Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

УДК 624.131

К.В. Королев (СГУПС, г. Новосибирск)

НАЧАЛЬНАЯ, ПРОМЕЖУТОЧНАЯ И КОНЕЧНАЯ НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ

ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Основной теоретической базой для расчета несущей способности оснований зданий и сооружений по-прежнему остается теория предельного равновесия (ТПР) грунтов. Именно эти решения положены в основу определения несущей способности грунтовых оснований в СП [5].

Собственно говоря, «обойти» в этом смысле ТПР можно двумя способами – это или путем использования приближенных решений, или применения упругопластических.

Что касается приближенных решений, то их плюсы и минусы хорошо известны. С одной стороны – это простота и возможность учесть целый ряд дополнительных факторов, которые часто оказываются недоступными в рамках строгих решений ТПР. С другой – это все те проблемы, которые возникают при введении упрощений в строгие теоретические выкладки: сужение диапазона исходных данных, неопределенность в оценке результатов и так далее.

Упругопластические решения в практике геотехнических расчетов реализуются, как правило, методом конечных элементов (МКЭ). Широкое распространение программных в последние годы сделало очевидными те проблемы, которые связаны с расчетом предельной нагрузки в упругопластической постановке, и о которых впервые говорил еще О. Зенкевич. Причем, судя по всему, решение этой проблемы наталкивается на трудности принципиального характера, и окончательной ясности с тем, какой же выход может быть найден до сих пор, по-видимому, нет, хотя в самое последнее время в этом направлении достигнуты значительные успехи [6].

Больше того, и в том, и в другом случае строгие решения ТПР становятся в известном смысле эталонными, контролирующими, если так можно сказать, правильность и приближенных решений и упругопластических МКЭ.

Существует значительное число работ по ТПР как зарубежных, так и отечественных ученых, и хотя какое-то время ТПР находилась относительно в тени работ по упруго-вязко-пластическим моделям, именно в последнее время вновь наблюдается повышение интереса к статики сыпучей среды. В первую очередь это, конечно, связано с причинами, о которых сказано выше.

Обращаясь к методике СП, надо сказать, что, по существу, она представляет собой набор тех решений, которые вполне соответствуют современному уровню развития ТПР. Во всяком случае, решения, известные на сегодня и потенциально могущие дополнить СП, – это частные решения отдель-

521

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

ных задач, указывающие направление развития, но не обладающие достаточной для норм степенью обобщения. Имеется в виду, прежде всего, диапазон исходных данных.

Рассмотрим основные, принципиальные положения СП по расчету несущей способности оснований. Прежде всего, отметим принципиальную вещь, на которую, к сожалению, мало обращено внимание даже в литературе. Это – то, что при расчете несущей способности выделяется два основных, принципиально различных случая:

–нагружение грунтов без учета возникновения избыточного порового давления, т. е. грунтов в стабилизированном состоянии;

–нагружение медленно уплотняющихся водонасыщенных глинистых оснований с учетом возникновения избыточного порового давления, т. е. их возможного нестабилизированного состояния.

Собственно, причина отдельного рассмотрения водонасыщенных грунтов хорошо видна непосредственно из формулы Терцаги для определения сопротивления таких грунтов сдвигу – поровая вода, воспринимая часть нормальных напряжений, не может воспринимать касательных, поэтому те же значения касательных напряжений будут передаваться на скелет при меньшем обжимающем усилии:

n ( n u)tg c ,

где n и n – предельные значения полных касательных и нормальных напряжений площадке сдвига с нормалью n; u – избыточное поровое давление в грунте, возникающее при нагружении его предельной нагрузкой; и c – стандартные прочностные характеристики грунта, определяемые для водонасыщенных образцов в консолидировано-дренированных испытаниях.

Итак, СП содержит следующие положения по расчету несущей способности оснований:

–закон сопротивления водонасыщенных грунтов сдвигу (формула Терцаги) как основополагающий закон прочности водонасыщенных грунтов;

–расчет несущей способности водонасыщенных оснований одиночного ленточного фундамента (с учетом наклонной нагрузки) по формуле Прандтля для идеально-связной среды.

