Исследование прочности и устойчивости грунтовых массивов 05. 23. 02 Основания и фундаменты, подземные сооружения

Вид материала

Исследование

Содержание Актуальность проблемы Научные положения (результаты), выносимые на защиту Практическая ценность работы Реализация результатов работы. Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются Личный вклад автора Апробация работы. Полнота опубликованных работ. Структура и объем диссертации. Основная часть В первом разделе В третьей главе В четвертой главе Результаты испытаний суглинков (г.Кок Тюбе, г.Алматы). В пятой главе В шестой главе В седьмой главе Список опубликованных работ по теме диссертации

Подобный материал:

• Совершенствование способа устройства буроинъекционных свай в маловлажных грунтах, 248.92kb.
• Мгсн 19-05, 2261.89kb.
• Механика грунтов Общая трудоемкость дисциплины, 26.44kb.
• Состояния оснований и устойчивости, 86.63kb.
• 13. Подземные воды, 378.67kb.
• Методические указания Николаева Т. Н., Усов В. А. «Инженерное мерзлотоведение». Методические, 164.37kb.
• Гидротехнические сооружения, 30.09kb.
• Специальные речные и подземные сооружения, 58.03kb.
• Проектной документации типовых строительных, 2239.75kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины механика грунтов, основания и фундаменты для, 363.62kb.

УДК 624.131.439:624.131.53


На правах рукописи


ХОМЯКОВ ВИТАЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ


Исследование прочности и устойчивости грунтовых массивов


05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения


Автореферат


диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Республика Казахстан

Алматы, 2010


Работа выполнена в Казахской головной архитектурно-строительной академии


Научный консультант: доктор технических наук

Жусупбеков А.Ж.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Лушников В.В.

доктор технических наук

Бровко И.С.

доктор технических наук

Богомолов А.Н.


Ведущая организация: Казахская Академия транспорта и коммуникаций

им. М. Тынышпаева


Защита состоится в «18» сентября 2010 года в 14:00 час. на заседании диссертационного совета Д 14.61.17А при Евразийском национальном университете им. Л.Н.Гумилева по адресу: 010008, Республика Казахстан, г.Астана, ул. Мунайтпасова, 5; Учебно-лабораторный корпус, аудитория 823,

телефон +7-7172344796;

е- mail: zavackaj@mail.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Отырар кiтапханасы» по адресу: ул. Мунайтпасова, 5, ЕНУ им. Л.Н. Гумилева


Автореферат разослан « ____ » ________________ 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 14.61.17А,

доктор технических наук Т.М. Байтасов


Введение

Общая характеристика работы. Приведенные в диссертационной работе комплексные исследования и разработки по решению проблемы устойчивости грунтовых откосов, склонов и бортов глубоких котлованов обеспечивают решение крупной научно-прикладной проблемы – повышение надежности и эффективности застройки территорий в стесненных условиях, а также строительство в горных и предгорных районах в сложных геологических условиях. Принятая концепция изменения сдвиговой прочности в зависимости от деформированного состояния позволяет учесть кинематику процесса нарушения устойчивости грунтов по площадкам скольжения как в случае статического, так и вибродинамического загружения. На примерах, приведенных в работе, показана эффективность предложенной методики расчета обеспечения надежности потенциально опасных оползневых и подпорных сооружений.

Актуальность проблемы. Особенности геологических условий г. Алматы и области таковы, что наиболее предпочтительная для строительства территория расположена у подножья склонов в устьях рек Большая, Малая Алматинка, Весновка, Аксайка и др., где у поверхности земли преимущественно преобладают аллювиально-пролювиальные отложения, представленные валуногалечниками с включениями супесей, суглинков или песков. Эти грунты в сейсмическом отношении наиболее благоприятны, являются хорошим основанием, но распространены в основном в центральной части города. Ниже от подножья территории сформированы делювиальными суглинками и супесями, часто водонасыщенными, что представляет собой слабое основание, особенно в условиях сейсмики. Области сводово-глыбовых возвышенностей и хребтов (среднегорья и низкогорья) имеют весьма широкое распространение и представлены преимущественно грубообломочными породами с песчано-глинистым за­полнителем, перекрытые с поверхности желто-бурыми или светло-серыми лёссовидными суглинками и супесями, мощностью 10 - 20 м.

В связи с этим строительство в центре города в стесненных условиях, особенно глубоких котлованов (более 5-7 метров), приводит к необходимости изучения физико-механических свойств крупнообломочных грунтов для разработки комплекса мероприятий по обеспечению устойчивого состояния их склонов. Отсутствие свободных территорий в черте города и привлекательные природные условия пригорода спровоцировали интенсивный рост индивидуального строительства в горных районах. Последовавшая за этим подрезка или срезка склонов нарушили существовавший водновлажностный режим грунтов, формирующих склон, и привели к необходимости изучения их сдвиговой прочности с учетом природного строения и минералогического состава. Этим подтверждается актуальность темы.

