Ндс в механике грунтов

Опубликовано: 16.05.2024

CC BY

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З.

В статье излагаются результаты решения прикладных задач геомеханики, посвященные проблемам количественной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов грунтов, служащих основаниями или средой сооружений под воздействием гидрогеологических факторов, в том числе при водопонижении, при карстово-суф-фозионных процессах и др.

Текст научной работы на тему «Напряженно-деформированное состояние массивов грунтов под воздействием гидрогеологических факторов»

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВОВ ГРУНТОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

З. Г. Тер-Мартиросян А. З. Тер-Мартиросян

При решении различных задач прикладной геомеханики возникает необходимость изучения и количественного прогнозирования геомеханических процессов, протекающих в массивах многофазных грунтов, взаимодействующих с сооружениями и окружающей средой. Очевидно, такой прогноз связан с прогнозом НДС массива во времени.

Решение таких задач возможно при использовании достижений инженерной геологии, гидрогеологии, грунтоведения, механики грунтов.

Геомеханический процесс, протекающий в массивах многофазных грунтов неоднородного строения, состава, размеров и формы инженерно-геологических элементов (ИГЭ) осложняются влиянием на него многочисленных факторов, в том числе случайных, что иногда приводит к необходимости рассмотрения стохастического метода прогнозирования НДС.

В большинстве же случаев геомеханический процесс детерминированный, осложненный, однако, случайными составляющими, такими, как изменчивость физико-механических свойств грунтов в пространстве и во времени, граничных условий (атмосферные и сейсмические воздействия), погрешность в определении механических свойств грунтов и т. п. Наличие таких случайных факторов ограничивает степень обоснованности и достоверности количественного прогнозирования геомеханических процессов детерминированными методами и делает его, вообще говоря, только вероятным.

В связи с этим можно говорить не об однозначном прогнозе НДС массивов грунтов, а о вероятных пределах его изменений. В настоящей статье рассматриваются только детерминированные методы прогноза НДС массивов, полагая, что случайные или кратковременные факторы могут быть учтены путем наименее выгодного их сочетания в расчетной схеме той или иной геомеханической задачи.

В настоящее время математическое моделирование НДС массивов грунтов осуществляется численными методами: методами конечных элементов, конечных разностей и граничных элементов (МКЭ, МКР, МГЭ) с использованием нелинейных моделей грунтов. Это позволяет рассматривать НДС массива неоднородного сложения с учетом поэтапности его нагружения, изменения граничных условий, формы и размеров расчетной области, изменения параметров деформируемости и прочности грунтов ИГЭ на каждом этапе и др.

Вместе с тем, в некоторых случаях удается получить решение прикладных задач аналитическим методом.

1. Оседание земной поверхности при строительном водопонижении

Строительное водопонижение осуществляется при осушении территории, а также котлована под защитой ограждающих конструкций для производства земляных работ. При этом внутри котлована и за его пределами меняется НДС грунта, которое в конечном итоге приводит к оседанию земной поверхности в пределах контура котлована и за его пределами.

В большинстве случаев ограждающая конструкция котлована заглубляется в водонепроницаемый слой и это исключает приток воды в котлован из-за стены. В таких случаях водопонижение в самом котловане не всегда приводит к образованию депрессионной

воронки за его пределами, а лишь к равномерному водопонижению уровня воды внутри котлована. В некоторый случаях водонепроницаемый слой находится на большой глубине и приходиться ограждающую конструкцию углублять или создавать противофильтра-ционные элементы (вертикальные и горизонтальные) с тем, чтобы сократить приток воды в котлован. Как в первом, так и во втором случаях возникает необходимость выполнения гидрогеологических и геомеханических расчетов. Первые - для определения изменения гидрогеологических условий, а вторые - для определения НДС массива.

Основным фактором, влияющим на НДС массива при водопонижении, является изменение удельного веса грунта до и после водопонижения, когда частицы грунта освобождаются от действия архимедовских сил взвешивания в поровой воде.

Следует отметить, что архимедовские силы взвешивания действуют, в основном, в песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах. В плотных глинистых грунтах архимедовские силы взвешивания практически отсутствуют, т.к. вода в порах, в основном, связанная.

Известно, что удельный вес водонасыщенного грунта во взвешенном состоянии определяется по формуле:

а удельный вес неводонасыщенного влажного грунта определяется по формуле:

7 не = 7* (1 + "0(1 - П), (2)

где у*, У", увз унв — удельные веса минеральных частиц, поровой воды, водонасыщенного, взвешенного и неводонасыщенного грунта соответственно; п - пористость грунта.