Учет эксцентриситета равнодействующей выполняется приближенно. Использование предлагаемой формулы Прандтля имеет ту особенность, что в таком виде не учитывается эффективное напраженное состояние, которое всегда имеет место к моменту нагружения основания, и, как будет показано ниже, оказывает влияние на величину несущей способности таких оснований. Это отчасти компенсируется введением в расчет величины удельного сцепления, определенной в недренированно-неконсолиди-

рованных испытаниях.

Там же, в СП сказано: «необходимо учитывать форму фундамента

ихарактер его подошвы, наличие связей фундамента с другими элементами сооружения, напластование и свойства грунтов основания. Проверку устой-

522

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

чивости основания отдельного фундамента следует производить с учетом работы основания всего сооружения в целом». Отсюда непосредственно сле-

дует ряд вопросов, необходимость решения которых продекларирована, но не обеспечена методически.

Таким образом, возникает необходимость нового этапа системного анализа расчетов несущей способности с единых позиций строго статического метода ТПР как крупной единой инженерной геотехнической проблемы. Это позволило бы существенно расширить существующую теорию и на ее основе получить ряд новых методик конкретных практических расчетов. И здесь можно сделать вывод об актуальности и даже необходимости построения новых решений ТПР водонасыщенных грунтов.

В рамках этого анализа приходим к постановке следующих вопросов:

–разработка системного подхода к решению задач предельного равновесия водонасыщенных грунтов на основе формулы Терцаги и теории мгновенной прочности Ю.И. Соловьева [4];

–решение задачи о начальной несущей способности водонасыщенного

основания при различных значениях коэффициента порового давления

( u/ , u и – поровое давление и среднее полное напряжение, возникающие в водонасыщенных грунтах при их нагружении до предельного состояния);

–решение задачи о конечной несущей способности, т. е. при нагружении с предварительным уплотнением водонасыщенного основания после завершения консолидации от этой уплотняющей нагрузки;

–решение задачи о промежуточной несущей способности, т. е. с предварительным уплотнением, но без выжидания окончания консолидации от этой уплотняющей нагрузки, т. е. при наличии в основании остаточного избыточного порового давления;

–обобщение этих решений, в частности, на схему близкорасположенных фундаментов.

Теория мгновенной прочности (ТМП) была разработана Ю.И. Соловьевым на основе предложений А.С. Строганова для оценки состояния предельного равновесия водонасыщенных грунтов. ТМП базируется на двух фундаментальных положениях:

–формула Терцаги;

–коэффициент мгновенного порового давления.

Отсюда следует условие предельного равновесия, записанное в полных напряжениях:

sin k cos ,

где ( 1 – 3)/2 и ( 1 3)/2 полуразность и полусумма главных полных напряжений; и k параметры мгновенной прочности водонасыщенно-

523

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

0 и u0 среднее значение эффективного напряжения и остаточное поровое давление, достигнутые к моменту нагружения основания до предельного состояния спустянекотороевремяt послеприложенияуплотняющегодавленияp0.

Это означает, что к моменту нагружения до предельного состояния

восновании существует некоторое эффективное напряженное состояние (как минимум, бытовое) и отсутствует избыточное поровое давление.

Поскольку условие мгновенной прочности водонасыщенного грунта сформулировано в полных напряжениях, то это позволяет записать основную систему теории предельного равновесия для условий плоской деформации

втрадиционной форме [3]:

где X и Z массовые силы.

Компоненты тензора полных напряжений даются зависимостями:

Для решения задачи необходимо задать не только граничные условия, но также начальные условия, так как прочность полностью водонасыщенного глинистого грунта зависит от достигнутого уровня эффективного напряженного состояния. Наименьшей несущей способностью консолидирующееся основание будет обладать в начальный момент приложения нагрузки. Соответственно, достигнутый уровень эффективного напряженного состояния будет определен бытовыми напряжениями в грунте. Назовем такую несущую способность начальной.