Цель диссертационной работы заключается в решении научно технической проблемы повышения надежности методов расчета устойчивости откосов и склонов грунтовых массивов, а также бортов глубоких котлованов по первой группе предельного состояния. Цель работы достигалась путем комплексного изучения механических характеристик грунтов, формирующих грунтовые массивы в лабораторных и полевых условиях и разработке усовершенствованной методики расчета коэффициента устойчивости, учитывающей деформированное состояния склона или бортов выемок в процессе эксплуатации. Проверка целесообразности внедрения этих предложений показана на некоторых практических примерах.

Для достижения поставленной цели, сформулированной в названии работы, необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести всесторонний анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований рассматриваемого вопроса. Выявить существующие между ними несоответствия, наиболее актуальные на сегодняшний день. Наметить способы выявления этих несоответствий.
   
2. Разработать конструкцию и выполнить приборы, необходимые для измерения любой компоненты нормальных и касательных напряжений и линейных деформаций грунтового образца. Оценить надежность значений, полученных на этих приборах в условиях сложного напряженного состояния и получить соответствующие графические зависимости. Для этих целей необходимо было создать сдвиговые приборы с контролем фактического нормального напряжения в области сдвига или приближенной к ней, горизонтального сдвигающего усилия, с регулируемой скоростью сдвига, с камерой для испытания глинистых, песчаных и крупнообломочных грунтов. Приборы предназначены для испытания грунтов в статическом и динамическом режимах нагружения. Разработать соответствующую методику обработки результатов, позволяющую повысить точность определения параметров прочности исследуемых грунтов и составов.
   
3. Используя существующие и нетрадиционные методы, получить достаточное количество сведений о прочностных характеристиках исследуемых глинистых и крупнообломочных грунтов и их смесей, установить характер изменения зависимостей, связывающих напряжения и деформации.
   
4. Выполнить достаточный объем экспериментальных исследований различных видов песчаных, глинистых, крупнообломочных грунтов и их смесей, с тем, чтобы на их основе выявить основные закономерности формирования прочностных свойств в зависимости от начальной плотности, минералогического состава и крупности фракции грунтов, что будет необходимо и достаточно для оценки результатов решения рассматриваемых задач аналитическими методами.
   
5. Использовать полученные закономерности (п.4) для более объективной оценки напряженно-деформированного состояния массива. Полученные данные достаточны для рассмотрения моделей массивов грунта в виде линейно-деформируемой среды, упругопластической модели и модели с разупрочнением грунта.
   
6. Сопоставление результатов, полученных в п.п. 4 5 позволяет наметить пути совершенствования перечисленных выше моделей, характеризующих соотношение между напряжениями и деформациями в связных и крупнообломочных грунтах, также разработать инженерные методы расчета по обеспечению устойчивости откосов и склонов и надежной работы подпорных сооружений.
   
7. Выполнить достаточный объем экспериментальных исследований глинистых грунтов динамической пульсирующей нагрузкой в наиболее характерных диапазонах изменения частоты и амплитуды. Получить закономерности влияния динамической составляющей на параметры прочности грунтов. Разработать методику, позволяющую использовать полученные параметры в инженерных методах расчета устойчивости откосов и склонов, подверженных динамическому действию нагрузок.
   
8. Полученные данные предполагается использовать в проверочных расчетах по первой группе предельных состояний в задачах по устойчивости откосов и склонов, подверженных как статическим, так и динамическим нагрузкам. Это реализовано посредством введения различных соответствующих корректирующих коэффициентов в методы расчета устойчивости откосов и склонов.
   

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Дана комплексная оценка изменчивости физико-механических характеристик основных видов геологических отложений, формирующих наиболее активно застраиваемые территории Алматы и Алматинской области. На основе анализа архивных материалов прошлых лет показано, что для однотипных грунтов значения характеристик сильно разнятся и во многом определяются историей образования и формирования грунта.
   
2. Получены закономерности, раскрывающие характер формирования напряженно-деформированного и предельного состояния грунта при сдвиге на основе данных изучения пиковой и остаточной прочности для основных минеральных компонентов глинистого грунта в виде каолинита и кварцевого песка, а также их смесей, представляющих исскуственный грунт.
   
3. Разработан метод определения коэффициента устойчивости с учетом развития деформаций склона или начальных подвижек борта котлована и формирования оползневого давления, в котором в полной мере использованы закономерности, раскрывающие характер формирования напряженно-деформированного и предельного состояния при сдвиге.
   
4. Установлено путем анализа методов расчета устойчивости массивов, что одной из основных причин количественных различий между строгими математическими методами и практическими данными является сложность инженерно геологических условий. Она проявляется в неоднородности строения массива, природных свойствах грунта, а также необходимости строгого учета изменчивости этих свойств в период развития оползневых процессов.
   
5. Разработан пошаговый метод определения коэффициента устойчивости деформируемых склонов и бортов глубоких котлованов, отражающий изменение свойств грунта в период формирования и развития оползня, учитывающий кинематику движения частиц и формирования наиболее опасной площадки сдвига.
   
