В 30-40-х годах XX века при исследовании процессов трения в машиностроении было установлено, что скачкообразность деформирования при внешнем трении обусловлена возбуждением релаксационных фрикционных автоколебаний (ФА).
Изучение проблемы показало, что процессы дискретного деформирования при внутреннем и внешнем трении протекают аналогично. Это позволило при математическом описании процесса автоколебательного разрушения грунта использовать теоретические предпосылки, разработанными такими основоположниками изучения проблемы ФА, как И.В.Крагельский, Ю.И.Костерин, В.А.Кудинов, Н.Л.Кайдовский, Б.В.Дерягин, Д.М.Толстой, Ф.П.Боуден, Х.Блок, М.Е.Эльясберг и др.
В результате был получен ряд зависимостей, пригодных для выполнения инженерных расчетов.
Так, в качестве описания динамического этапа было принято дифференциальное уравнение возмущенного движения
,
где m - масса активного тела, -ускорение колебаний, Т - сдвигающее усилие.
Решение этого уравнения позволило получить следующие характеристики динамического этапа:
- деформация сдвига
;
- скорость сдвига
;
- ускорение сдвига
;
- продолжительность динамического этапа
.
Здесь х0 - скорость деформирования; t - время; Кд - коэффициент жесткости динамометра; Тс - сопротивление страгиванию; - круговая частота; - начальная фаза колебания.
4. При статическом зондировании грунтовых оснований в определенных условиях процесс погружения зонда в грунт имеет дискретный характер, что связано с возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса.
При этом корректная интерпретация результатов зондирования без фиксации параметров автоколебаний невозможна.
Анализ полевых методов исследования динамической прочности показал, что существующие методы практически не затрагивают особенностей процесса разрушения и физический явлений, связанных с ним. В работе выполнена попытка предложить в качестве такого метода использование весьма распространенного метода статического зондирования грунтов. Анализ известной литературы и собственные исследования позволили предположить существование дискретности процесса погружения зонда в массив, что может быть связано с возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса. Накопление упругой энергии в этой системе происходит, по-видимому, вследствие изгиба стержня зонда, который необходимо рассматривать как задачу возможной потери устойчивости стержня в воздушной среде с ограниченной величиной максимального изгиба.
Благодаря интерпретации результатов статического зондирования с точки зрения возникновения автоколебаний на конкретных площадках удалось установить ряд параметров, которые могут быть использованы при выполнении практических расчетов.
В качестве примера можно привести исследования, выполненные при статическом зондировании площадки строительства дворца водных видов спорта в Ново-Савиновском районе г.Казани установкой УЗК-15 (зонд II типа). Зондирование было выполнено в 10 точках.
Инженерно-геологический разрез площадки приведен на рис.7 и в таблице 1. На рис.8 представлена диаграмма зондирования в точке статического зондирования №1.
Рис.7. Инженерно-геологический разрез в ТСЗ№1
( -- qc, --- fs)
Рис.8. График статического зондирования в ТСЗ №1 объекта: дворец водных видов спорта, г.Казань
Таблица 1
Инженерно-геологическое описание грунтов в ТСЗ №1
|
№ ИГЭ |
Характеристика ИГЭ |
Мощность, м |
|
|
1 |
Почвенно-растительный слой |
0,4 |
|
|
2а |
Глина твердая, полутвердая коричневая макропористая |
1,1 |
|
|
3в |
Суглинок мягкопластичный коричневый, макропористый |
2,8 |
|
|
3б |
Суглинок тугопластичный коричневый, макропористый |
1,7 |
|
|
7а |
Песок средней крупности водонасыщенный желтовато-коричневый, средней плотности |
5,6 |
|
|
N2б |
Глина неогеновая тугопластичная серая, слюдистая |
3,4 |
В интервале глубины 6-11,6м залегает слой ИГЭ 7а - песок аллювиальный, средней крупности со следующими характеристиками: природная влажность 0,18-0,25, плотность с=1,99-2,10г/см3, коэффициент пористости е=0,50-0,67, угол внутреннего трения ц=31-36°, модуль деформации Е=28-45МПа.