Предположим далее, что эффективные напряжения определены не только бытовым напряженным состоянием, но и некоторой уплотняющей нагрузкой. Назовем конечной несущей способностью водонасыщенных оснований несущую способность в случае наличия предварительного уплотнения, если догружение до предельного состояния производилось после завершения консолидации от предварительного уплотнения. И назовем промежуточной несущей способностью водонасыщенных оснований несущую способность в случае наличия предварительного уплотнения, если догружение до предельного состояния производилось до завершения консолидации от предва-

524

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

рительного уплотнения, т. е. при наличии в момент догружения помимо эффективных напряжений еще и остаточных поровых.

Ясно, что, во-первых, при данном уплотняющем давлении несущая способность будет изменяться от начального значения до конечного. Вовторых, конечная несущая способность будет зависеть от величины уплотняющей нагрузки.

Таким образом, при определении несущей способности водонасыщенных оснований следует различать три ее вида – начальную, конечную и промежуточную (рис. 1).

Рис. 1. Схемы к понятиям начальной, промежуточной и конечной несущей способностей

Перейдем к определению несущей способности водонасыщенного основания ленточного фундамента. Заметим, что угол зависит лишь от . Это обстоятельство имеет существенное значение при разработке вспомогательных таблиц и графиков, предназначенных для обеспечения практических расчетов. Последовательность краевых задач полностью совпадает с известным случаем стабилизированного основания.

Для получения практической формулы расчета начальной предельной нагрузки на водонасыщенное основание были выполнены серии численных решений данной задачи для широкого диапазона исходных данных. Если

провести анализ результатов расчета для пары значений и , то выясниться,

525

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

что полученные результаты численных решений были аппроксимированы стандартной формулой вида. Значения коэффициентов начальной несущей способности определялись методом наименьших квадратов. По изложенному алгоритму были определены коэффициенты начальной несущей способности консолидирующегося основания [2].

Обобщим эту задачу на случай стабилизированного состояния при уплотняющем давлении, превышающим бытовое, и отличное от единицы коэффициента порового давления. Эффективные уплотняющие напряжения определим как сумму гидростатических бытовых и дополнительных, рассчитанных по теории линейно-деформируемой среды. Решение также достигается численным интегрированием канонических уравнений в рамках описанной выше последовательности краевых задач.

Для практических расчетов были предложены таблицы и графики для определения коэффициентов конечной несущей способности при уплотняющем давлении, равном расчетному сопротивлению грунта, что обеспечивает безопасный режим нагружения основания [1].

Установлено, что прочность водонасыщенного грунта тем выше, чем скорее включается в работу скелет грунта, и чем выше уплотняющая нагрузка, от которой консолидация к моменту догружения до предельного состояния уже завершена.

Рассмотрим теперь задачу о штампе в условиях незавершившийся консолидации от уплотняющей нагрузки, т. е. о промежуточной несущей способности. Для расчетов с остаточным поровым давлениям понадобятся еще ряд характеристик. Поскольку в этом случае поле нейтральных напряжений рассчитывается по теории фильтрационной консолидации, то необходимо ввести следующие параметры: коэффициент Пуассона водонасыщенного грунта, модуль деформации, коэффициент фильтрации, шаг конечноразностной сетки для интегрирования основного уравнения фильтрационной консолидации, шаг интегрирования по времени.

Начальное распределение порового давления при интегрировании консолидационного уравнения определялось на основе решение Фламана. При постановке граничных условий подошва штампа принималась непроницаемой.

Проанализируем влияние на несущую способность такого основания остаточного порового давления. Для этого с момента приложения уплотняющей нагрузки рассмотрим несколько временных интервалов, через которые будем прикладывать разрушающие нагрузки, и рассмотрим их поведение. В результате было установлено, что конечная несущая способность при данном уплотняющем давлении будет изменяться от начального значения до конечного [3].

В серии задач о взаимном влиянии двух близко расположенных штампов на водонасыщенное основание хотелось бы отметить следующее. Компоновка краевых задач и граничные условия для этого случая описаны в [3].

526

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Установлено, что при сближении штампов на водонасыщенных грунтах их взаимное влияние на несущую способность сказывается тем значительнее, чем меньше коэффициент порового давления. Поскольку с уменьшением снижается и внутреннее трение, то такой вывод вполне соотносится с результатами, полученными ранее в задачах о двух штампах на «обычном» основании [3]. Аналогичным образом были решены схемы для произвольного числа фундаментов.

