Влияние поверхности нагружения на напряженно-деформированное состояние глинистого грунта нарушенной структуры

2/2010 ВЕСТНИК

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА НАРУШЕННОЙ

СТРУКТУРЫ

Я. А. Пронозин Р. В. Мельников

ТюмГАСУ

Рассматриваются особенности поведения глинистого грунта нарушенной структуры в зависимости от формы нагружающей поверхности. Представлены результаты лотковых экспериментов характеризующие напряженно-деформированное состояние грунтового основания в виде мягкопластичного суглинка нагруженного плоским и выгнутым вверх круглыми жесткими штампами.

The features of the behavior of the clay soil disturbed structure depending on the shape of the loading surface were considered. The results of the gutter experiments characterizing the stress-strain state of the subsoil in the form of softplastic loam loaded flat and curved-up circular stamp were presented.

Известно, что фундаменты в виде оболочек при прочих равных условиях имеют меньшие осадки, в среднем на 20%, по отношению к плитным фундаментам с плоской подошвой, что объясняется благоприятным распределением контактного давления на грунт по поверхности сопряжения фундамента и основания [2]. Однако возможные формы поверхностей фундаментов-оболочек настолько разнообразны, как по геометрическому, так и по конструктивному признаку, что не могут не отличаться во взаимодействии с грунтовым основанием. На наш взгляд, эффект повышения несущей способности и снижения деформативности основания наиболее выражен для выгнутых вверх поверхностей. Так, при формировании выгнутой вверх поверхности фундамента, нормальные контактные напряжения ориентируются и концентрируются в области оси симметрии нагружаемой площади, а контактные силы трения направлены по образующей кривой.

Для изучения особенностей напряженно-деформированного состояния грунтового основания, нагруженного выгнутой вверх контактной поверхностью фундамента, были проведены модельные экспериментальные исследования.

В качестве грунтового основания использовался мягкопластичный суглинок нарушенной структуры (табл.1). В качестве модельных фундаментов использовался плоский жесткий штамп №1 и штамп с криволинейной выгнутой вверх поверхностью №2. Очертание выгиба принималось круговым. Радиус кривизны поверхности -150 мм. В плане штампы представляли собой половину круга, что диктовалось условиями проведения экспериментов. Эксперименты проводились в специально сконструированном лотке, с прозрачным оргстеклом, находящимся в диаметральной плоскости симметрии испытываемых штампов [1]. Перемещения фиксировались марками, расположенными через каждые 20 мм по вертикали и горизонтали. Нагружение моделей проводилось штоком установленным в точке центра тяжести сечения штампов в плане.

Таблица 1

Физико-механические свойства грунта_

Физические свойства Механические свойства

Влажность естественная w, д.ед Число пластичности Ip, д.ед Показатель текучести I Плотность грунта р, кН/м3 Коэффициент пористости e Степень влажности Sr Модуль деформации Е, МПа Угол внутреннего трения р, градусы Удельное сцепление с, МПа

0,280,30 0,15 0,60-0,67 18,87-19,4 0,8-0,87 0,94-0,96 7,8-8,1 16,4-18 0,019-0,021

Программой экспериментов предусматривалось измерение осадки штампов, измерение вертикальных, горизонтальных и общих перемещений точек основания. Изолинии перемещений построены в программе Surfer, на основе данных фотофиксации. Для надежности результатов каждый штамп испытывался трижды. На графиках приведены осредненные результаты экспериментов.

Осадка криволинейного штампа на последней ступени нагружения (рср=175 кПа) составила 28,11 мм, что составляет 54% от осадки плоского штампа равной 52,15 мм (рис. 1). Кривые осадки имеют выраженную нелинейность даже на начальном этапе нагружения из-за отсутствия структурной прочности характерной для грунтов нарушенной структуры. На начальном этапе нагружения рср<50 кПа осадки штампов практически одинаковы. При дальнейшем нагружении осадка плоского штампа растет гораздо быстрее осадки криволинейного штампа, что сохраняется вплоть до последней ступени нагружения.