Это означает, что при водопонижении в каждом единичном объеме грунта возникает дополнительная объемная сила, равная:

А7=7нв-Уз = (У, •" + К)(1 -п)

В простейшем случае, когда водопонижение имеет место в однородном водонасы-щенном слое толщиной к на большой площади на глубину к Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Такая ситуация возникает, когда на больших территориях, в том числе городских, имеет место водопонижение или снижение напора в водоносных горизонтах, вследствие откачки из него воды для нужд города /3, 6/.

В последнем случае осадка поверхности земли будет определяться по формуле:

где АН — изменение напора воды в водоносном горизонте; к - толщина слоя водоносного напорного горизонта.

При образовании депрессионной воронки при строительном водопонижении для количественной оценки НДС массива грунта и определения осадки его поверхности необходимо решать более сложную задачу, особенно, если массив неоднородный [3, 6].

В таких случаях неизбежно приходится использовать численные методы, как при определении депрессионной кривой в заданных граничных условиях, так и при определении НДС массива. Как и в предыдущих случаях, основным фактором является действие дополнительные объемныгс сил в единице объема грунта (3).

На рис. 1 и 2 приведены результаты расчета НДС неоднородного массива до и после водопонижения в основании и вокруг котлована при отсутствии водоупора. При решении этих и последующих задач использовались расчётные параметры грунтов, приведённые в таблице 1. Видно, что на поверхности грунта образуется мульда оседания, которая распространяется на значительное расстояние от ограждающей конструкции.

Физико-механических свойств грунтов к рис. 1-7.

Name g unsat g sat k x ky nu E ref c ref phi

[kN/mA3] [kN/mA3] [m/day] [m/day] [ - ] [kN/mA2] [kN/mA2] [ ° ]

k1 15 20 0.08 0.08 0.3 5000 1 25

k2 15 20 0.05 0.05 0.3 10000 1 25

15 20 0.001 0.001 0.3 30000 1 25

15 20 0.001 0.001 0.3 200000 100 25

k5 15 20 0.05 0.05 0.3 10000 20 25

Рис. 1. Расчётная схема с указанием уровней грунтовых вод после водопонижения в котловане

2. Изолинии вертикальных перемещений(осадки) после водопонижения внутри котлована

Если под водонепроницаемым слоем толщиной кс лежит водоносный слой с напором р = - Н, то необходимо проверить условие выдавливания водоупорного слоя, т.е.

2. Оседание земной поверхности вследствие суффозии и карстово-суффозионно-го процесса

Суффозия и карстово-суффозионные процессы связаны с фильтрацией воды в массивах грунтов и полускальных породах. Различают механическую и химическую суффозию, вследствие чего в определенных локальных областях массива физико-механические свойства (плотность, гранулометрический и химический состав) существенно меняются во времени. Это приводит к изменению НДС массива без изменения внешних силовых воздействий и к оседанию земной поверхности. Суффозия иногда может быть обусловлена техногенными воздействиями, в том числе изменением гидрогеологических условий (барражный эффект, утечки из подземных коммуникаций и др.).

Суффозионность, как известно, зависит от гранулометрического и химического состава грунта и градиента напора воды в его порах. Существуют критерии для оценки суф-фозионности грунтов. При известных параметрах изменения физико-механических свойств грунтов в основании сооружений и местоположения локальной области ослабления грунтов по отношению к фундаменту сооружения НДС такого массива легко поддается количественной оценке численными методами прикладной геомеханики.

Карстово-суффозионные процессы, как правило, приурочены к территориям, в геологическом разрезе которых присутствуют растворимые горные породы, кровля которых контактирует с рыхлыми отложениями, и имеет место интенсивный фильтрационный поток подземных вод. В зависимости от минералогического состава скальные и элювиальные грунты могут быть подвержены: разрушению и распаду агрегатов сланцев, аргели-тов, алевролитов и других пород; растворению и выносу гипса или каменной соли; набуханию и просадке элювиальных грунтов.

Следует отметить, что в результате инженерно-геологических изысканий не всегда удается получить необходимую информацию о строении и свойствах грунтового массива, который должен взаимодействовать с проектируемым сооружением. Это особенно касается оценки карстово-суффозионной опасности грунтов оснований сооружений. Часто изыскатели в своих заключениях без достаточного обоснования записывают фразу «в карстово-суффозионном отношении опасно» или «грунты суффозионно неустойчивы». Такие выводы изыскателей ставят проектировщиков в сложное положение, т.к. это требует дополнительных изысканий и дополнительное финансирование.

Карстовые провалы на конечной стадии характеризуются диаметром, глубиной и кривизной земной поверхности и наклоном краевых участков зоны оседания.