Итак, предлагается новая комплексная система расчетов несущей способности водонасыщенных оснований с единых позиций статического метода ТПР на основе полученных выше результатов.

Литература

1.Королев К.В. Конечная (максимальная) несущая способность водонасыщенного основания ленточного фундамента // Основания, фундаменты и механика грунтов – 2013. –

№4 – С. 8-12.

2.Королев К.В. Начальная несущая способность водонасыщенного основания ленточного фундамента при различных коэффициентах порового давления // Основания, фундаменты и механика грунтов – 2013. – №1 – С. 6-9.

3.Королев К.В. Плоская задача теории предельного равновесия грунтов. – Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2010. – 251 с.

4.Соловьев Ю.И. Жестко- и упругопластический анализ устойчивости и напря- женно-деформированного состояния грунтов. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1989. 42 с.

5.СП 22.13330.2011. Основания здания и сооружений. Актуализированная редак-

ция СНиП 2.02.01-83*. – М., 2011. – 162 с.

6.Шашкин К.Г., Шашкин В.А., Дунаева М.В. Численное моделирование задач предельного равновесия с помощью упругопластической модели // Геотехника. – №4. –

С10-23.

УДК 624.131

А.А. Ананьев (СПбГАСУ, Санкт-Петербург), А.В. Кондратенко (ВНИИОкеангеология, Санкт-Петербург), Е.С. Вознесенская (СПбГАСУ, Санкт-Петербург)

ПРОГНОЗ ОСАДКИ АГРЕГАТА СБОРА ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИИ НА ДНЕ ТИХОГО ОКЕАНА

Введение

В период с 1984 по 1991 гг. на кафедре геотехники СПбГАСУ (ЛИСИ) по заказу ВНИИОкеангеология Министерства геологии СССР выполнялись научно-исследовательские работы по проблеме подготовки к освоению минеральных ресурсов океанского дна (глубоководных железомарганцевых

527

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

конкреций в Тихом океане), включающие следующие направления: лабораторные исследования физико-механических свойств донных грунтов в стационарной лаборатории; разработка аппаратурно-методического обеспечения исследования механических свойств слабых грунтов в судовых лабораториях; физическое моделирование работы глубоководного грунтового основания при взаимодействии с подвижной нагрузкой в стенде специальной конструкции; аналитическое и численное моделирование взаимодействия глубоководного грунтового основания с подвижной и статической нагрузками; подбор имитаторов глубоководных грунтов. Научными руководителями работ являлись Б.И. Далматов, В.Н. Бронин, исполнителями А.А. Ананьев, Х.З. Бакенов, Е.С. Вознесенская, А.В. Голубец, сотрудники, аспиранты и студенты университета. Накопленный научно-технический опыт позволяет продолжать аналитические исследования.

Постановка задачи

Железомарганцевые конкреции (ЖМК) имеют довольно широкое распространение в глубоководных областях Мирового океана. ЖМК залегают преимущественно на поверхности дна в виде монослоя дискретных твердых минеральных образований небольших размеров, образуя рудные поля.

В настоящее время Российской Федерацией и Совместной организациией Интерокеанметалл (с долевым участием Российской Федерацией) по контрактам с Международным органом по морскому дну (МОМД) в рудной провинции железомарганцевых конкреций Кларион-Клиппертон, расположенной в северной приэкваториальной части Тихого океане, ведутся геологоразведочные работы на выделенных участках (рис. 1). В разведочном районе Российской Федерации в процессе геологоразведочных работ выделено месторождение-гигант комплексных Fe-Mn руд: крупное по Ni и Cu, уникальное по Co и Mn. Ресурсы разведочного района Российской Федерации позволяют полностью обеспечить 20-летний контрактный срок эксплуатации месторождения ЖМК согласно правилам МОМД [1].

Обзор научно-технической литературы по проблеме разработки технологии глубоководной добычи ЖМК, выполненный И. Л. Александровым [2] показывает, что принципиальная схема океанского глубоководного комплекса должна состоять из следующих составных частей: системы сбора ЖМК (самоходный или буксируемый агрегат сбора), гидравлической системы подъема ЖМК на борт судна обеспечения и системы перегрузки конкреций на судно-рудовоз. Конструкция агрегат сбора должна обеспечивать сбор ЖМК, отмывку их от донных осадков и предварительное дробление перед подъемом на борт судна обеспечения. Таким образом, по технологии работ, агрегат сбора (в дальнейшем АС) должен захватывать верхний слой осадков вместе с ЖМК и перемещаться по грунтам подстилающим конкрециеносный слой.

