Учет развития деформаций основания во времени при совместном расчете системы основание-фундамент-здание

Проблематика транспортных систем

39

М. А. Лучкин

УЧЕТ РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЯ ВО ВРЕМЕНИ ПРИ СОВМЕСТНОМ РАСЧЕТЕ СИСТЕМЫ ОСНОВАНИЕ-ФУНДАМЕНТ-ЗДАНИЕ

Как известно, деформации зданий происходят в течение длительного промежутка времени - десятилетий, а иногда и столетий. В то же время, как правило, строительство и производство работ на площадке происходит в течение значительно более короткого промежутка времени. В связи с этим крайне актуальной задачей является оценка скорости развития процессов деформирования основания во времени.

осадка во времени, деформация формоизменения, фундаменты, реология.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

40

Проблематика транспортных систем

Введение

При расчете фундаментных и надземных конструкций учет реального времени развития деформаций основания в сравнении со сроками строительства может привести к значительному изменению расчетных усилий в конструкциях, а иногда и к принципиальному изменению схемы работы конструкции.

Расчету осадок во времени посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей, среди которых можно назвать работы Б. А. Флорина [1], С. С. Вялова [2], З. Г. Тер-Мартиросяна [3], С. Р. Месчяна [4], Ю. К. Зарецкого [5]. В этих работах рассматривается развитие во времени процессов фильтрационной консолидации, а также реологические процессы развития деформаций формоизменения. Однако существовавший до недавнего времени уровень развития вычислительной техники не позволял решать задачи деформирования во времени массива грунта с учетом пространственного характера работы основания и взаимодействия с надземными конструкциями здания.

Поэтому целью данной статьи является разработка методики учета развития деформаций основания во времени при совместной работе основания и надземных конструкций здания. В основу данной методики положена реологическая упруго-вязко-пластическая модель глинистого грунта, обоснованная в работах А. Г. Шашкина и К. Г. Шашкина [6].

Для учета деформирования во времени в данной модели выполняется совместное решение задачи фильтрационной консолидации и упругопластической задачи, основанных на теории пластического течения. Однако одного только решения задачи фильтрационной консолидации оказывается недостаточно для описания деформирования основания во времени. При рассмотрении плоских или пространственных моделей неизбежно добавляется составляющая осадки, связанная с деформациями формоизменения. Поэтому для учета развития сдвиговых деформаций во времени в рассматриваемой модели введен переменный коэффициент вязкости, зависящий от величины касательных напряжений.

Учет нелинейного характера зависимости между сдвиговыми напряжениями и деформациями имеет принципиальное значение при моделировании работы грунта: при напряжениях, достаточно далеких от предела прочности (такая ситуация в большинстве случаев наблюдается в основании сооружений) деформации будут происходить достаточно медленно (в течение десятилетий), что соответствует наблюдаемым на практике малым значениям «мгновенных» деформаций; при приближении к пределу прочности скорости деформации будут резко возрастать - это позволяет описать в рамках той же модели такие относительно быстрые процессы, как осадки при испытании сваи, потери устойчивости откосов, технологические процессы при изготовлении свай и т. п.

Выбор данной модели работы грунта объясняется тем, что она в наибольшей степени отражает представления о работе глинистого грунта, сложившиеся в петербургской геотехнической школе. Однако при практическом применении данной модели для расчета деформаций сооружений во времени необходимы

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

41

корректные исходные величины параметров модели, позволяющие получать результаты, близкие к наблюдаемым в реальности. В связи с этим необходимым шагом является разработка методик получения параметров рассматриваемой модели из лабораторных испытаний грунтов и сопоставление результатов расчетов по рассматриваемой модели с данными лабораторных экспериментов и длительных натурных наблюдений.

