Автореферат: Взаимодействие фундаментов с основанием при циклических и вибрационных воздействиях с учётом реологических свойств грунтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Взаимодействие фундаментов с основанием при циклических и вибрационных воздействиях с учётом реологических свойств грунтов

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Тер-Мартиросян Армен

Москва - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждениивысшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Бурлаков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Добров Эдуард Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Прошин Михаил Викторович

Ведущая организация: Филиал «Инженерного центра ЕЭС» - «Институт Теплоэлектропроект», г. Москва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

При проектировании, строительстве и эксплуатации промышленных, гражданских, гидротехнических и транспортных сооружений, а также высотных зданий и комплексов повышенной ответственности возникает необходимость учёта низкочастотных циклических и вибрационных воздействий на грунты основания для количественной оценки их взаимодействия с подземной частью сооружений, с целью определения дополнительных осадок, кренов и устойчивости (общей и локальной).

Количественная оценка взаимодействия таких сооружений с их основанием, для определения дополнительных осадок и кренов, связана с расчётами напряжённо-деформированного состояния (НДС) грунтов оснований с учётом многочисленных факторов, в том числе особенностью силового и физического воздействия (статика, циклика, вибрация) и механических свойств грунтов при таких воздействиях (ползучесть, пластичность).

Опыт строительства и эксплуатации перечисленных видов сооружений и высотных зданий показывает, что длительное циклическое и вибрационное воздействия приводят к накоплению дополнительных (необратимых пластических) деформаций в грунтах оснований и в конечном итоге к дополнительным осадкам и кренам фундаментов сооружений, а порой к потере общей устойчивости, например при разжижении водонасыщенных песков.

Целью работы является изучение и совершенствование методов исследования и описания механических свойств грунтов при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях и использование этих свойств для количественной оценки НДС оснований зданий и сооружений повышенной ответственности, в том числе для определения дополнительных осадок, кренов и их устойчивости.

Основные задачи исследований

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие виды работ:

· Изучение и анализ современного состояния методов исследования и математического описания механических свойств грунтов при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях;

· Изучение и анализ современных методов количественной оценки НДС оснований сооружений, в том числе дополнительных деформаций, при циклическом и вибрационном воздействиях;

· Экспериментальные исследования механических свойств грунтов в лабораторных условиях при компрессии и сдвиге (перекашивании);

· Анализ результатов существующих и выполненных экспериментальных исследований и построение новых реологических моделей грунтов на основе совершенствования моделей Максвелла и Кельвина - Фойгта путём учёта упрочнения вязкого и упругого элементов, в нелинейной зависимости от накопленной деформации, а также ввода структурной прочности при компрессии и сдвиге;

· Аналитическое и численное решение полученных уравнений для количественной оценки дополнительных деформаций, напряжений и порового давленияв грунтах при циклическом и вибрационном воздействиях.

· Решение примеров задач по оценке дополнительных деформаций грунтов в условиях компрессии и сдвига, а также в основании сооружений аналитическим и численным методамипри статическом, циклическом и вибрационном воздействиях с учётом новых моделей грунтов;

· Решение примеров задач по оценке дополнительных деформаций в основании сооружений при циклическом и вибрационном воздействиях в упруго - пластической постановке с использованием Plaxisи их анализ.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. На основе анализа современных экспериментальных и теоретических исследований реологических свойств грунтов построены новые реологические модели, и составлены соответствующие уравнения, учитывающие упрочнение элементов вязкости и упругости в зависимости от накопленной деформации скелета грунта, а также учитывающие структурную прочность сжатия и сдвига.

2. Показано, что предложенные реологические модели позволяют описать остаточные деформации и напряжения, а также семейство кривых ползучести при сдвиге в режиме статического и кинематического нагружения, что имеет важное значение.

3. На основе новых реологических моделей скелета грунта построены новые уравнения для не полностью водонасыщенного грунта, решение которых позволяет количественно прогнозировать процесс накопления порового давления во времени в условиях отсутствия дренажа при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях.

4. Поставлена и решена одномерная задача консолидации слоя не полностью водонасыщенного грунта с учётом построенных реологических уравнений при циклическом изменении внешней нагрузки. Численное решение полученного неоднородного дифференциального уравнения с переменным коэффициентом консолидации показал, что изменение порового давления во времени имеет экстремальный характер, и что его экстремум зависит от соотношения коэффициента фильтрации, частоты изменения нагрузкии высоты слоя.

5. Показано, что учёт упрочнения и структурной прочности при компрессионной и сдвиговой деформациях в предложенных моделях при циклическом нагружении позволяет описать процесс накопления остаточных деформаций и напряжений.

6. Подтверждено, что при циклическом и вибрационном воздействиях деформации развиваются, в основном, пропорционально логарифму времени и, что интенсивность этих деформаций зависит от относительной амплитуды Ду/Ду_ст и степени приближения к предельному состоянию ф_i/ф_i^*<1.

7. Учёт предложенных реологических моделей грунтов для определения вязкого сопротивления основания при расчёте колебания системы фундамент - основание приводит к накоплению остаточных перемещений фундамента.