6. Установлено, что динамическое воздействие приводит к некоторым изменениям прочностных свойств грунтов по сравнению со статическими. Для сыпучих грунтов в сухом состоянии наблюдается незначительное уменьшение сопротивления сдвигу, при этом влияние динамического воздействия больше сказывается на сцепление (зацепление) грунта, чем на изменение угла внутреннего трения.
   
7. Получено, что для суглинистого грунта динамическое пульсационное воздействие приводит к изменению напряженного состояния грунта и общую сопротивляемость сдвигу. При этом динамическое воздействие может привести как к снижению, так и к увеличению сопротивляемости сдвигу, что определяется видом внутренних связей между частицами.
   
8. Изучены процессы формирования сопротивления сдвигу крупнообломочных грунтов различной фракции и смесями их компонентов в зависимости от вида и состава каркасной части грунта и заполнителя.
   
9. Предложена таблица, позволяющая корректировать прочностные свойства крупнообломочных грунтов в зависимости от процентного содержания включений или заполнителями и позволяющая учитывать совместность их работы при формировании сопротивляемости сдвигу грунтовых массивов из крупнообломочного грунта фракций до 20мм включительно.
   

Научные положения (результаты), выносимые на защиту:

• результаты по систематизации инженерно-геологических условий образования, литологического строения и распространения грунтов, формирующих горные и предгорные склоны Заилийского Алатау; качественного и количественного изменения их физико-механических характеристик при действии различных техногенных факторов, изменении водно-влажностного состояния и динамического воздействия;
  
• результаты исследований по определению пикового и остаточного сопротивления сдвигу глинистых грунтов и основных грунтообразующих компонентов типа каолинита, кварца и их смесей, представляющих модели различных видов глинистых грунт;
  
• результаты исследований по определению пикового и остаточного сопротивления сдвигу крупнообломочного грунта фракции до 20мм; смеси отдельных фракций крупнообломочного грунта при их различных процентных соотношениях;
  
• результаты испытаний модели крупнообломочного грунта в виде металлических шариков диаметром 5, 10, 20 мм по кинематической схеме разрушения до получения остаточного или установившегося сопротивления сдвигу;
  
• результаты определения пиковой и остаточной прочности крупнообломочных грунтов при действии различных значениях частоты и амплитуды динамической нагрузки;
  
• результаты определения сопротивления сдвигу глинистых грунтов при различных значениях амплитуды вибрационного воздействия с повторным сдвигом обоймы прибора;
  
• методику определения коэффициента устойчивости откосов, склонов и бортов глубоких выемок, учитывающего частично деформированное состояние грунтового массива и имеющего начальную деформацию, стабилизировавшуюся во времени;
  
• данные, позволяющие корректировать прочностные свойства крупнообломочных грунтов в зависимости от процентного содержания включений или заполнителями. Данные приведены в виде таблицы, позволяющей учитывать совместность их работы крупнообломочного грунта фракций до 20мм включительно при формировании сопротивляемости сдвигу грунтовых массивов.
  

Практическая ценность работы:

• обобщены и систематизированы материалы по изучению инженерно-геологических условий образования, залегания и определения строительных свойств грунтов в различных регионах г. Алматы и Алматинской области (для использования при составлении нормативных документов по проектированию противооползневых мероприятий на потенциально опасных склонах и откосах);
  
• получены экспериментальные и теоретические данные, которые увеличивают представления о природе формировании прочности в глинистых и крупнообломочных грунтов и об устойчивости грунтовых массивов;
  
• предложен метод определения коэффициента устойчивости, который позволяет приблизить методику расчета к фактически происходящему процессу развития оползневых деформаций при нарушении устойчивости склонов и откосов. Метод использован при расчетах устойчивости и разработке рекомендаций по дальнейшей надежной эксплуатации более десяти объектов по Алматы и Алматинской области;
  
• предложена методика определения параметров прочности крупнообломочных грунтов, позволяющая получить значения угла внутреннего трения и сцепления, отражающие свойства не только заполнителя, но и его совместную работу с включениями до 20мм;
  
• установлено, что воздействие вибродинамической вертикальной нагрузки приводит к изменению сопротивляемости сдвигу грунтов. Действие динамической нагрузки на сыпучие грунты приводит к некоторому снижению сопротивления сдвигу, что можно в основном объяснить изменением напряженного состояния. Динамическое воздействие на глинистые грунты также приводит к изменению сопротивления, как в сторону уменьшения, так и к увеличению. Такое изменение сопротивляемости сдвигу следует объяснить изменением напряженного состояния, которое будет зависеть от типа внутренних связей между частицами, от важности и параметров динамического воздействия;
  
• результаты работы внедрены в учебный процесс КазГАСА, КазАТК, КУПС, КазНТУ и используются в курсовом и дипломном проектировании.
  