1 Лабораторные испытания

Для определения основных параметров нелинейной работы грунта используются компрессионные и трехосные испытания по различным схемам нагружения. Для получения характеристик сжимаемости могут быть использованы компрессионные испытания либо консолидированно-дренированные испытания. В первом случае испытания позволяют получить нелинейную зависимость напряжений от одноосной деформации, во втором - от объемной деформации. Эти же опыты могут применяться для определения коэффициента фильтрации. При этом следует учитывать, что градиенты напоров в данных опытах являются весьма существенными и, как правило, значительно превышают градиенты напоров, реально существующие в основании сооружений.

Для получении прочностных и жесткостных характеристик при деформациях формоизменения можно использовать стабилометрические испытания по неконсолидированно-недренированной схеме.

Примеры получения параметров модели приведены на рисунке 1. Подтверждением корректности исходных параметров модели является сопоставление данных экспериментов с результатами моделирования лабораторного опыта.

Для получения реологических параметров рассматриваемой модели при деформациях формоизменения рассмотрены испытания в стабилометре на длительную ползучесть. Пример подобных опытов изображен на рисунке 2.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

42

Проблематика транспортных систем

а)

б)

Рис. 1. Подбор параметров модели по данным лабораторных испытаний: а - стабилометри-ческие испытания; б - компрессионные испытания; 1 - экспериментальные данные; 2 -моделирование эксперимента с помощью рассмотренной модели

20Р ДОР 60 р 00,0

Время, ч

Рис. 2. Испытание образца на длительную ползучесть

2 Стендовые испытания

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

43

Для оценки корректности описания данной модели работы глинистого грунта были выполнены стендовые испытания с вдавливанием штампа в глинистый грунт. Схема испытательного лотка представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема испытательного стенда, фрагмент стенда

В качестве грунтового массива использовались глинистая паста и песок средней крупности. Первый слой - песок средней крупности мощностью 150 мм, второй слой - глинистая паста мощностью 420 мм, с показателем текучести IL = 0,58 и естественной влажностью W = 35%. Глинистая паста укладывалась

в рабочий объем лотка следующим образом: предварительно увлажненный и сформованный порошок кембрийской глины укладывался слоями по 2-3 см с последующим равномерным уплотнением. Общая толща напластования в испытательном лотке составила 570 мм. Для равномерного уплотнения верхних слоев производилось уплотнение под нагрузкой 0,14 кг/см в течение 210 часов.

Вертикальные деформации поверхности и осадка штампа измерялась девятью индикаторами часового типа ИЧ-10 и ИЧ-25. Далее по показаниям строились кривые зависимости нагрузка-осадка и кривые выпора поверхности грунта.

Нужно отметить, что основной задачей проводимых испытаний было получение серий осадок штампа при различных схемах загружения, которые отличались между собой только временем выдержки ступеней нагрузок. Время выдержки ступени нагрузки варьировалось от 1 минуты до 48 часов. Всего 16 ступеней. Общее время опыта от 16 минут до 400 часов.

После выполнения стендовых испытаний были отобраны образцы для выполнения лабораторных испытаний и получения параметров расчетной модели. Сопоставление результатов расчетов (рис. 4) с результатами стендовых испы-

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

44

Проблематика транспортных систем

таний показывает, что используемая модель позволяет адекватно отразить особенности поведения глинистого грунта в сложном напряженном состоянии.

Рис. 5. Сопоставление результатов расчетов со стендовыми испытаниями: 1 - экспериментальные данные; 2 - моделирование эксперимента с помощью рассмотренной

модели

3 Анализ и сопоставление численных расчетов с натурными наблюдениями

Следующим этапом апробации модели является сопоставление результатов расчетов с данными натурных наблюдений за деформациями зданий и сооружений. Однако на этом пути существует значительное препятствие, заключающееся в отсутствии на многих площадках инженерно-геологических изысканий, достаточных для определения исходных параметров модели. К сожалению, в отечественной практике инженерно-геологических изысканий, несмотря на требования норм, подробные трехосные испытания выполняются достаточно редко. В связи с этим остается практически неизвестным характер работы грунта при деформациях формоизменения.

