, при котором сопротивление грунтов под нижним торцом сваи используется эффективно за счет оптимального распределения между боковой поверхностью и пятой сваи.

Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных статьях, из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (помечены знаком *):

*1. Тер-Мартиросян З.Г., Соболев Е.С., Тер-Мартиросян А.З. Ползучесть и виброползучесть песчаных грунтов // Инженерные изыскания, 2014. – №5-6. – С. 24-28.

Взаимодействие сваи с двухслойным основанием при статическом и циклическом воздействии с учетом нелинейных свойств грунтов // Инженерная геология, 2014. – №4. – С. 56-62.

Напряженно-деформированное состояние грунтового массива при погружении сваи в лидирующую скважину // Жилищное строительство, 2014. – №10. – С.

51-55.

4. Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С., Мирный А.Ю., Сидоров В.В.

Определение параметров модели hardening soil по результатам лабораторных испытаний. – Сборник статей научно-технической конференции "Геотехника:

теория и практика". – Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2013. – С. 141-145.

5. Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С., Мирный А.Ю., Анжело Г.О.

Влияние частоты и длительности вибрационных трехосных испытаний в вибростабилометре на развитие дополнительных деформаций песчаных грунтов. – Сборник статей научно-технической конференции : "Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение". – Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2014. – С. 27-33.

6. Тер-Мартиросян З.Г., Соболев Е.С. Напряженно-деформированное состояние оснований фундаментов с учетом неоднородности грунтов (дефектов) и исходного напряженного состояния. – Сборник трудов XIII Международной межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – М.: МГСУ, 2010. – С. 807-813.

7. Тер-Мартиросян З.Г., Мирный А.Ю., Соболев Е.С. Трение качения в грунтах. – Сборник трудов международной научной конференции посвященной 90-летию МГСУ «Инновации, партнёрство и интеграция в строительном образовании и науке». – М.: МГСУ, 2011. – С. 366-373.

8. Тер-Мартиросян З.Г., Соболев Е.С., Тер-Мартиросян А.З. Напряженнодеформированное состояние нелинейно деформируемого грунтового массива вмещающего длинную сваю. – Материалы XIII Международного симпозиума по реологии грунтов «Достижения, проблемы и перспективные направления развития для теории и практики механики грунтов и фундаментостроения». – Казань: КГАСУ, 2012. – С. 48-52.

9. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Определение параметров вязко-упругой реологической модели песчаных грунтов. – Сборник трудов XVII Международной межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – М.: МГСУ, 2014. – С. 234-238.

10. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Ползучесть и вибоползучесть грунтов. – Сборник трудов XIV Международного симпозиума по реологии грунтов "Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов". – Казань: КГАСУ, 2014. – С. 8-23.