Для разработки конструктивных мероприятий по снижению неблагоприятных воздействий карста необходимо прогнозировать НДС массива, пораженного карстовыми процессами. К этим мероприятиям относятся: увеличение жесткости и прочности над-фундаментной конструкции, усиление несущих элементов, применение коробчатых фундаментов, плоских и ребристых плит и т. д. Применение отдельно стоящих и свайных фундаментов не допускается.

На рис. 3 и 4 приводятся результаты расчета плитного фундамента в глубоком котловане, в основании которого после строительства образовалась карстовая полость. Видно, что при этом фундаментная плита претерпевает дополнительные неравномерные осадки до 40 см, что недопустимо. Такие расчеты, выполненные для нескольких объектов высотного строительства, показали, что влияние карстовых полостей на глубине 30-40 метров от подошвы плиты не оказывают существенного влияния на контактные напряжения под плитным фундаментом.

Рис. 4. Деформированная конечно-элементная сетка после образования карстовой полости под краем фундаментной плиты

3. НДС фильтрующих массивов грунтов

Фильтрационный поток в массиве грунта оказывает механическое воздействие на скелет грунта, которое характеризуется фильтрационной силой, сопоставимой с силой тяжести. Восходящий фильтрационный поток может привести к деформированию и разрушению скелета грунта. Поэтому в прикладных задачах геомеханики рассматривают НДС фильтрующих массивов под воздействием внешних сил, сил гравитации, фильтрации и сейсмики, т.е. объемных сил.

Фильтрационная сила, как известно, определяется по формуле 2:

где - удельный вес поровой воды;

гп - гидравлический градиент в направлении движения воды.

Если обозначить через ох, оу и тХу напряжения в скелете грунта (плоская задача), возникающие под воздействием фильтрационных сил, то для определения НДС фильтрующего массива необходимо в уравнении равновесия в правой части ввести объемные силы фильтрации ^ = у„-1п, т.е.

дх ду х дх ду у

где р = дН (Х У). 7 ; р =дН(ХУ). ^,

Н(х,у) - напорная функция, удовлетворяющая уравнению Лапласа V2Н(х, у) = 0 и соответствующим граничным условиям.

Если скелет грунта упругий (линейно-деформируемый), то, вводя функцию напряжений §(х,у), можно определить компоненты фильтрационных напряжений с помощью уравнений:

где §(х,у) удовлетворяет бигармоническому уравнению:

где V = -у* [Н (х, у) +у ].

Рассмотрим НДС основания глубокого котлована, под воздействием сил фильтрации полагая, что коэффициент фильтрации грунтов за ограждающей конструкцией на порядки больше, чем грунтов основания. Можно показать [5], что в этом случае решение задачи сводиться к определению НДС грунтового полупространства у > 0 под воздействием фиктивной поверхностной нагрузкой интенсивностью q = у„Н, приложенной на границе у=0, х Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

п (х2 + у2 - а2)2 + 4а2у2 2q аг(х2 - у2 - а2) п (х2 + у2 - а2)2 + 4а2у2

п (х2 + у2 - а2)2 + 4а2у2 где а - полуширина котлована.

Рис. 5. Расчётная (а) и эквивалентная (б) схемы для определения НДС основания котлована под

действием фильтрационных сил. Коэффициенты фильтрации в слоях 1 и 2 отличаются на порядки (Аг!»^)

V = _(—у ) 'У* [(х - а) ■ Ы(х - а)2 - (х + а) ■ Ы(х + а)2 ] (12)

Оседание и поднятие грунта на уровне у=0 можно определить по формуле /1/ 2(1 - у2) ■Г„Н] пЕ

Скорости фильтрации в области у > 0; -а Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 7. Изолинии вертикальных перемещений под действием фильтрационных сил после понижения уровня воды в котловане

°у = Увз ■(к - у); Тхг = (увз +у„ )б1п а(к - у) ; ах =ог = %0 -ау , (14)

где %0 - коэффициент бокового давления.

Устойчивость наклонного пласта обеспечена, если коэффициент устойчивости:

где тпр - предельное сопротивление сдвигу, определяемое выражением:

тпр = ау^ф + с , (16)

где ф - угол внутреннего трения, с - сцепление грунта.

Подставляя (16) в (15) с учетом (14), получим:

П (Yes +Yw )-sina(h - y)

Из этого уравнения следует, что учет фильтрационных сил yw -sinа уменьшает коэффициент устойчивости наклонного пласта.

Для определения коэффициента устойчивости фильтрующих откосов неоднородного сложения методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения определяют интегральную фильтрационную силу, действующую по площади между депрессионной кривой и круглоцилиндрической поверхностью [3].