По данным инженерно-геологического отчета ОАО «КазТИСИз» в ИГЭ 7а не выявлено наличие существенных прослоев и неоднородных включений. Однако, как видно из приведенной диаграммы, скачки сопротивления грунта под наконечником зонда qс внутри одного слоя достигают 7-10 МПа, сопротивления на участке боковой повехности fs - 80-120 кПа.
Представляется, что подобные скачки связаны не с изменчивостью свойств массива грунта, а с возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса.
На рис.9 приведена диаграмма полного сопротивления погружению зонда F=R+Q в рассматриваемой точке статического зондирования ТСЗ№1.
Пунктирной линией показано полное сопротивление по боковой поверхности.
где u - периметр зонда, fsi - сопротивление по муфте трения, hi - мощность i-го слоя грунта.
Рис.9. Диаграмма полного сопротивления погружению зонда (F) и сопротивления по боковой поверхности (Q) в ТСЗ №1
Полученная диаграмма подтверждает дискретный механизм погружения зонда. На участках возрастания усилия погружения происходит накопление упругой энергии в системе до некоторого пикового значения Fmax. Процесс погружения при этом характеризуется ростом нагрузки без существенного перемещения наконечника зонда по глубине, но с появлением продольного изгиба стержня зонда. Это связано, прежде всего, с малым по сравнению с длиной диаметром стрежня зонда и, как следствие, его высокой гибкостью. С ростом нагрузки система «зонд-грунт» переходит в состояние предельного равновесия и в определенный момент наконечник зонда резко перемещается со скоростью, значительно большей, чем заданная.
На приведенной диаграмме полного сопротивления погружению зонда в слой ИГЭ 7а, можно зафиксировать максимальные и минимальные значения сопротивления. При этом скачки сопротивления погружению обусловлены не изменчивостью свойств массива грунта ИГЭ 7а, а возбуждением в системе «зонд-грунт» автоколебательного процесса.
Т.е. массив грунта ИГЭ 7а обладает для любой глубины H гарантированной пиковой статической прочностью Fst,max (кривая АВ, рис.10), минимальной статической прочностью Fst,min (кривая СD) и кинетической прочностью Ff (кривая KL). Интерпретация результатов зондирования при этом должна основываться на том, в каких условиях - статических или динамических - будет работать система «свая-грунт».
Рис.10. К интерпретации результатов статического зондирования
Если речь идет об обычной работе сваи под действием статической нагрузки, то в массиве грунта реализуется статическая прочность Fst,max и при определении несущей способности в расчете должны быть использованы пиковые параметры сопротивления погружению зонда.
В случае динамического режима работы сваи прочность массива грунта должна оцениваться кинетической прочностью Ff, соответствующей реализации трения скольжения.
На рассматриваемом объекте предполагается использование свай марки С90-30-8у, работающих в статическом режиме.
Согласно п.7.3.11 СП 50-102-2003 частное значение предельного сопротивления забивной сваи в точке зондирования Fu определяется в зависимости от значения qс, которое принимается равным среднему сопротивлению грунта под конусом зонда на участке, расположенном в пределах одного диаметра выше и четырех диаметров ниже отметки острия сваи и в зависимости от fs, - среднего значения предельного сопротивления на боковой поверхности.
В ТСЗ №1 для глубины 9м эти значения будут равны:
qc=10,9МПа, fs=33,8кПа
Тогда Fu=787кН.
Если же применять методику обработки результатов зондирования с помощью теории автоколебаний, то в данной точке пиковая статическая прочность грунта обусловлена значениями сопротивлений qc=20МПа, fs=45,3кПа.
Тогда предельное сопротивление сваи Fu=1029кН.
