Экспериментальные исследования развития деформаций формоизменения в грунтовом основании фундаментов больших площадей

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

УДК 624.131

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ В ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ ФУНДАМЕНТОВ

БОЛЬШИХ ПЛОЩАДЕЙ

© 2011 г. А.И. Субботин

Южно-Российский государственный South-Russian State Technical

технический университет (Новочеркасский University (Novocherkassk

политехнический институт) Polytechnic Institute)

Рассматриваются результаты экспериментальных исследований деформаций формоизменения грунтового основания в краевой зоне модели фундамента при действии полубесконечных нагрузок, определения на их основе дилатансионных характеристик грунта.

Ключевые слова: деформация грунтов; грунты и основания; дилатансия; экспериментальные исследования; дистанционные преобразователи.

In article results of experimental researches of deformations the soil basis in a regional zone of model of the base are considered at action of semi-infinite loadings, definitions on their basis lilatansion ground characteristics.

Keywords: deformations of the soil; soil; dilatansion; experimental researches; remote converters.

Проведение экспериментальных исследований сложно тем, что производится или на натурном объекте, или на модели. В любом случае получение какой-либо информации связано с большими затратами по устройству объекта или изготовлению модели, применением дорогостоящих приборов и материалов, выбором технологии и средства проведения эксперимента. Именно поэтому результаты экспериментальных исследований так скрупулезно изучаются исследователями, так как являются ценнейшим банком данных в развитии теории расчетов.

Проведение экспериментальных исследований преследует несколько целей. Главной целью таких исследований является создание на модели реальной картины взаимодействия сооружения и грунтового массива. После этого можно говорить, что полученные в результате эксперимента данные о напряженно-деформированном состоянии (НДС) основания являются отражением процессов, протекающих в основании сооружения.

Развитие деформаций в грунтовом массиве является сложным физико-механическим процес-

сом, изучение которого постоянно привлекает экспериментаторов и теоретиков. С развитием техники и методики экспериментов удаётся всё глубже проникнуть в сущность этих процессов и, как результат, использовать эти сведения в развитии теории расчета.

Наибольший интерес вызывает изучение процессов деформирования грунтов в краевой зоне фундаментов, где концентрируются касательные напряжения и сдвиговые деформации, зарождаются зоны пластичности и разрушения структуры грунта, наблюдаются, казалось бы, парадоксальные явления — с ростом нагрузки грунт может уменьшать свою плотность. В случае фундаментов ограниченных размеров в плане явления деформирования грунта в краевой зоне существенно влияют на общую осадку фундамента и устойчивость основания.

Одним из многих проявлений специфики процесса деформирования грунта в краевой зоне основания являются дилатансионные процессы изменения структуры, плотности грунта в результате

развития объёмных сдвиговых деформаций формоизменения иод влиянием девиаторной составляющей напряжённо-деформированного состояния грунта. Явление дилатансии впервые было обнаружено Ш. Кулоном в мемуаре 1777 г. по трению [1] и является основополагающей для объяснения явления трения, упрочнения и дилатансии в грунтах, затем в 1885 г. отмечено О.Рей-нольдсом, и к настоящему времени накоплен обширный материал по изучению объемных деформаций в грунте.

Изучение данных процессов как с теоретической точки зрения экспериментального проникновения в механизм деформирования представляет значительные сложности. Разработка методик непосредственного определения дилатансионных характеристик должна отражать природу дилатан-сионных явлений.

Достаточно системно явление дилатансии изучалось в приборах трехосного сжатия и отражены в трудах Г. М. Ломизе, А. Л. Крыжановского, Ю. К. Зарецкого и др. Возможность исследования образца грунта в приборах трехосного сжатия с независимо регулируемыми траекториями нагру-жения позволило получить обширную информацию о дилатансионных процессах, а также числовые значения коэффициента дилатансии.

Поведение грунта в массиве основания существенно сложнее и отличается от условий нагру-жения образца в камере трехосного прибора. Идея исследования дилатансионных характеристик грунта в опытном грунтовом лотке под моделями фундаментов принадлежит профессору Ю. Н. Мур-зенко. Реализация таких исследований потребовала разработки специальных методик и — самое главное — приборов для непосредственных измерений всех компонент тензора деформаций.