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы и внедрены:

• при проектировании и разработке противодеформационных мероприятий склонов горы Кок-Тюбе; при стабилизации состояния склонов горы в ущелье Бутаковка при строительстве коттеджного городка; при стабилизации склонов в ущелье Ремизовка; при строительстве комплекса лыжных трамплинов;
  
• для стабилизации бортов котлованов при разработке грунта под строительство подземного многофункционального общественного центра «Алмалы» в г.Алматы, котлована многоярусной подземной автостоянки Комплекса жилых и офисных зданий по ул. Ганди, реконструкции стадиона «Динамо» и др.;
  
• при уточнении расчетных параметров грунтов при строительстве метрополитена в г. Алматы;
  
• при разработке республиканских строительных норм и правил, практических рекомендаций, технических условий и др. документов, регламентирующих исследования, изыскания, проектирование и устройство противодеформационных мероприятий в сложных геологических условиях;
  
• при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов специальности «Строительство» в образовательном процессе КазГАСА, КазАТК, Каз ПТИ.
  

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются: применением основных положений и моделей классической механики грунтов, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, требованиям строительной практики, их корректной постановкой, обоснованными критериями оценки, использованием современных измерительных приборов и оборудования, 3-6 кратной повторяемостью одноименных опытов, данными статистической обработки результатов, совпадением полученных данных с результатами испытаний других авторов и совпадением результатов расчета с опытными данными, применением численных методов расчета методом конечных элементов с использованием программ PLAXIS 8.2, Лира 9.4 и др. и подтверждается опытом успешной эксплуатации зданий и сооружений, где были реализованы основные положения и рекомендации данной работы.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задачи исследования, выполнении теоретических и экспериментальных исследований механизма формирования сдвиговой устойчивости грунтов глинистых и крупнообломочных грунтов различного гранулометрического и минералогического состава; разработке научных основ расчета устойчивости откосов, склонов и бортов глубоких выемок с учетом их начального деформированного состояния и геологических условий; в составлении практических рекомендаций и формулировке научных выводов; в апробации и реализации предложенной методике расчета обеспечения устойчивости склона и бортов котлованов в проектных, научно-исследовательских и учебных организациях.

Апробация работы. Основная часть содержания работы опубликована в журналах «Основания, фундаменты и механика грунтов» (1983г.), «Гидротехническое строительство» (1984г.), в сборниках трудов «Вестник КАзГАСА», КазАТК, в сборниках научных трудов КазНИИССА и др.

Отдельные разделы работы докладывались на международных конференциях (Атырау - 1998г., Токио (Япония) – 2001г., Алматы – 2004г., Астана - 2005г., С-Петербург – 2006г., Волгоград – 2007г. и др.). Основные публикации, по которым написана диссертация, составляют 66 наименований. Положительные результаты использования полученных данных на объектах г. Алматы и Алматинской области (Кок - Тюбе, площадь Алмалы, трамплин, Бутаковка, Ганди, Метро, Высотремстрой, КазНИИССА) подтверждены соответствующими актами внедрения и справками.

Полнота опубликованных работ. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе и составляющие содержание диссертационной работы, освещены в 56 научных трудах, в т.ч. из Перечня, утвержденного Комитетом по контролю МО РК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных литературных источников из 220 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертации - 258 страниц, включая 110 рисунков и 37 таблиц.

Диссертационная работа проводилась под научной консультацией д.т.н., проф. Жусупбекова А.Ж., которому автор выражает глубокую признательность.

В процессе выполнения работ автор получил полезные советы и большую поддержку от заведующего лабораторией «Основания, фундаменты и микросейсморайонирование» Казахского научно-исследовательского института сейсмостойкого строительства и архитектуры (КазНИИССА) Пустогачева В.А., сотрудников факультета общего строительства Казахкой головной архитектурно-строительной академии, сотрудников кафедры «Строительство» Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность. Определена цель исследований и основные задачи, необходимые для достижения поставленной цели. Также раскрывается научная новизна, основные положения, выносимые на защиту и практическая значимость. Приведена структура и объем диссертации.



Рисунок 1 – Структура диссертации

В первом разделе приведены данные по литологическому строению склонов Заилийского Алатау. Дана характеристика основных типов геологических отложений, формирующих склоны. Выявлены их основные отличия в физических и механических свойствах и особенности геологического строения горных склонов. Изучению этого вопроса посвящены работы М.И.Ломоновича, А.Н.Гирканова, В.П.Бочкарев, И.А.Печеркин, С.Т.Мустафаев, В.А. Аксененко. На основании этих и многих других работ, а также отчетов по инженерно-геологическим изысканиям дана оценка влияния современных геодинамических процессов на развитие оползневых проявлений и изменение строительных свойств грунтов в процессе эксплуатации. Проанализирован минералогический состав основных видов грунтов и изменение влажностного режима в разное время года и изменившейся техногенной ситуации, а также роль сейсмической активностив развитии оползневых процессов на склонах. Рассмотрены некоторые особенности строения крупнообломочных грунтов, влияющие на их прочность и устойчивость. Однако в связи с многообразием грунтовых условий и сложностью геологического строения не имеет определенного однотипного унифицированоого решения. Обзор и анализ существующих методов расчета показал, что в основе всех методов заложены модели, характеризующие предельное состояние грунта традиционно описываемое параметрами прочности: углом внутреннего трения и сцеплением. Алматинский регион относится к районам с повышенной сейсмической опасностью до 10 баллов по шкале MSK-1964. В связи с этим подробно рассмотрена роль сейсмической активности в развитии оползневых процессов. Отмечено, что в сушествующих казахстанских нормах не отражена методика расчета устойчивости откосов при 10-ти бальной интенсивности.