Аналогичные результаты были получены и в других точках статического зондирования. В результате было установлено, что значение предельного сопротивления забивной сваи, вычисленного с помощью метода автоколебаний, больше того же значения по СП 50-102-2003 в среднем на 24%.
В ноябре 2009г на площадке строительства ОАО «КазТИСИз» выполнило испытания 12 свай марки С90-30-8у статической вдавливающей нагрузкой. В результате для сваи №21, наиболее близко расположенной к точке статического зондирования №1, срыв произошел при нагрузке 1210кН.
Как видно, интерпретация результатов зондирования с помощью метода автоколебаний дает более близкие к реальным значениям результаты.
В данном случае, это позволяет получить весьма существенную экономию.
Для экспериментальной проверки дискретности процесса погружения зонда вследствие его изгиба в лабораторных условиях была сконструирована установка, состоящая из лотка цилиндрической формы, заполняемого грунтом, и нагружающего устройства для вдавливания зонда в грунт в статическом режиме.
Лоток изготовлен из металлической бочки 1 диаметром 0,7м и высотой 1м. Нагружающее устройство представляет собой жесткую раму, состоящую из направляющих вертикальных стоек 2 и опорных балок 3, 4. Зонд 5 погружается в грунт с помощью домкрата 6.
Вдавливающее усилие измерялось при помощи динамометра 7 ДОСМ-3-02.
Перемещение верхнего конца зонда фиксировалось с помощью прогибомера 6-ПАО с ценой деления 0,01мм.
Принципиальная схема установки показана на рис.11.
1 - лоток; 2 - направляющие стойки; 3, 4 - опорные балки; 5 - зонд;
6 - домкрат;7- динамометр ДОСМ-3-02; 8 - прогибомер 6-ПАО
Рис.11. Схема лотка для испытания грунтов
Испытания производились с помощью зондов разной длины, изготовленных из металлических стержней диаметром 5мм и конусообразного наконечника диаметром 7мм с углом вершины 60°.
В качестве основания в лотке был использован песок аллювиальный, средней крупности.
Укладка песка производилась с послойным (через 5см) уплотнением ручной трамбовкой. Плотность укладки каждого слоя проверялась в трех точках с помощью режущего цилиндра диаметром 60 мм и высотой 40мм.
Основная цель экспериментов - получение автоколебаний системы «зонд-грунт» с построением диаграмм сопротивления погружению.
Для этого в лотке были смоделированы грунтовые условия, благоприятствующие появлению продольного изгиба стержня зонда. Например, в одной серии в нижней части на высоту 60см укладывалось песчаное основание заданной плотности и влажности, выше - на высоту 40см - песчаное основание, отсыпанное либо без уплотнения, либо меньшей плотности.
На рис.12 приведена диаграмма сопротивления погружению, полученная при следующих условиях:
ИГЭ-1: плотность с=1,6 г/см3; влажность w=0,03;
ИГЭ-2: с=2,1 г/см3; w=0,11;
длина зонда - 700мм.
Рис.12. Диаграмма сопротивления погружению и характер изгиба зонда в экспериментальном лотке
Как видно, слой ИГЭ 1 зонд проходит с незначительным сопротивлением погружению около 100Н. Ось стержня при прохождении прямолинейна, скорость погружения постоянна. При вхождении в слой ИГЭ 2 сопротивление резко возрастает до 500Н. При прежней постоянной скорости нагружения процесс погружения зонда резко замедляется, сопровождаясь продольным изгибом стержня в слое ИГЭ 1.
Далее процесс погружения происходит дискретно, когда участки статического, медленного набора прочности сменяются участками мгновенной динамической разгрузки.
Таким образом, в экспериментальном лотке при статическом зондировании были зафиксированы скачки сопротивления погружению, не связанные с неоднородностью грунтового основания или с наличием каких-либо включений.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Предлагаемый метод автоколебаний основан на определении параметров песчаного грунта, напрямую характеризующих его способность противостоять внешнему динамическому воздействию, т.к. они получены в результате возбуждения в процессе разрушения динамических процессов.