Исследование в массиве грунта, как пространственной системы, впервые выполнено Л. В. Крас-нояруженским под руководством Ю. Н. Мурзенко с участием В. П. Дыбы [2, 3]. Рассматривалась осе-симметричная задача. Эксперименты проводились в лотке с размерами 3,0 х 3,0 х 2,2 м, наполненным зернистым песком в воздушно-сухом состоянии с начальной плотностью 16,5 Н/м3, загруженным жестким штампом диаметром Х=280 мм, с относительным заглублением 0,5. В фиксированных точках массива основания измерялись все компоненты тензора деформаций (в случае осевой симметрии их четыре: е г, ег, е0, ) при помощи тензометричес-ких деформометров. Первые результаты исследований были опубликованы в трудах 10 Европейской конференции по механике грунтов и фундаментос-троению (Италия, Флоренция, 1991 г.) [2].

Обилие косвенных данных о сдвиговых деформациях и, как следствие, о дилатансии грунта, все еще дает общую картину, не позволяю-

щую получить качественные характеристики этого важного процесса. Указанное обстоятельство объясняется отсутствием методик непосредственного измерения сдвиговых характеристик в массиве нагруженного основания.

Используя метод феноменологической теории пластичности, предполагаем [2], что деформации становятся необратимыми. Полная деформация

е = е?- + еР будет включать в себя помимо упругой еУ еще и пластическую еР составляющие,

если достигнут и превзойден предел упругости. Поэтому принятая методика непосредственного определения дилатансионных характеристик в грунте основания базируется на выделении приращений пластической составляющей Ае Р в доле приращения полной объемной деформации Ае, представляющей сумму упругой и пластической составляющих частей приращения деформаций:

Аеи=а4+АеУ,

где Ае-- — приращение полной деформации;

АеУ , АеР — соответственно упругая и пластическая части приращения деформаций.

В качестве исходного принято дилатансионное соотношение, предложенное В. Н. Николаевским [4]:

dеР = Х(с)4Г,

где <еР и — соответственно первый инвариант тензора и второй инвариант девиатора приращений пластических деформаций; X — коэффициент (скорость) дилатансии; % — параметр упрочнения.

Приращения исследуемых деформаций вычислялись по результатам непосредственных измерений в шести проведённых опытах. Для выделения пластической части полных деформаций на-гружение основания осуществлялось ступенями пошаговой нагрузкой—разгрузкой и стабилизацией деформаций на каждой фиксированной нагрузке—разгрузке (рис. 1), что было новым в предлагаемых методах определения дилатансионных характеристик. Первые результаты исследований обобщены в работах [2, 3]. В последующих опытах автором была улучшена методика нагружения с целью повышения точности получаемых значений пластической части приращения тензора и девиатора деформированного состояния грунта в выбранных точках основания при пошаговой нагрузке—разгрузке основания. Эти опыты проводились с песчаным основанием, нагруженным моделью

сплошной фундаментной плиты. Краевая зона основания рассматривалась как соответствующая полубесконечной нагрузке с пригрузкой.

Де

Де,

Рис. 1. Схема пошаговой нагрузки-разгрузки

Небольшое значение величины пошаговой разгрузки должно было обеспечить малое изменение «истории» нагружения. На каждой ступени нагру-жения проводились измерения при помощи автоматизированной тензостанции СИИТ-3 с последующей обработкой на персональном компьютере.

В опытах проводилось измерение шести компонент тензора деформации, поэтому впервые обработка поступающих сигналов производилась с помощью персонального компьютера в реальном масштабе времени, что связано с необходимостью влияния на ход проведения эксперимента в зависимости от результатов оперативной обработки, представляемых, как правило, в виде таблиц и изолиний с различной степенью детализации.

При проведении экспериментальных исследований тензометрические преобразователи сдвиговых деформаций в основании модели фундаментной плиты укладывались в декартовой системе координат по равномерной сетке со стороной а=150 мм (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения преобразователей деформаций в массиве основания

На основании полученных данных в виде изолиний сдвиговых деформаций угу на соответствующих ступенях нагружения выбирались фиксированные точки, в которых измерялись все компоненты тензора деформаций. Выбор фиксирован-

ных точек обусловливался сложностью эксперимента, связанной с пошаговой нагрузкой—разгрузкой, измерением всех компонент тензора деформаций (ег, еу, ех, У^у, Ух, Уху) в каждой из изучаемых точек и необходимостью дублирования измерений.

По результатам опытов были вычислены значения коэффициента дилатансии для семи точек (рис. 3), которые сведены в таблицу для шести ступеней нагружения.

Рис. 3. Схема расположения точек изучения дилатансионных характеристик в толще массива

Скорость дилатансии X, вычисленная по результатам проведенных измерений в характерных точках компонент тензора деформаций, представлена в таблице.