1. Количественная оценка НДС массивов водонасыщенных грунтов под воздействием гидрогеологических факторов в настоящее время приобретает доминирующее положение в прикладной геомеханике в связи со строительством высотных зданий в глубоких (более 6 м) котлованах и освоением подземного пространства городов.

2. Наиболее существенное влияние на НДС массивов водонасыщенных грунтов оказывают следующие гидрогеологические факторы: изменение гидрогеологических условий строительной площадки (водопонижение, дренаж), суффозия, карстово-суффозион-ный процесс.

3. Имеющиеся в настоящее время комплексные программы позволяют осуществить математическое моделирование стационарного и нестационарного режима движения грунтовых вод при любой неоднородности массива и граничных условий, а также НДС такого массива.

1. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Т. 2. Изд. Мир, М., 1969 г., 845 с.

2. Полубаринова-Кочина П. Я. - Теория движения грунтовых вод. Изд. Наука, М., 1977 г., 640 с.

3. Тер-Мартиросян 3. Г. - Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов. Изд. Недра, М., 1986 г., 291 с.

4. Тер-Мартиросян 3. Г. - Механика грунтов. Изд. АСВ, М., 2005 г., 487 с.

5. Флорин В. А. Механика грунтов, т. 1. Стройиздат, Л-М, 1959 г., 356 с.

6. Цытович Н. А., Тер-Мартиросян 3. Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве, М., Высшая школа, 1981 г., 317 с.

При возведении здания или сооружения наблюдается постоянное возрастание давления по подошве фундаментов. При таком характере воздействия в грунтовом основании, как и во всяком твердом теле, возникает напряженно-деформирующее состояние (НДС), которое адекватно интенсивности приложенной внешней нагрузки, причем возникает оно не только в точках контакта подошвы фундамента сооружения и грунта основания, но и на значительной глубине.

Распределение напряжений как под подошвой фундамента , так и на значительной глубине необходимо знать, так как прочность и устойчивость сооружений зависит от сопротивления (R) грунта, не только примыкающей к подошве, но и глубоколежащего.

При деформации грунтов под нагрузкой Н.М. Герсеванов выделил три фазы НДС:

I — фаза нормального уплотнения;
II — фаза сдвигов;
III — фаза выпирания грунта.

Зависимость вертикальных перемещений фундамента от действующего давления по его подошве изображена на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Зависимость осадки 5 от давления Р (график Н.М. Герсеванова)

На графике (см. рис. 6.5 ) участок оа соответствует фазе уплотнения (I), при которой осадка пропорциональна приложенной нагрузке. Эта фаза обусловлена вертикальным перемещением частиц грунта вниз Р≤P сr,1 (P сr,1 ≈Р проп. ) ( рис. 6.6,а ).

Из-за концентрации напряжений под краями фундамента в начале фазы сдвигов (II) происходит разрушение грунта в локальных областях, т.е. происходят местные потери устойчивости. По мере роста внешней нагрузки нарушается линейная зависимость между осадкой и давлением. График S = ƒ(P) ( см. рис. 6.5 ) на участке аб характеризуется значительной кривизной. При дальнейшем возрастании давления под подошвой фундамента формируется уплотненное ядро и при малейшем увеличении внешней нагрузки приведет к исчерпанию несущей способности. На рис. 6.5,б такое давление соответствует точке б , являющейся переходной от второй к третьей фазе НДС.

Рис. 6.6. Фазы НДС в основании фундамента при возрастании давления по подошве: а — уплотнение; б, в — сдвиг; г — выпор грунта

Давление, соответствующее началу появления областей пластических деформаций (сдвигов и разрушения грунта) под краями фундамента, называется начальным, или первым критическим, давлением ( P cr,1 ).

Начальное критическое давление определяется по формуле Н.П. Пузыревского:

где γ — удельный вес грунта основания; φ — угол внутреннего трения; d — глубина заложения подошвы фундамента; с — удельное сцепление.

Во второй фазе под краями фундамента формируются области пластических деформаций (разрушения грунта), которые развиваются в сторону и в глубину (см. рис. 6.6,б), P cr,1

Согласно СНиП 2.02.01—83 наибольшая глубина развития области пластических деформаций под краями фундамента не должна превышать z max = 0,25b. Среднее давление под подошвой фундамента, при котором под его краями в основании формируются области пластических деформаций на глубину z max = 0,25b, приравнивается к расчетному сопротивлению (см. рис. 6.6,e) Р = R .

При дальнейшем увеличении давления по подошве фундамента Р > R области (зоны) локального разрушения грунта развиваются в ширину и в глубину основания, при этом под подошвой фундамента формируется уплотненное ядро в виде клина (см. рис. 6.6,г). В определенный момент времени краевые области разрушения грунта основания смыкаются на глубине и в результате расклинивающего действия уплотненного ядра устанавливается такое состояние, при котором малейшее увеличение нагрузки приводит к потере несущей способности.

