Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Исследование динамической прочности песчаных грунтов методом автоколебаний
Специальность
25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
Латыпов Айрат
Екатеринбург - 2011г.
Работа выполнена на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» и на кафедре общей геологии и гидрогеологии ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».
Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент
Драновский Абрам Нисонович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Корнилков Михаил Викторович
кандидат геолого-минералогических наук
Подкорытова Лидия Ивановна
Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Практика современного проектирования требует решения многих вопросов, связанных с поведением оснований под действием динамических нагрузок. В связи с увеличением интенсивности техногенного вибрационного воздействия на основания зданий и сооружений, строительством в сейсмичных районах, проектированием фундаментов, работающих в условиях динамического нагружения, актуальность рассматриваемой в данной работе проблемы в последнее время значительно возросла.
Многочисленные наблюдения и эксперименты за динамическими воздействиями на грунты позволили установить, что деформации наиболее значительны в тех случаях, когда основанием служат песчаные грунты. Поэтому в диссертации рассмотрены результаты теоретических и практических исследований динамической прочности только песчаных грунтов.
Анализ известной литературы о поведении грунтов при динамических воздействиях показал, что результаты исследований и выводы исследователей чрезвычайно противоречивы. Так, природа изменения прочности и плотности грунта Г.И. Покровским, Д.Д. Барканом, И.А. Савченко, Е.М. Перлеем и др. объяснялась изменением коэффициента внутреннего трения и сцепления грунта, причем решающим фактором выступало ускорение колебаний. В то же время ряд авторов (П.Л. Иванов, Ю.К. Зарецкий, Н.В. Флорина, Л.А. Эйслер) придерживался противоположного мнения, заключающегося в том, что изменение сопротивления грунтов сдвигу при вибрациях происходит не за счет изменения угла внутреннего трения, который остается почти таким же, как и при статических воздействиях, а в связи с кратковременным изменением напряженного состояния.
Исследования, проводимые в нашей стране и за рубежом в последние тридцать лет, показали, что возникновение и развитие в грунтах необратимых деформаций определяется не ускорениями движения грунта, а инерционными силами или динамическими напряжениями в грунте. Это обусловило отказ от общепризнанной определяющей роли ускорений и переход к методике исследований динамической деформируемости грунтов в условиях контролируемых напряжений и деформаций.
В последние годы ряд исследователей объясняют реакции грунтов на динамическое воздействие теориями усталостного разрушения материалов. Под усталостью обычно понимается снижение прочности и повышение деформируемости материалов в условиях динамического нагружения. В настоящее время не разработано единой теории усталостного разрушения даже таких однородных материалов как металлы. Для грунтов же явление усталости является вообще слабо изученным.
К наиболее полным и значительным работам в этой области следует отнести работы Е.А.Вознесенского, которым для оценки реакции грунтов на динамическое воздействие был предложен термин динамическая неустойчивость грунта, под которой понимается повышение вероятности разрушения грунта при динамическом нагружении по сравнению со статическими условиями.
Работы многих авторов посвящены экспериментальным исследованиям, направленным, как правило, на изучение влияния отдельных факторов, и содержат лишь конечные результаты о динамической прочности, мало затрагивая особенности процесса разрушения и физических явлений, связанных с ним.
Недостатком современных моделей поведения массива грунта под действием динамических нагрузок является то, что в них используются те же механические характеристики, что и при статическом нагружении, например, определяется влияние динамичности на кулоновские характеристики прочности. Однако исследования различных авторов показывают, что при динамических нагрузках прочность грунта не всегда подчиняется закону сухого трения, поэтому определять параметры прочности Кулона при интенсивной динамической нагрузке бессмысленно. Кроме того, использование пиковых статических характеристик прочности при расчете оснований на действие динамической нагрузки приводит к завышенным результатам.
Все это говорит о недостаточной изученности влияния динамического нагружения на сопротивление несвязных грунтов сдвигу и деформации оснований. автоколебание деформированный песчаный
Объектом исследований являются песчаные грунты.
Предметом исследований является реакция песчаных грунтов на действие динамической нагрузки.
Идея работы. Способность грунта противостоять действию динамической нагрузки может быть оценена с помощью метода автоколебаний, так как он основан на определении параметров песчаного грунта, полученных в результате возбуждения в процессе разрушения динамических процессов.
Цель диссертационной работы состоит в изучении особенностей работы песчаных грунтов при динамическом воздействии и разработке рекомендаций по определению и применению параметров динамической прочности грунтовых оснований методом автоколебаний.
Для реализации данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
· выполнить анализ и обобщение опубликованного материала по исследованиям реакции песков на динамические воздействия;
· провести экспериментальные исследования прочности песчаных грунтов в лабораторных условиях и при полевых испытаниях при автоколебаниях;
· выполнить упруго-пластический анализ напряженно-деформированного состояния, установить критерии возникновения автоколебаний, сформулировать условие динамической устойчивости песчаных оснований.
· разработать рекомендации по определению и применению параметров динамической прочности грунта методом автоколебаний для решения инженерных задач.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований прочности песчаных грунтов, разработке рекомендаций по определению и применению параметров динамической прочности для решения инженерных задач.