рср, кПа г

О Я) 1Ш 150 20(1 д И _Г

Рис. 1. Графики осадки штампов. Рис. 2. Вспомогательный чертеж.

2/2010 ВЕСТНИК

_2/2°то_мгсу

Параметры деформированного состояния грунтового основания определялись по изолиниям вертикальных и радиальных перемещений. Параметры напряженного состояния определялись по линейным и сдвиговым относительным деформациям (рис. 2) с использованием модуля деформации грунта.

Относительные линейные деформации сетки наблюдаемых марок вычислялись по следующим формулам:

dw dv (1Н--) dz - dz , (1Н--) dr - dr , ~ ~

c)7 dw y Pjr dv aw ov

sz=— ^-= ~r; ^r =-^^-=-T; Xrz =a+p =—+—

dz dz dr dr or oz

Изолинии относительных деформаций в основании штампов приведены на рисунках 3, 4, 5. Данные изолинии построены в программе Surfer по результатам оценки деформированного состояния сетки грунтовых марок и приведенным зависимостям (1).

Рис. 3. Относительные деформации е2 по оси плоского и криволинейного штампов

Рис. 4. Относительные деформации £г по оси плоского и криволинейного штампов

Рис.5. Деформации сдвига уГ2 по оси плоского и криволинейного штампов

Характер изолиний вертикальных относительных деформаций для плоского и криволинейного штампов в общих чертах совпадает (рис. 3). При этом абсолютные значения в контактной зоне плоского штампа практически в два раза превышают подобные значения для криволинейного штампа. В обоих случаях на глубине 0,67Б (Б - диаметр штампа) под центром штампов образуются локальные зоны концентрации , однако абсолютные значения отличаются в пять раз. Глубина распространения вертикальных деформаций для плоского штампа в два раза больше. Необходимо отметить, что шаг изолиний на глубине до 0,25Б для криволинейного штампа чаще, что свидетельствует о большей плотности формирующегося под штампом грунтового ядра. Это объясняется сдерживанием горизонтальных перемещений грунта в основании, из под площади нагружения.

Характер горизонтальных изолиний относительных деформаций £г, размер их

зон и абсолютных значений на последней ступени нагружения, при рср = 150кПа , для основания загруженного криволинейным штампом, соответствует очертанию ег для плоского штампа при рср = 75кПа (рис. 4). При рср = 150кПа в основании плоского штампа, на глубине 1Б образуются локальные зоны концентрации ег, что для криволинейного штампа не характерно. Наличие этих зон не соответствует решению теории упругости и вызвано расклинивающим действием грунтового ядра под штампом при значительных осадках на последних ступенях нагружения.

Сдвиговые деформации уГ2 в основании загруженном штампом с плоской подошвой, формируются под краями штампа, практически по вертикали (рис. 5). Согласно решения теории упругости формирование и развитие сдвиговых деформаций происходит также под краями штампа, однако под углом к!4. На последней ступени нагружения, развитие экспериментальных значений сдвиговых деформаций уГ2 происходит на глубину равную диаметру штампа.

Существенное отличие в направлении развития сдвиговых деформаций для теоретического решения и эксперимента заключается в появлении и развитии зон

2/2010 ВЕСТНИК _2/20™_МГСУ

пластических деформаций (разрушения грунта) под краями штампов. Из-за сдвигов в основании под краевыми зонами, нарушается вовлечение в совместную работу и силовое взаимодействие реализуемое за счет сил трения и сцепления между нагруженным и не нагруженными участками основания.

Сдвиговые деформации уГ2 в основании криволинейного штампа направлены под углом 310 к вершинам. Это объясняется большей распределительной способностью грунта ввиду отсутствия или малости пластических сдвигов под краями криволинейного штампа.

Используя заданный модуль деформации основные компоненты напряженного состояния грунтового основания определялись по формулам:

ег  Е + Е

1 -м2

Характер изолиний напряжений в грунтовом массиве а2,аг,тГ2 во многом повторяет распределение соответствующих относительных деформаций ,ег и в статье не приводится.

Для сравнения появления и развития пластических зон в основании в зависимости от формы нагружающей поверхности, на основании критерия появления пластических деформаций построены области предельного состояния грунта.