Все рассмотренное выше относится к основопологающим факторам, учитываемым при расчетах на устойчивость грунтовых массивов. Данная проблема имеет достаточно глубокие теоретические проработки и обширный практический материал, краткий обзор которого представлен в главе 2. Изучению этого вопроса, как в странах СНГ, так и в станах дальнего зарубежья посвящены работы многих ученых. Большой вклад в решение этой проблемы внесли ученые: Д.Д. Баркан, Н.А. Цытович, А.К. Бугров, С.С. Вялов, М.Н. Гольдштейн, Н.Я. Денисов, Ю.К. Зарецкий, П.Л. Иванов, Н.Д. Красиков, Н.Н. Маслов, С.Д. Месчан, Г.И. Покровский, А.Н.Богомолов и др. За рубежом хорошо известны работы [39-51]. В нашей стране широко известны работы Ш.М.Айталиева, А.Ж.Жусупбекова, Б.Б.Тельтаева, А.С.Жакулина, Е.С.Утенова, Е.А.Исаханова, [52-57]..

Согласно общепринятой концепции потеря несущей способности происходит, когда под действием нагрузки составляющие компоненты грунта начинают перемещаться по некоторым площадкам, нарушая структуру и сплошность материала. Далее площадки из множества трансформируются в одну , котрая и является критической. Изучая соотношения между нормальными и касательными напряжениями по этой площадке, определяют параметры прочности, которые в процеесе кинематики сдвига имеют пиковые и остаточные значения. В настоящее сремя именно пиковые значения прочности, соответствующие теориям прочности Мора-Кулона, Мизеса-Шлейхера и др. используются в расчетной практике. В тоже время как показали многочисленные исследования пиковая прочность весьма не стабильна и зависит от плотности грунта, тректории нагружения или проведения опыта, грансостава песчаного грунта, зазора между обоймами и др. Остаточная зависит только от минералогического состава. Но расчетах используется крайне редко. В тоже время об использовании остаточной прочности для оценки напряженного состояния говориться в работах Бишопа, Скемптона и др.

Другой вопрос, который исследуется в диссертации – влияние динамического воздействия на сопротивляемость сдвигу грунтов. Следует отметить, что влияние динамического воздействия механическое поведение грунтов – вопрос сложный и многогранный. Зарубежные специалисты Японии, Китая, Америки, Канады и др. стран уделяют этому вопросу много внимания. В бывшем СССР динамикой грунтов начали заниматься с 30-х годов прошлого столетия (Герсеванов, Флорин В.А. Баркан Д.Д. и др.). Большой вклад в решение этой проблемы внесли ученые: Д. Баркан, А.К. Бугров, А.И. Боткин, А.П. Валов, С.С. Вялов, М.Н. Гольдштейн, Н.Я. Денисов, Ю.К. Зарецкий, П.Л. Иванов, В.Д. Казарновский, Н.Д. Красников, А.Л. Крыжановский, Н.Н. Маслов, М.В. Малышев, С.Д. Месчян, Г.И. Покровский, О.А. Савинов, И.А. Савченко, Л.Р. Ставницер, Н.А. Цытович и др. В Казахстане данной проблемой занимались: Ш.М. Айталиев, Т.Ж.Жунусов, Т.Д. Абаканов, Б.А. Асматулаев, С.М. Биттибаев, Е.А.Исаханов. Многие из них и в настоящее время продолжают заниматься изучением данного вопроса.

Следует отметить, что, если при изучении деформационных характеристик грунтов, а также прочностных параметров песчаных грунтов (в диапазоне ускорений колебаний до 1 g), в условиях динамических воздействий достигнуты определенные успехи, то при оценке прочности песчаных (в диапазоне ускорений колебаний более 1 g) и глинистых грунтов, даже в области действия малых ускорений выводы исследователей самые противоречивые.

Например, в работах, как отечественных, так и зарубежных исследователей причиной уменьшения прочности грунтов при вибродинамических воздействиях считают изменения их параметров прочности (угла внутреннего трения  и сцепления с). Некоторые авторы высказывают мнение, что динамическое воздействие приводит к уменьшению коэффициента трения tg между грунтом и погружаемыми в него телами (опускные колодцы, сваи и т.д.).

Другие исследователи уменьшение прочностных параметров объясняют кратковременным изменением напряженно-деформированного состояния грунта, возникающим при динамических воздействиях. Необходимо отметить, что такие исследования пока немногочисленны, так как сложность определения напряженно-деформированного состояния грунтов (особенно глинистых) в условиях вибродинамического нагружения требует применения качественно нового экспериментального оборудования, сопряженного с ЭВМ.

В условиях динамики закономерности поведения остаточной прочности также изучены очень мало.