8. Рассмотрены возможные варианты применения предложенных моделей для определения дополнительных деформаций и напряжений в массиве грунта, вмещающего подземную часть здания.

Научная ценность работы заключается в построении новых обобщённых реологических моделей неводонасыщенных и водонасыщенных грунтов и составлении соответствующих уравнений и их использовании при количественной оценке дополнительных остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде, при взаимодействии фундаментов с основанием аналитическими и численными методами под воздействием циклической и вибрационной нагрузок.

Практическое значение работы

Полученные в диссертационной работе результаты исследований позволяют:

· Совершенствовать методы математического описания механических свойств грунтов при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях путём учёта упрочнения и структурной прочности;

· Дать научное обоснование накопления дополнительных остаточных деформаций и напряжений в грунте при однократном и многократном циклическом и вибрационном воздействиях;

· Совершенствовать методы количественной оценки остаточных деформаций и напряжений в основаниях сооружений аналитическим и численными методами при циклическом и вибрационном воздействиях.

Реализация работы

1. Методика определения коэффициента виброползучести, на разработаннойустановке для проведения компрессионных и сдвиговых испытаний грунтов при заданных частотах и амплитуде вибрационной нагрузки была использована при испытании грунтов оснований 6-и турбогенераторов на территории РФ. Результаты испытаний будут использованы при проектировании этих объектов.

2. Результаты диссертационной работы (в том числе аналитические и численные) будут использованы в практике научно-исследовательских работ кафедры механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ, а также в организациях, занимающихся проектированием и строительством высотных зданий и других сооружений при циклических и вибрационных воздействиях.

Достоверность результатов исследованийзаключается в том, что они основываются на анализе современных экспериментальных и теоретических исследований свойств грунтов при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях, а также на теоретических исследованиях по количественной оценке дополнительных остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде, на основе современных методов прикладной механики грунтов.

На защиту выносятся:

· Результаты экспериментальных исследований и математическое описание механических свойств грунтов при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях, основанные на новых реологических моделях;

· Результаты решения неоднородного уравнения консолидации водонасыщенного слоя грунта при циклическом нагружении с учётом переменного коэффициента консолидации;

· Результаты решения новых реологических уравнений при уплотнении и сдвиге для неводонасыщенных и водонасыщенных грунтов при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях;

· Результаты решения задачи о колебании системы «фундамент - основание» с учётом новых элементов вязкого сопротивления;

· Примеры расчёта НДС оснований МКЭ в упруго-пластической постановке с использованием Plaxis.

Публикации

Основное содержание работы отображено в 10 научных работах, из них 3 в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и библиографического списка, включающего 113 наименований. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, включающего 5 таблиц, 95рисунков.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность своему научному руководителю, кандидату технических наук, профессору Бурлакову Виктору Николаевичу за постоянное внимание и помощь при выполнении настоящей работы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводятся обзор и анализ состояния изучаемого вопроса. Рассмотрены современные представления о взаимодействии фундаментов со сжимаемым основанием при статическом, циклическом и вибрационном воздействиях. Выполнен анализ существующих методов количественной оценки дополнительных осадок оснований сооружений, остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде.

Отмечается, что существенный вклад в исследуемую проблему внесли: Вознесенский Е.А., Герсеванов Н.М., Григорян С.С., Зарецкий Ю.К., Иванов П.Л., Ильичёв В.В., Красников Н.Д., Ляхов Г.М., Лятхер В.М., Маслов Н.Н, Николаевский В.Н., Рассказов Л.Н., Савинов О.А., Синицын А.П., Ставницер Л.Р., Цытович Н.А., Ишихара К. и др.

В настоящее время накоплено большое количество экспериментальных исследований грунтов при циклическом и вибрационном воздействиях в условиях компрессионного, трёхосного сжатия и сдвига (перекашивания).

Для описания дополнительных деформаций в условиях компрессии и сдвига используются эмпирические формулы, в том числе, экспоненциальная или логарифмическая функции.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям механических свойств грунтов при циклическом и вибрационном воздействиях.

Приводятся описания экспериментальной установки, позволяющей создавать циклическую и вибрационную уплотняющую нагрузки на образцах в компрессионном приборе и в приборе перекашивания.

По результатам компрессионных и трёхосных испытаний песчаных и связных грунтов при циклическом нагружении частотой 0,06 до 0,15 Гц (до 10000 циклов), а также результатам компрессионных и сдвиговых (перекашивания) испытаний песчаных грунтов при вибрационном воздействиях (20, 50, 100 Гц) (рис. 1, 2), определены коэффициенты виброползучести при компрессионном сжатии и сдвигн, причём K^к_вп > K^c_вп, где K^к_вп = е_ст/(е_ст + Де_дин), K^с_вп = г_ст/(г_ст + Дг_дин).

(а)

(б)

Рис. 1. Зависимости относительной деформации от времени песчаных образцов различного состава при статическом и дополнительном динамическом (вибрационном)нагружении в условиях компрессии (уплотняющая нагрузка 200 кПа)(а) и зависимости относительной деформации от дополнительной динамической (вибрационной) нагрузки от логарифма времени (б).