Значения коэффициентов дилатансии

р, МПа Номера точек

1 2 3 4 5 6 7

0,04 0,0821 0,1718 0,0776 0,0534 0,1110 0,0023 0,0359

0,16 -0,0114 0,0904 0,0878 0,0626 0,1789 0,0034 0,0640

0,24 -0,0126 -0,0105 0,1176 0,0832 0,2265 0,0193 0,0704

0,32 -0,0264 -0,0082 0,1602 0,1264 0,3902 0,0370 0,1420

0,48 0,1182 0,1178 0,1721 0,1640 0,4935 0,1072 0,1661

0,60 0,2847 0,2930 0,2344 0,2274 0,5654 0,1248 0,2415

Из таблицы следует, что значение коэффициента дилатансии является переменной величиной по полю краевой зоны основания и изменяется в процессе нагружения (рис. 4).

Отметим, что положительный или отрицательный знак зависит от начальной плотности грунта. Имеется так называемая критическая плотность, при которой дилатансия не проявляется. Если начальная плотность больше критической, то грунт переуплотнен и при сдвиге разрыхляется, т. е. дилатансия будет положительной. Если начальная плотность меньше критической, то грунт недоуп-лотнен и при сдвиге вначале будет уплотнятся (отрицательная дилатансия), а затем, по мере увеличения нагрузки, начнет разрыхляться, вплоть до разрушения. Отрицательное значение коэффициента дилатансии относится к процессу дилатансионного уплотнения при развитии сдвиговых деформаций.

е

+Х

0,7 МПа

Рис. 4. Экспериментальная зависимость % от нагрузки в зоне развитых пластических сдвигов

Положительные значения коэффициента дила-тансии характеризуют разуплотнение песчаного грунта в результате развития сдвиговых деформаций. Наиболее интенсивное дилатансионное разуплотнение наблюдается под краем модели фундамента (точка 5) практически во всём интервале нагрузки. Это согласуется с результатами Ю. Н. Мурзенко и Э. В. Арининой в ранее проведенных опытах по изучению полей плотностей в песчаном основании [5].

С ростом нагрузки в точках 3, 4, 5 наблюдалось повышение значения %. В точке 6 имели место существенно меньшие значения %, что можно объяснить переходом от зоны разуплотнения (3—4—5—7) к зоне уплотнения, которая расположена вправо от точки 6. Изменение знака % в точках 1 и 2 показывает, что с увеличением нагрузки зона разуплотнения от точек 4—3—5 поднимается вверх. На ступени 0,6 МПа значения % в точках 1—4 и 7 достигают примерно равных значений 0,22 и 0,29, что можно объяснить достижением минимальной плотности в краевой зоне песчаного основания в результате развития значительных сдвиговых деформаций.

Выявленные особенности дилатансионных явлений показывают, что у края фундаментной плиты в основании развиваются значительные деформации формоизменения. Как и в опытах [5], выявлена особая зона основания (точка 5), в которой плотность песчаного грунта достигает минимальных значений.

Как отмечалось выше, коэффициент дилатан-сии % зависит от величины параметра упрочнения X, который меняется и по полю осно-Поступила в редакцию

вания и с ростом нагрузки, поэтому X не может быть постоянной характеристикой для определенных участков основания на всем этапе нагружения, что и доказывается экспериментально. Коэффициент дилатансии X является параметром состояния среды основания на определенный момент времени до очередного приложения к ней нагрузки.

Литература

1. Coulomb С. A. Theorie des machines simples-ouvrage conronne par I, Academie Bibl. Ac. Set.— Savints arrangers TX SE 161-133. 1781. I

2. Murzenko Y., Shmatkov V., Krasnojaruzhensky L. Investigation of shear strains and dilatant characteristics in sand base massif // Proceedings of the Tenth European conference on soil mechanics and foundation engineering. Italy Florence, 1991. P. 147-150.

3. Мурзенко Ю. Н., Шматков В. В., Краснояружен-ский Л. В. Сдвиговые деформации и дилатансионные характеристики в песчаном основании при осесим-метричном нагружении // Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований: межвуз. сб. /Новочерк. политехн. ин-т. Новочеркасск, 1993. С. 4-13.

4. Николаевский В. Н. Механика пористых и трещиноватых сред. М., 1984. 232 c.

5. Аринина Э. В., Мурзенко Ю. Н. Исследование пространственного поля плотности песчаного основания под моделями фундаментов// Экспериментальные исследования инженерных сооружений: материалы ко 2-му симпозиуму. Л., 1969.

11 ноября 2010 г.

Субботин Анатолий Иванович — канд. техн. наук, профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел.(8635) 255-4-16. E-mail: subbotin_ai@mail.ru

Sbbbotin Anatoly Ivanovich — Candidate of Technical Sciences, professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Tel. (8635) 255-4-16. E-mail: subbotin_ai@mail.ru_