В третьей главе описано экспериментальное оборудование, использованное для проведения исследований. В основном это сдвиговые приборы, работающие в условиях статического и динамического нагружения образцов. Приборы прелставляют собой модифицированные установки ВСВ-25 и большой сдвиговой прибор конструкции МИСИ им. Куйбышева.Учитыва недостатки данных приборов в наших приборах выполнены изменения. Прибор позволяет проводить испытания по кинематической схеме нагружения со сдвигаемой нижней обоймой. Перемещение обоймы приводится в движение электродвигателем с планетарным редуктором и поддерживается постоянной во время всего опыта. Скорость движения обоймы может изменяться от 0,5 до 0,01 мм/мин. Конструкция обойм сдвигового прибора изменена в части утолщения боковых стенок обойм и позволяет получать величину относительной деформации образца до 20-25% и более. Для контроля действующего значения нормального напряжения на место нижнего штампа вмонтирована мессдоза конструкции Баранова. Также для автоматизированного считывания информации о значении горизонтального сдвигающего усилия и величины перемещения нижней обоймы предусмотрены тензометрические датчики. Сигналы с датчиков передаются непрерывно и регистрируются соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой. Кроме этого в приборе предусмотрено два датчика типа ИЧ-10 для измерения вертикальных деформаций. Датчики закрепляются на крышку прибора, а ножки индикаторов опираются на штамп. Это позволяет контролировать явления дилатансии и контракции в грунтах.

Характерной особенностью прибора является возможность выполнять сдвиг образца грунта несколько раз при постоянном значении нормального напряжения σ_n.

Для проведения экспериментальных исследований автором использован модифицированный вариант прибора одноплоскостного среза ВСВ-25 конструкции Гидропроекта, общий вид которого показан на рисунке 3.8. В срезных приборах основными конструктивными элементами являются верхняя и нижняя обоймы (1), определяющие своим движением плоскость среза (рисунок 2). Внутри обоймы располагается исследуемый грунт (2), напряженно-деформированное состояние которого определяют значения действующих нормального N и сдвигающего Т усилий.




1 – обоймы сдвигового прибора; 2 – образец грунта; 3 – загрузочная рама; 4 – эксцентрик; 5 – электродвигатель с редуктором; 6 – тензодатчик вертикальной нагрузки; 7 – тензодатчик перемещения нижней обоймы; 8 – тензодатчик горизонтального усилия

Рисунок 2 – Схема сдвигового прибора


В отличие от ранее известных, прибор обеспечивает более равномерное распределение напряжений, действующих в плоскости среза за счет симметричного действия нормальных N и сдвигающих T усилий. Увеличение толщины стенок обойм прибора позволило достигать величины относительной деформации сдвига образца значения равного 27%.




Рисунок 3 – Общий вид рабочего столика прибора


Рабочая схема модифицированного прибора представлена на рисунке 3.8. Для создания вибродинамического нагружения на образец грунта был специально сконструирован эксцентриковый вращательный вибратор с приводом от двигателя постоянного тока марки PJK-25/3. Общий вид вращательного вибратора показан на рисунке 3.8. Изменение расположения эксцентриков на ведомом валу позволяет изменять амплитуду пульсирующей нагрузки. Работа прибора организована в кинематическом режиме (режим управляемых деформаций) с возможностью контроля в любой момент времени как касательных напряжений, так и деформаций сдвига. Скорость сдвига может изменяться от 0,5 до 0,01 мм/мин. Изменение скорости сдвига регулируется изменением силы тока источника питания ВСА-5К.

Поступательное движение нижней подвижной обоймы прибора создается понижающим редуктором МПК-13И-5 через винтовой домкрат. Общий привод системы сдвигающего усилия осуществляется двигателем постоянного тока Д-10АРУ. Общий вид рабочего столика прибора показан на рисунке 3.

При вибродинамическом воздействии частота колебаний регулируется лабораторным автоматическим трансформатором «ЛАТР». Величина частоты колебаний определяется по тахометру. Привод тахометра осуществляется через тросик спидометра, соединенного с ведомым валом вращательного вибратора. Конструкция прибора позволяет создавать частоту вибрации в диапазоне от 0 до 30 Гц.

Прибор обслуживает контрольно-измерительное оборудование (КИО), служащее для контроля и измерения следующих величин: вертикальной нагрузки NN в случае как статического, так и вибродинамического воздействия; горизонтального сдвигающего усилия Т; перемещения обойм прибора U.

Для проведения экспериментальных исследований связных, песчаных и крупнообломочных грунтов фракцией диаметром до 20мм нами использован модифицированный вариант прибора одноплоскостного среза СП-100, общий вид которого показан на рисунке 5.

В отличие от ранее известных, прибор обеспечивают более равномерное распределение напряжений, действующих в плоскости среза за счет симметричного действия нормальных N, сдвигающих T усилий и подвижной нижней обоймы. Увеличение толщины стенок обойм прибора до 20мм позволило достигать величины относительной деформации сдвига образца значения равного 15÷20%.




Рисунок 4 – Общий вид вращательного вибратора


В срезном приборе основными конструктивными элементами являются верхняя и нижняя обоймы (1), определяющие своим движением плоскость среза (рисунок 29). Внутри обоймы располагается исследуемый грунт (2), напряженно-деформированное состояние которого определяют значения действующих нормального N и сдвигающего Т усилий.