Определение зон пластических деформаций производилось по условию нарушения равенства (2) [3].

Sin2 )2 + ^ 2

(аг +а2 + 2 • с • ег%ф) Пластические деформации в тонком контактном слое плоского и криволинейного штампов связаны с переуплотнением грунта в этой зоне (перемятием).

Развитие зон пластических деформаций (разрушения грунта) для основания нагруженного штампом с плоской подошвой хорошо согласуется с классическими представлениями механики грунтов. На начальных ступенях нагрузки пластические деформации возникают под краями штампа (рис. 6, а). С ростом нагрузки происходит развитие этих зон под краями штампа и появляется зона пластических деформаций под центром штампа на глубине 0,67D-0,8D. На последних ступенях нагружения зоны пластических сдвигов стремятся соединится (рис. 6, в), что характеризует значительную осадку штампа.

Для штампа с криволинейной поверхностью появление зон пластических сдвигов под краями не зафиксировано (рис. 6, б). Хотя очевидно, что они должны образоваться в месте контакта остроконечного края штампа с грунтом, в силу значительной концентрации давления в данной зоне. Отсутствие пластических зон под краями криволинейного штампа полученных расчетным путем на основе анализа деформирования элементов сетки объясняется их малой величиной по отношению к размеру сетки - 20x20мм. Пластическая зона под центром нагружаемой площади для основания криволинейного штампа также отсутствует.

Выполненные экспериментально-теоретические исследования позволяют сделать следующие выводы:

форма поверхности нагружения оказывает существенное влияние на поведение грунтового основания под нагрузкой;

по отношению к плоскому штампу выгнутая вверх криволинейная форма позволила вдвое уменьшить глубину сжимаемого слоя основания в виде мягкопластичного суглинка нарушенной структуры и в 1,86 раза конечную осадку штампа;

в основании нагруженном криволинейным штампом зоны пластических деформаций малы и не зафиксированы примененной методикой, в отличие от основания плоского штампа в котором пластические области образовались на начальных ступенях нагружения, развивались с ростом нагрузки и практически соединяются в единую область на последних ступенях нагружения.

эффект снижения осадки и отсутствие развитых областей пластических деформаций в грунтовом основании штампа с криволинейной поверхностью объясняется ограничением горизонтальных перемещений грунта из под площади нагружения, что в свою очередь обусловлено "центростремительным" направлением нормальных контактных напряжений и полным отсутствием горизонтальных перемещений грунта в контактной зоне.

-¡«o -loo о -too iw

Рис.6. Зоны пластических деформаций по оси плоского и криволинейного штампа при

нагрузке p = 50кПа и pcp = \50кПа

2/2010 ВЕСТНИК

Таким образом, в условиях требующих снижения осадки строящегося объекта, что актуально для строительства на слабых, сильносжимаемых грунтах, могут быть применены фундаменты в виде плит или оболочек с выгнутой вверх криволинейной поверхностью.

Литература

1. Ашихмин, О.В. Взаимодействие плитно-ребристых фундаментов на свайных опорах с глинистым грунтом основания: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.02/ О.В. Ашихмин; ТюмГАСУ. - Тюмень, 2008. - 24 с.

2. Горбунов-Посадов, М.И. О совместной работе оснований и сооружений/ М.И. Горбунов-Посадов, С. С. Давыдов// Генеральные доклады VIII Международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению. - Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1975. - С. 192.

3. Егоров, К.Е. Начальная критическая нагрузка на грунт в случае круглого фундамента/ К.Е. Егоров, Т.И. Финаева// Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1984. - №6. -С. 2627.

Ключевые слова: штамп, осадка, горизонтальное перемещение, линейные деформации, сдвиговые деформации, напряженное состояние, активная зона, пластические деформации.

Keywords: stamp, settlement, horizontal displacement, linear deformation, shear deformation, stress, active zone, plastic deformation.

Рецензент: Мангушев Рашид Александрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой Геотехники СПбГАСУ.

e-mail авторов: pronozin@tgasu.ru, rm72@rambler.ru