528

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Рис. 1. Распространение железомарганцевых конкреций в Тихом океане (А) и полигоны специализированных инженерно-геологических работ в рудной провинции Кларион-Клиппертон (Б):

1 – поля железомарганцевых конкреций; 2 – границы рудной провинции КларионКлиппертон; 3 – зоны трансформных разломов; 4 – разведочный район Российской Федерации; 5 – разведочный район Совместной организации Интерокеанметалл; 6 – полигоны специализированных инженерно-геологических работ [1]

На стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по технологии добычи ЖМК представляется актуальным выполнить прогноз осадки глубоководного основания при различных режимах нагружения (стоянка, движение АС), позволяющий оценить принципиальную пригодность АС к эксплуатации на грунтах океанского дна.

Методика и результаты изучения физико-механических свойств грунтов, подстилающих ЖМК

Систематические инженерно-геологические работы в рудной провинции Кларион-Клиппертон выполняются с начала 80-х годов прошлого столетия. Наиболее представительные данные по физико-механических свойствам донных отложений получены на полигонах где проводились специализированные инженерно-геологические работы (см. рис. 1).

Методика морских специализированных инженерно-геологических исследований основывается на интерпретации геоакустических данных, донного фотопрофилирования и грунтового пробоотбора. Глубинность грунтового проботбора достигает 4 м от поверхности дна. Физико-механические характеристики грунтов океанского дна определялись, в основном, в судовых ла-

529

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

бораториях на образцах ненарушенного сложения и в условиях естественного залегании. Получены фактические данные о геологическом строении, составе, состоянии и физико-механических свойствах грунтов океанского дна [3].

Первый (покровный) инженерно-геологический комплекс мощностью до 35 м, представлен, по классификации Я. В. Неизвестного, слабыми и мягкими глинистыми и кремнисто-глинистыми осадками голоцен-среднемио- ценового возраста. Характерными особенностями пелагических донных осадков является их высокая пористость (80–90 %) и полная водонасыщенность при практическом отсутствии газов в свободном и растворенном виде. Поровая вода отличается высокой минерализацией до 35 ‰. Пренебрегая небольшим содержанием газа в поровой воде донный грунт можно считать двухкомпонентной системой, состоящей из минерального вещества, образующего скелет грунта, и поровой воды.

Осадки покровного комплекса нивелируют неровности рельефа дна и занимают свыше 80 % поверхности дна, отсутствуя лишь на крутых склонах и участках подверженных донной эрозии. В верхней части комплекса, на границе с водной толщей, в слое мощностью до 0,15 м залегают ЖМК. Конкреции, как правило, до половины или на 2/3 погружены в донные осадки. Размеры конкреций варьируют от 1 до 18 см и более в поперечнике.

Испытания образцов грунтов проводились сразу после подъема пробоотборника на борт судна. Во время испытаний образцы грунта, при необходимости, находились под слоем морской воды.

Влажность и плотность осадков определялась по ГОСТ 5180–84. В полученные значения влажности осадков вносились поправки на минерализацию поровой воды. Влажность и плотность грунта использовались для расчета плотности сухого грунта, пористости, коэффициента пористости и плотности частиц грунта.

Физические свойства донных осадков, подстилающих ЖМК, по данным массовых определений в судовых лабораториях в интервале опробования 0-4 м представлены в табл. 1.

Таблица 1

Физические свойства глинистых грунтов подстилающего ЖМК слоя по результатам измерений в судовых лабораториях

Плотность грунтов ненамного превышает плотность придонной морской воды w 1,05 г/см3 (табл.1). В соответствии с ГОСТ 25100–95 грунты относятся к глинам текучепластичной и текучей консистенции.

Механические свойства осадков изучены на борту судна с использованием прибора вращательного среза, судового фильтрационно-компрес-

530