Габариты образца грунта в приборе: F = 100 см², h = 7 см;

Прибор позволяет исследовать модели грунта фракциями до 20 мм.




Рисунок 5 - Общий вид сдвигового прибора СП-100


Работа прибора организована в кинематическом режиме (режим управляемых деформаций) с возможностью контроля в любой момент времени как касательных напряжений, так и деформаций сдвига. Скорость сдвига обойм составляла 0,1 мм/мин.





1 – обоймы сдвигового прибора; 2 – образец грунта; 3 – электродвигатель; 4 – сдвоенный понижающий редуктор; 5 – упор; 6 – винтовой домкрат; 7 – динамометр; 8 - блок питания электродвигателя; 9 – индикатор; 10 – тройник; 11 – манометр; 12 – рессивер; 13 – сброс воздуха; 14 – обратный клапан; 15 – компрессор; 16 – шарики по полозьям; 17 - направление сдвига.

Рисунок 6 - Схема модифицированного сдвигового прибора СП-100, позволяющего исследовать фракции грунта диаметром до 20 миллиметров


Поступательное движение нижней подвижной обоймы прибора создается планетарным сдвоенным редуктором с понижающим передаточным числом через винтовой домкрат. Общий привод системы сдвигающего усилия осуществляется двумя двигателями постоянного тока через понижающий редуктор. Общий вид рабочего столика прибора показан на рисунке 6.

Прибор обслуживает контрольно-измерительное оборудование (КИО), служащее для контроля и измерения следующих величин: вертикальной нагрузки N в случае статического нагружения; горизонтального сдвигающего усилия Т; перемещения обойм прибора U.

Для всех приборов создано контрольно-измерительное оборудование разработана методаки проведения и обраю\ботки эксперимента.

В четвертой главе приведены результаты лабораторных испытаний, состоящих из изучения сопротвления сдвигу грунтообразующих минералов, и испытаний суглинков в условиях статического и динамического нагружения.

Петрографическими исследованиями установлено, что определяющим минералом в составе песков является кварц – SiO_2,. Его содержание составляет от 90% до 99%. Представляется, что именно кварц должен определять предельные значения, соответствующие остаточной прочности песчаного грунта. Глинистые породы сформированы в основном из глинистых минералов, таких как каолинит, монтмориллонит, гидрослюд и др. Таким образом, видно, что основными минералами, образующими данную глину являются каолинит и кварц , образующие смесь в различных процентных соотношениях.

Рис. 7 Минералогический состав песчаного грунта	Рис.8 Минералогический состав глинистого грунта

Несмотря на то, что многие исследователи сошлись во мнении, что прочность грунтов во многом определяется их минералогическим составом практических данных по изучению прочности основных грунтообразующих минералов недостаточно.

В связи с этим были проведены исследования по определению пикового и остаточного сопротивления кварцевого песка фракции 2-1мм, 1-0,5мм, менее 0,5мм, каолинита в воздушно сухом состоянии, и трех составов смесей кварцевого песка фракции менее 0,5 мм и каолинита: смесь 1 - песок 75% каолинит 25%; смесь 2 - песок 50% каолинит 50%; смесь 3 - песок 25% каолинит 75%.

Каолинит также исследовался в виде порошка. Далее испытывался композитный грунт, образованный следующими составами: кварц 25% - каолинит 75% (П-К 25-75); кварц 50% - каолинит 50% (П-К 50-50); кварц 75% - каолинит 25% (П-К 75-25).

Целью данного эксперимента является установить насколько минералогический состав влияет на формирование параметров прочности грунтов. Как изменяются пиковое и остаточное сопротивление для разных составов смесей.

Полученные результаты показывают, что для порошка каолинита зафиксированы пиковое и остаточное сопротивления сдвигу. Предельное состояние каолинита характеризуется параметрами прочности, которые приведены в таблице ниже.

Таблица 1

Параметры прочности каолинита

	Угол внутр трения, град	Сцепление, кПа
Пиковая прочность	30.5	13.9
Остаточная прочность	26.7	6.83

В результате опытов получено, что пиковая прочность материала характеризуется углом внутреннего трения φ_пик=30,5º, а сцепление равно с_пик=13,9кПа. Остаточная прочность имеет значение φ_ост=26,7º, тогда как сцепление равно с_ост=6,8кПа, рис .4. Согласно данным других авторов [2,3] известно, что угол внутреннего трения составляет φ_пик=20º-21,5º , а сцепление примерно с_пик=2,0кПа. Угол внутреннего трения, характеризующий остаточную прочность, составляет φ_ост=14-15º. Такое отличие объясняется разной влажностью исследуемых образцов. Поэтому для сравнения возьмем среднее значение φ_пик=26º и φ_пик=21º. Величину сцепления, в связи с отсутствием дополнительных данных, оставляем без изменения.


Обопщенные значения результатов испытаний приведены в таблице ниже.