Фактический материал. Лабораторные исследования были выполнены на образцах нарушенной структуры, изготовленных из аллювиальных кварцевых песков позднего неоплейстоцена (aQIII) первой надпойменной террасы р.Казанки.
Методы исследований. Предмет исследований диссертационной работы находится на стыке ряда отраслей знаний, среди которых можно выделить механику грунтов, инженерную геологию, строительную механику, трение металлов, теорию упругости и пластичности, основания и фундаменты. В целом методика исследований направлена на изучение процессов, происходящих в песчаном массиве при его разрушении.
Научная новизна:
1. Получены не имеющие аналогов диаграммы автоколебательного деформирования и разрушения песчаных образцов при кинематическом режиме нагружения.
2. Построены зависимости пиковой и остаточной прочности песчаных образцов от плотности, влажности и гранулометрического состава (эффективного диаметра D10).
3. Для оценки динамической прочности грунта предложены не использовавшиеся ранее параметры - угол трения скольжения, угол зацепления и связность частиц грунта.
4. Впервые показано, что дискретность процесса погружения зонда в однородных песках обусловлена его продольным изгибом.
5. Для интерпретации результатов статического зондирования впервые предложен метод математической обработки с помощью теории автоколебаний.
Практическая значимость проведенной работы состоит:
1. В разработке новой методики обработки результатов испытания грунта на срез - методики нормализации. Использование данной методики позволяет существенно снизить разброс определяемых прочностных характеристик и сократить количество необходимых испытаний.
2. В разработке методики обработки результатов статического зондирования грунтов при значительных скачках измеряемых параметров, что позволяет по-новому интерпретировать получаемые значения параметров зондирования для расчетов несущей способности свай.
3. Во внедрении результатов исследований динамической прочности в проектирование фундамента под компрессорную установку комплекса по производству полиэтилена ОАО «Нижнекамскнефтехим».
4. В использовании методики обработки результатов статического зондирования при инженерно-геологических изысканиях площадки Дворца водных видов спорта по ул. Чистопольской г. Казани.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих отечественных и международных конференциях:
- 52-я республиканская научная конференция (Казань, 2000);
- 4-та украiнська науково-технiчна конференцiя «Механiка грунтiв та фундаментобудувания» (Киев, 2000);
- 53-я республиканская научная конференция (Казань, 2001);
- международная научно-технической конференция «Современные проблемы фундаментостроения» (Волгоград, 2001);
- всероссийская научно-практическая конференция «Современные научно-технические проблемы транспортного строительства» (Казань, 2007);
- I всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2010г);
- VI всероссийская научно-практическая конференция «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2010).
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 9 статьях в журналах: «Инженерная геология» (Москва, 2011), «Известия КазГАСУ» (Казань, 2008, 2010) и сборниках трудов конференций «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2010), «Современные научно-технические проблемы транспортного строительства» (Казань, 2007), «Современные проблемы фундаментостроения» (Волгоград, 2001), «Республиканская научная конференция» (Казань, 2000, 2001), 4-я украинская научно-техническая конференция (Киев, 2000).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 89 наименований. Общий объем составляет 166 страниц машинописного текста, 51 рисунка, 9 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю профессору КГАСУ, кандидату технических наук А.Н. Драновскому за многолетнее обучение, научное руководство и теплое отношение.
Автор признателен профессору МГУ им.М.В.Ломоносова, доктору геолого-минералогических наук Е.А. Вознесенскому за ценные консультации и советы, заведующему кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ, профессору, доктору геолого-минералогических наук О.Н. Грязнову за содействие и помощь в защите диссертационной работы, заведующему кафедрой оснований, фундаментов и инженерной геологии КГАСА, кандидату технических наук Р.Р.Авазову.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Реакция песчаного грунта на динамическое воздействие может быть оценена с помощью метода автоколебаний, в котором запредельная стадия деформирования и разрушения грунта представлена как дискретный скачкообразный процесс. Учет возникающих при этом скоростей и ускорений позволяет рассматривать грунт как динамическую систему.
Выполнен обзор результатов экспериментально-теоретических исследований поведения песчаных грунтов при действии динамической нагрузки, проведенных в нашей стране и за рубежом. В результате установлено, что на сегодняшний день отсутствуют как единообразная методика проведения испытаний, так и достоверные параметры динамической прочности грунта. Большинство работ посвящены экспериментальным исследованиям и практически не затрагивают особенности процесса разрушения и физических явлений, связанных с ним, а в качестве исследуемых параметров прочности принимаются те же характеристики, что и при статических испытаниях. Кроме того, отсутствие общего подхода к проведению испытаний приводит к тому, что результаты исследований и выводы исследователей чрезвычайно противоречивы.
В основу работы положен принципиально новый подход к определению динамической прочности грунта - кинетический, впервые предложенный А.Н.Драновским. Реализация данного подхода с использованием метода автоколебаний позволила установить зависимость между параметрами процесса разрушения грунта в запредельной стадии деформирования и способностью грунта противостоять действию динамической нагрузки.