Таким образом, давление, соответствующее исчерпанию несущей способности грунта основания, называется предельным, или вторым критическим давлением ( P cr,2 ).
Второе критическое давление определяется по формуле

где q — интенсивность боковой пригрузки.

Рассмотрим два примера, как влияет прочность нижележащего слоя на прочность и устойчивость сооружения.
Если в основании находятся слабые грунты, под покровом более устойчивых, то опасность нарушения устойчивости повышается с увеличением ширины фундамента ( рис. 6.7 ).

Рис. 6.7 . Влияние ширины фундамента на прочность и устойчивость сооружения: а — при пластических деформациях; б — при выпоре грунта

Таким образом, если в основании находятся плотные грунты под покровом слабых, то опасность нарушения устойчивости понижается с увеличением ширины фундамента ( рис. 6.8 ).

Если из массива грунта, находящегося под действием какой-либо нагрузки, выделить кубик ( рис. 6.9 ), то на него будут действовать вертикальные и горизонтальные нормальные напряжения σ х , σ у , σ z и три пары касательных напряжений — τ xу и τ ух , τ xz и τ zx , τ yz и τ zy .

Осадка фундамента в предыдущем описании есть интегральный эффект напряжений и деформаций, действующих в каждой точке основания от передаваемой фундаментом нагрузки. Иначе говоря, осадка определяется напряженно-деформированным состоянием грунта (НДС), описание которого – важная задача механики грунтов.

Поскольку грунт в основании или в массиве находится в пространственном НДС, для его моделирования применяются приборы трехосного сжатия – стабилометры. По конструкции стабилометры разнообразны, но в общем они позволяют управлять одной группой параметров НДС (например, создавать заданные напряжения и управлять ими) и определять как «отклик» грунта другую (например, замерять деформации ).

Наиболее распространен гидравлический стабилометр. При испытании цилиндрический образец грунта первоначально подвергается всестороннему (гидростатическому) сжатию напряжениями . Затем боковые (радиальные) напряжения остаются постоянными , а образец сжимается увеличивающимся вертикальным напряжением с фиксацией вертикальных и горизонтальных деформаций и .

При некотором значении грунт разрушается. Зависимость и разрушающее напряжение зависят от зафиксированного значения , но во всех случаях график зависимости имеет тот же вид, что и показанный на рис. 2.1. Таким образом, для образца грунта справедлива та же самая стадийность деформирования.

В стадии уплотнения и даже в начале стадии сдвигов зависимость деформаций от напряжений близка к линейной. Это позволяет в указанном интервале связь деформаций и напряжений принять в виде закона Гука:

Параметры зависимостей (2.1) в механике грунтов называются: Е – модуль деформации; – коэффициент поперечной деформации, или коэффициент Пуассона. Это деформативные характеристики грунта. Их смысл выявляется из простого испытания на одноосное сжатие, когда и образец грунта сжимается вертикальным напряжением на простейшем прессе. Конечно, так можно испытывать только достаточно прочные связные грунты. При этом из (2.1) получаем: и .

Отсюда ясно, что Е характеризует жесткость грунта и измеряется в единицах напряжения (Па, кПа и т.д.), а – меру деформирования в направлении, перпендикулярном действующему напряжению.

Интервал значений для грунтов составляет обычно 0,1…0,5. Значения модуля деформации оказывают определяющее влияние на рассчитываемую осадку сооружений. Поэтому их определение имеет большее значение, а значения ν на практике часто принимают по справочным данным в зависимости от вида и состояния грунта.

Положение о применимости зависимостей (2.1) в механике грунтов характеризуется как «Принцип линейной деформируемости грунтов». При этом напряжения в грунте должны быть достаточно далеки от разрушающих, т.е. грунт должен работать в стадии уплотнения – начале стадии сдвигов

21) Испытание грунта методом трехосного сжатия проводят для определения следующих характеристик прочности и деформируемости: угла внутреннего трения
удельного сцепления
сопротивления недренированному сдвигу
модуля деформации
и коэффициента поперечной деформации
для песков, глинистых, органо-минеральных и органических грунтов.

Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов грунта в камерах трехосного сжатия, дающих возможность бокового расширения образца грунта в условиях трехосного осесимметричного статического нагружения при
где
- максимальное главное напряжение;
- минимальные, они же промежуточные главные напряжения.

Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимостей деформаций образца от нагрузки и изменения деформаций во времени.

Испытания вертикальной нагрузкой проводят при заданном всестороннем давлении на образец грунта или заданном среднем нормальном напряжении.