Для преодоления этого препятствия была произведена статистическая обработка многочисленных трехосных испытаний, выполненных с грунтами, характерными для территории Санкт-Петербурга. В результате данной обработки были выявлены закономерности, связывающие поведение грунта при неконсо-лидированно-не дренированных испытаниях с физическими характеристиками. В частности, достаточно четкой является зависимость прочности при неконсолидированно-недренированном сдвиге от влажности грунта (рис. 5).

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

45

Рис. 5 . Экспоненциальная зависимость сопротивления сдвигу Си от влажности W пылевато-глинистого грунта

Найденные зависимости позволили с определенной степенью точности вычислить недостающие параметры модели грунта на площадках, на которых отсутствуют достаточные данные инженерно-геологических изысканий.

Сопоставление расчетных кривых развития осадок во времени с данными натурных наблюдений за результатами деформаций зданий были выполнены для 10 объектов на территории Санкт-Петербурга, для которых имелись данные более или менее длительных наблюдений за деформациями. На рисунке 6 в качестве примера приведено сопоставление результатов расчетов и натурных наблюдений для здания на ул. Бухарестская, д. 23, корп. 4.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2

46

Проблематика транспортных систем

Рис. 6. Изолинии и эпюры вертикальных деформаций грунта при расчете методом конечных элементов с использованием упруго-вязко-пластической модели глинистого грунта и график развития деформаций во времени: 1 - экспериментальные данные;

2 - моделирование эксперимента с помощью рассмотренной модели

Заключение

Выполненные расчеты по всем рассмотренным объектам показали хорошее совпадение расчетных кривых осадок с данными натурных наблюдений.

Таким образом, выполненные лабораторные эксперименты и сопоставление результатов расчетов с данными натурных наблюдений позволяют сделать следующие выводы:

1. Выбранная модель работы глинистого грунта позволяет с достаточной точностью описать поведение грунта как при простом напряженном состоянии

2006/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

47

(моделирование трехосных и компрессионных испытаний), так и при сложном напряженном состоянии (моделирование стендовых испытаний).

2. Полученные в результате лабораторных испытаний параметры модели позволяют использовать ее для прогноза развития деформаций зданий и сооружений во времени, что подтверждено сопоставлением результатов расчетов с данными наблюдений за 10 объектами на территории Санкт-Петербурга.

Библиографический список

1. Флорин Б. А. Основы механики грунтов. - М.; Л.: Стройиздат. - Т. 1. - 1959. - 357 с.; Т. 2. - 1961. - 544 с.

2. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. - М.: Высшая школа, 1978. -

447 с.

3. Тер-Мартиросян З. Г. Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений. - М.: Стройиздат 1990. - 200 с.

4. Месчян С. Р. Начальная и длительная прочность глинистых грунтов. - М.: Недра, 1978. - 207 с.

5. Зарецкий Ю. К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. - М.: Стройиз-дат 1988. - 350 с.

6. Шашкин А. Г., Шашкин К. Г. Вязкопластическая модель грунта для численного расчета оснований с учетом фактора времени // Геореконструкция городов. - 2004. - №8.125 с.

УДК 666.974.2:006.354

Л. Л. Масленникова, Абу-Хасан Махмуд

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ НАНОРАЗМЕРА ЧАСТИЦ

И АКЦЕПТОРНЫХ СВОЙСТВ КАТИОНОВ ТВЕРДЫХ ФАЗ

Проблема получения композиционных материалов тесно связана как с улучшением технологических и эксплуатационных свойств, так и с использованием техногенного сырья, возможности которого в композиционном материаловедении не достаточно исследованы. В работе рассмотрена взаимосвязь эксплуатационных свойств композиционного материала на примере жаростойкого композиционного материала (ЖКМ), природы техногенного сырья и механизма его влияния, что позволило прогнозировать получение ЖКМ нормального твердения, не уступающих по свойствам известным огнеупорным материалам на основе природного сырья.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/2