Таблица 2

Сравнительная таблица результатов испытаний минералов и их смесей

Смеси	Кварц фракция 2-1мм	Кварц фракция 1-0.5мм	Кварц фракция менее 0.5 мм	ПК 7525	ПК 5050	ПК 2575	Каолинит
Пиковые значения
Угол внутреннего трения, град	59.4	53.5	45.2	35.5	29.44	27.2	26
Сцепление, кПа	68.3	16.3	63	18.1	2.48	35.6	13.9
Остаточные значения
Угол внутреннего трения, град	39.9	43.1	44.8	35.5	26.3	26.6	21
Сцепление, кПа	66.5	3.5	20.25	9.96	4.41	25.6	6.83

Рисунок 9. Изменения сцепления и угла трения в зависимости

от вида минерала и смеси (пиковые значения)




Рисунок 10. Изменения сцепления и угла трения в зависимости

от вида минерала и смеси (остаточные значения)


Проведенные исследования и их сравнительный анализ петрографического состава позволяет утверждать, что для песков основным образующим минералом является кварц SiO₂, которого в песках содержится более 99%. Для глинистого грунта основными образующими являются глинистый минерал каолинит, которого содержится до 58% , далее кварц 35% и прочие.

Испытаниями в сдвиговом приборе подтверждено, что, сопротивление сдвигу грунтообразующих минералов характеризуются пиковыми и остаточными значениями. Причем при переходе от рыхлого обломочного грунта к каолиниту пиковые значения угла внутреннего трения почти плавно изменяются от 60º до 30º. Сцепление меняется скачкообразно и явных зависимостей отмечено. но общая тенденция уменьшения сохраняется.

Остаточное сопротивление характеризуется незначительным диапазоном изменения угла внутреннего трения. Для кварца разной фракции φ_ос изменяется на 4º. Для смесей наблюдается плавное понижение в зависимости от уменьшения содержания минерала кварца. При содержании каолинита 50% и более изменения угла внутреннего трения незначительно в пределах в пределах 4-5º. Однако при этом интенсивно увеличивается сцепление.

Результаты испытаний суглинков (г.Кок Тюбе, г.Алматы). Приведенные ниже исследования глинистых грунтов выполнены в двух режимах нагружения вертикальной нагрузкой: статическом и динамическом. Испытания проводились в приборах ВСВ 25, описанных в главе 3. Природная влажность W, пределы пластичности – W_L и W_p, а также плотность  грунтов ненарушенной (природной) структуры определялись в соответствии с ГОСТ 5180-96 [115]. Плотность твердых частиц грунта _s была принята по средним значениям [116] для суглинка – 2,71 г/см³.

Видно, что испытывались суглинки мягкопластичной, тугопластичной и полутвердой консистенции с физическими параметрами, изменяющимися в диапазонах:

влажность W – 0,185-0,252;

плотность  – 1,79-1,98 г/см³;

число пластичности J_p – 0,090-0,113;


Испытания грунта статической нагрузкой проведены при нормальном напряжении 100, 200 и 300кПа. Величина деформации образца составила в опытах не менее 15мм с последующем повтором сдвига.

Испытания динамической нагрузкой также проведены при нормальном напряжении 100, 200 и 300кПа. Величина динамической составляющей составила соответственно примерно 20, 15 и 10% от статического значения. Точная величина изменения вертикальной нагрузки определялась по записям на осциллограмме.

Рисунок 11 = График зависимости между абсолютной деформацией

и касательным напряжением (грунт №22-26)


При изучении поведения параметров прочности в условиях вибродинамического нагружения в срезном приборе предполагалось, что состояние предельного равновесия выполняется на площадках скольжения, ориентированных в соответствии с кинематическими условиями деформирования. Вместе с тем, при обработке данных за основу принято условие, что определение фактического напряженно-деформированного состояния производится с учетом амплитудного изменения нормального напряжения.





Рисунок 12 - Диаграмма предельного состояния (грунт №22-26)


Уравнение предельного равновесия при трактовке испытаний грунтов на срез имеет вид:

(1)


где _{n ср} – среднее за период значение действующего нормального напряжения;

_n – амплитудное изменение нормального напряжения;

_к и с_к – параметры прочности, соответствующие условию сухого трения Кулона;

_i − коэффициент, характеризующий запаздывание изменения внутренних связей грунта при динамике, который может изменяться от –1 до +1.

Рисунок 13 – Вид зависимости изменения нормального

напряжения при сдвиге.

Физический смысл данного коэффициента в том, что действие вибрации накладывает дополнительное влияние на напряженное состояние образца грунта и приводит к изменению напряжений по высоте образца. Представляется, что периодически повторяющееся вибрационное воздействие формирует в образце грунта напряжения, которые за период вибронагружения по величине отличаются от среднего. Поэтому при обработке данных эксперимента очень важно правильно и точно установить значение нормального напряжения, действующего в образце грунта при вибрации. Значение коэффициента также определяется видом и состоянием грунта.

Полученные выше данные наглядно свидетельствуют, что в случае вибродинамического воздействия учет напряженного состояния грунта обязателен. Это позволяет более точно определять параметры прочности глинистых грунтов, соответствующие остаточному сопротивлению сдвигу и более корректно проанализировать закономерности их изменения.