Испытания для определения характеристик прочности проводят не менее чем для трех образцов исследуемого грунта при различных значениях всестороннего давления на образец.
Испытания для определения характеристик деформируемости проводят по следующим схемам:

- неконсолидированно-недренированное испытание - для определения сопротивления недренированному сдвигу водонасыщенных глинистых, органо-минеральных и органических грунтов природной плотности;

- консолидированно-недренированное испытание - для определения характеристик прочности глинистых, органо-минеральных и органических грунтов в нестабилизированном состоянии;

- консолидированно-дренированное испытание - для определения характеристик прочности и деформируемости любых дисперсных грунтов в стабилизированном состоянии.
Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности.

Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 38 мм и отношением высоты к диаметру от 1:2 до 1:2,5.
Оборудование и приборы

В состав установки для испытания грунтов методом трехосного сжатия должны входить:

- камера трехосного сжатия с набором жестких сплошных и перфорированных штампов и уплотнителей к ним;

- устройство для создания, поддержания и измерения давления в камере;

- механизм для вертикального нагружения образца;

- устройства для измерения вертикальных и объемных деформаций образца;

- приборы для измерения давления в поровой жидкости образца (устройства, основанные на компенсационном принципе, и датчики давления высокой жесткости);

- резиновые оболочки толщиной не более 0,25 мм;

- расширитель для заключения образца в резиновую оболочку.

Фундамент – это главный конструктивный элемент, от прочности и надёжности которого зависит и эксплуатационный комфорт, и срок службы здания в целом. Невозможно получить такую основу, если выбирать её тип и параметры заглубления наобум, не соотнося с типологией, механо-физическими свойствами и характером залегания грунтов и водоносных горизонтов. Именно поэтому перед проектированием любого ответственного сооружения производится предварительное исследование грунта под фундамент. Что от него зависит, как оно выполняется и какова цена такой услуги, будет рассказано в этом материале.

Зачем нужен анализ грунта под фундамент

Геологическое исследование грунта производится на предпроектной стадии, так как именно на основе его результатов, представляющих собой всестороннюю оценку условий строительства, и осуществляется выбор типа фундамента. Основной целью инженерно-геологического анализа является выявление опасных процессов в грунте (возможные оползни или подтопления, суффозионные явления).

Кроме того, для правильного расчёта несущей способности как естественного основания, так и фундамента, требуется изучить геологическое строение земли в пятне застройки, механические характеристики грунта, его коррозионную активность и влагонасыщенность. Полученные данные позволяют определить такой тип конструкции, который будет оптимальным не только в плане устойчивости к любым неблагоприятным факторам, но и экономически целесообразным.

Проектирование фундамента без анализа грунта и всесторонней оценки гидрогеологических условий, может привести не только к неравномерной осадке, повлекшей трещины на фундаменте и стенах, к порывам входящих в здание трубопроводов, но даже к таким деформациям, которые восстановить ремонтом просто невозможно.

Вот какие данные может дополнительно предоставить организация, которая произведёт анализ геологии грунта под фундамент (от этого будет зависеть и цена услуги):

Анализируются технические возможности строительства на конкретном участке, обосновывается его экономическая целесообразность.
Выбирается наилучший вариант расположения здания.
Предлагается оптимальный вариант застройки всего участка, а не только одного объекта.
Расчёт несущей способности оснований.
Технический надзор производства работ нулевого цикла.

В ходе изысканий определяется необходимый объём работ, которые требуется произвести для получения наиболее точной информации. При этом назначаются те или иные виды испытаний образцов грунта, исследований его геофизики, для чего бурятся скважины различной глубины и в требуемом количестве.

Главным образом, испытания нужны для того, чтобы определить, насколько надёжной получится конструкция при динамических нагрузках. Таковыми являются самые разные воздействия, начиная от вибраций спецтехники и заканчивая сейсмическими подвижками.

Как проводится геологическое исследование

Существует документ (свод правил 11*105*97), на основании которого должны производиться геологические изыскания под новое строительство. В нём определены состав и объём необходимых изысканий, методы их проведения и применяемые для этого технологии. Правила разработаны в качестве руководства для организаций и физических лиц, занимающихся подобной деятельностью, и предоставляющих услуги исследования грунта под фундамент.

Состав изысканий

В одном из разделов правил установлены общие требования к составу изысканий, и вот что сюда входит:

Если в районе проводились исследования грунта ранее, данные прошлых лет могут быть обработаны и приняты во внимание. К таким данным могут относиться как технические отчёты по строившимся вблизи крупным объектам, так и проведение сейсмологических или других региональных исследований.
За основу могут быть взяты данные производимых прежде аэросъёмок - с их помощью проще оценить характер рельефа и его геологическое строение.
Геодезическая рекогносцировка местности с визуальным наблюдением. Это обследование включает в себя осмотр места будущего строительства; описание имеющихся вблизи обнажений грунта в виде законсервированных котлованов или карьеров; оценку водопроявлений со сложившимся ботаническим окружением (оно является отличным индикатором гидрогеологической обстановки).
Данные, получаемые путём проходки слоёв почвы путём бурения скважин. Особое внимание уделяется не самым благоприятным для строительства участкам с близким расположением вод, разнородным составом грунта или его специфичностью, высокой графичностью рельефа. Так же выявляются дефекты планировки района, наличие просадок не только на участке, но и недалеко от него, заболоченность и вероятность подтоплений.
Исследования геофизики почвы – как лабораторные, так и полевые. Их цель – уточнение геологического разреза, местонахождение водоносных горизонтов и поверхностных очагов. На этом этапе отбираются образцы грунта для определения его свойств и состава. Полевые исследования помогают дать оценку способности грунта к пространственной деформации, определить возможность и оптимальный способ погружения свай.
Оценка гидрогеологической обстановки (определение УГВ, наличия верховодки, плывунов). Производятся лабораторные исследования агрессивности подземной воды, прогнозируется вероятность гидрогеологических изменений. Если грунт водонасыщенный, определяется его динамическая устойчивость.

Когда строительство ведётся вблизи существующего здания, обследуется качество его основания и состояние фундамента.

1 ности торфа, которая зависит от показателей его качества (зольности и содержания связанной влаги органического вещества), параметров частиц (плотности и крупности) и динамического режима сепарации (скорости потока газа при пневматической сепарации). Критическая влажность элементарного класса крупности выскозольного торфа при пневматической сепарации пропорциональна содержанию связанной влаги, зольности и обратно пропорциональна плотности частицы, кубу ее диаметра и скорости потока газа в шестом степени. Литература: 1. Зальцман А.М. Пневматическая сепарация торфа. Характер разделения торфяных частиц при пневматической сепарации / А.М. Зальцман // Комплексное использование торфа. Вып.. АН БССР. М.: Энергия, С Кислов Н.В. Аэродинамика измельченного торфа / Н.В. Кислов; под ред. И.И. Лиштвана. - Минск: Наука и техника, с. 3. Яцевич Ф.С. Торф сырье для химической переработки / Ф.С. Яцевич. Минск: АН БССР, с. 4. Верхотуров М.В. Сепрация влажных материалов / М.В. Верхотуров. Красноярск: Издательство Красноярского университета, с. 5. Корінчук Д.М. Розробка композиційного палива на основі торфу і рослинної біомаси для використання в теплоенергетичних установках. Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. К.: Інститут технічної теплофізики НАН України с. 6. Лиштван. И.И. Физика и химия торфа: Учеб. пособие для вузов / И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаюнов, А.А.Терентьев. М.: Недра, с. УДК РАСЧЕТ НДС ОСНОВАНИЙ С УЧЕТОМ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ Миронов В.А., Софьин О.Е. Тверской государственный технический университет Напряженно-деформированное состояние грунта описывается модифицированной моделью Кем-клей, объединенной с моделями фильтрационной консолидации и вязкопластичности. Составлены алгоритм и программа метода конечных элементов для расчета процессов вязкопластического деформирования оснований в трехмерной постановке. Выполнено численное моделирование поведения системы «основание-фундамент». В настоящее время известны многочисленные примеры эффективного проектирования оснований на основе методов нелинейной механики. Разработок для грунтов, обладающих реологическими свойствами, значительно меньше, что обуславливает актуальность выбранной темы исследования. 53

2 Грунт является многокомпонентной средой, состоящий из минеральных частиц (скелета), жидкости и газа, поэтому реологические процессы протекают в нем по-разному в зависимости от степени насыщения пор водой. В неполностью водонасыщенном грунте реологический процесс обусловлен ползучестью скелета и при его описании грунт рассматривается как однокомпонентная среда. В водонасыщенном грунте реологический процесс определяется сжимаемостью и вязким сопротивлением поровой жидкости при отжатии (фильтрационной консолидацией), при этом необходимо учитывать взаимодействие фаз грунта [1]. В предлагаемой работе задачи фильтрационной консолидации и ползучести решаются методом конечных элементов c учетом нелинейного характера деформирования грунта. Изменение напряженно-деформированного состояния в процессе фильтрационной консолидации определяется на основе совместного решения уравнений равновесия системы элементов и сплошности потоков в ней []. Для момента времени t +1 эти уравнения имеют вид [3, 4] 54 K C w C F Cp, w 1 w tk f E p Ep приращения перемещений; p w поровое давление; F приращение внешней нагрузки; K C K f E l l l V V V B DBdV; B mndv ; f N N dv ; w xi x N NdV K wg l V i матрица жесткости системы элементов, «стыковочная» матрица между деформационной и фильтрационной задачами, фильтрационная матрица, матрица сжимаемости поровой жидкости, соответственно; B матрица, характеризующая геометрическую форму конечного элемента; D матрица упругих свойств элемента; N функции формы; f - коэффициент фильтрации; w удельный вес воды; пористость; K wg модуль объем- (1) ()

3 ной сжимаемости газосодержащей жидкости; m ; V объем элемента; l число элементов расчетной области; t t t 1 шаг по времени. Упругопластическое решение строится на основе метода начальных напряжений. На каждой итерации определяются полные деформации 1. (3) Вычисляются напряжения в предположении упругой работы грунта p 1 D 1. (4) Далее производится оценка достигнутого уровня напряжений по. Если f 1 0, то значению функции нагружения f 1 1 1, (5) иначе производится пластическая коррекция. Скорректированные напряжения находятся неявным методом 1 Эйлера путем решения методом Ньютона-Рафсона системы нелинейных уравнений D 1 g f g d d r r где g функция пластического потенциала. Запаздывание вязкопластической деформации во времени учитывается по схеме 1 1 t 1 t где коэффициент вязкости; напряжения, полученные на данном 1 шаге без учета вязкости грунта. 1,, (6) (7) 55

4 Механическое поведение грунта описывается модифицированной моделью Кем-клей (рис. 1) с функцией нагружения [4] 56 q f g p pp0 0 (10) M где q и p касательная и нормальная компоненты напряжений на октаэдрической площадке; p 0 давление предварительного уплотнения. Предельное напряженное состояние грунта определяется уравнением q Mp, (11) где M коэффициент трения. Функция упрочнения принимается в виде где A константа грунта. q f g p p Al, (1) p 0 q = Mp Рис. 1. Модифицированная модель Кем-клей На основе соотношений теории пластического течения с упрочнением составлены алгоритм и вычислительная программа для ЭВМ для расчета оснований и грунтовых массивов. В качестве примера рассматривается задача взаимодействие жесткого штампа с грунтовым основанием. p 0 f = g p

5 Длина стороны штампа равна 1 м, заглубление подошвы 0,5 м. Размеры расчетной области составляют 884 м. Вследствие осевой симметрии задачи рассматривается только ее одна четвертая часть, разбитая на 640 тетраэдров (рис. ). Рис.. Расчетная область «штамп-основание» Грунт основания имеет характеристики: удельный вес =0,0 кн/м 3 ; модуль деформации E = 6,0 МПа; коэффициент Пуассона = 0,4; пористость = 0,5; модуль объемной сжимаемости поровой жидкости K = 10 3 МПа; коэффициент фильтрации ф = 1, м/сут; коэффициент пластической вязкости = 0,116 МПа сут; коэффициент трения M = 0,364; константа А = 0,045. На первом шаге численного решения рассчитывалось напряженное состояние от собственного веса грунта, по которому определялся размер начальной поверхности нагружения. Далее осуществлялось нагружение штампа вертикальной нагрузкой ступенями по 0,04 МПа. Результаты расчета в виде графиков зависимости осадки фундамента S от нагрузки P представлены на рис. 3. Кривые 1 и получены, соответственно, для упругого и упругопластического оснований без учета фактора времени. Кривая 3 отвечает нагружению водонасыщенного основания, при котором поровое давление не успевает рассеиваться, кривая 4 упруговязкопластического основания при выдержке нагрузки на каждой ступени 0,8 сут. В последних двух случаях с увеличением времени нагружения кривые приближаются к упругопластическому решению. 57

6 P, МПа S, м Рис. 3. Зависимость осадки штампа от нагрузки: 1 упругое решение; упругопластическое решение; 3 упругопластическое решение с учетом фильтрационной консолидации (скорость нагружения 0,05 МПа/сут); 4 упруговязкопластическое решение Разработанная программа расчета является универсальной и позволяет решать широкий круг задач механики грунтов. Литеатура 1. Тер-Мартиросян З.Г. Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений. М.: Стройиздат, с.. Зарецкий Ю.К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. М.: Стройиздат, c. 3. Миронов В.А., Софьин О.Е. Моделирование процесса упругопластического деформирования водонасыщенного основания при нагружениии жестким штампом // Горный информационно-аналитический бюллетень, С Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Упруговязкопластическая модель структурнонеустойчивого глинистого грунта // Реконструкция городов и геотехническое строительство C