Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій

ЖДАНОВА Ірина Віталіївна

УДК 624.131.35+624.131.439

УДОСКОНАЛЕННЯ ВИЗНАЧЕНЬ ПОКАЗНИКІВ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НЕОДНОРІДНИХ ҐРУНТОВИХ МАСИВІВ ЗА

РЕЗУЛЬТАТАми СТАТИЧНОГО ЗОНДУВАННЯ

05.23.02 – “Основи і фундаменти”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ –2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті Міносвіти України в м. Алчевськ

Науковий керівник - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Черний Всеволод Гелійович,

Інститут проблем національної безпеки при Раді безпеки України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: – | доктор технічних наук, старший науковий співробітник Ремез Наталія Сергіївна

провідний науковий співробітник Інституту гідромеханіки

Національної академії наук України

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Романов Станіслав Васильович

завідувач відділу Науково-дослідного інституту будівельного виробництва

Провідна установа – | Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міносвіти України

Захист відбудеться ”20” вересня 2006 р. о 14-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, Київ – 37, вул. Івана Клименка, 5/2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, Київ – 37, вул. Івана Клименка, 5/2.

Автореферат розіслано ”18 ” серпня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради | Слюсаренко Ю.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Пальові фундаменти набули поширення 40-50 років тому, коли під забудову стали відводити землі, непридатні для сільськогосподарських робіт. Але методи їх розрахунків недосконалі, особливо у складних ґрунтових умовах. Використання в них ідеалізованих властивостей грунту і простих закономірностей ґрунтових процесів обумовило потребу у методах вишукувань з умовами навантаження ґрунту, подібними до умов навантаження палями. Це визначило значне застосування при вишукуваннях методу статичного зондування, що став головним при визначенні показників деформаційних і міцнісних властивостей ґрунтів для розрахунків паль, і через зазначену подібність умов навантаження ґрунту, і через економічність та простоту виконання.

Але при зондуванні показники властивостей ґрунту безпосередньо не визначають. Їх розраховують по емпіричних табличних даних, отриманих шляхом порівняння опору при зондуванні однорідних ґрунтових масивів з зазначеними показниками властивостей, визначеними іншими (звичайно штамповими) методами. Таке емпіричне визначення робить неправомірним застосування цих даних в умовах, відмінних від умов отримання. В неоднорідних масивах складних грунтових умов їх використання не коректне і може призвести до проектних помилок. Тому в Україні, де переважають складні ґрунтові умови, удосконалення методів розрахунків паль за результатами статичного зондування в неоднорідних ґрунтових масивах є вельми актуальною задачею.

Дослідження, представлені в даній роботі, виконані у рамках держбюджетної теми Міністерства освіти і науки, зареєстрованої в Українському інституті науково-технічної та економічної інформації, номер державної реєстрації №0105U000935 “Дослідження параметрів зон і стадій зсуву деформацій товщі порід при відпрацюванні світи пластів”.

Метою дослідження є визначення впливу неоднорідності ґрунтів на результати статичного зондування і розробка методів розрахунків показників властивостей ґрунтів за результатами статичного зондування з урахуванням цього впливу.

Досягнення цієї мети конкретизовано у задачах дисертації:

1.Встановити функціональну залежність вимірюваного при зондуванні опору ґрунту від показників його властивостей.

2. Визначити поширені у складних ґрунтових умовах України типи неоднорідностей ґрунтів, що впливають на результати зондування і роблять їх відмінними від результатів в однорідних грунтах.

3. Розробити методи визначення поправок в розрахунки показників властивостей грунту за результатами зондування в складних ґрунтових умовах з такими неоднорідностями.

Об'єктом досліджень є деформаційні процеси в ґрунті при вдавлюванні зонду.

Предметом досліджень є функціональні залежності опору грунту зондуванню від показників його властивостей, які визначають протікання деформаційних процесів.

Наукову новизну роботи становлять:

–

–

–

Практичне значення отриманих результатів:

–

–

Особистий внесок здобувача:

–

–

–

Апробація результатів дисертації. Головні результати доповідались на третій Українській конференції з механіки грунтів і фундаментобудування в Одесі у 2004 році, на семінарах в Донбаському технічному і Луганському сільськогосподарському університетах в 2005 році та на семінарі в НДІБК в Києві в 2006 році.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 друкованих робіт у фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести основних розділів, загальних висновків. Вона містить 176 сторінки, в тому числі 18 таблиць, 28 рисунків, і список використаної літератури з 159 найменувань на 9 сторінках та додатку на 3 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, описані наукова новизна, практичне значення, основні задачі, що розв’язані у роботі, дані про особистий внесок здобувача, апробацію, публікації і т.і.

У першому розділі роботи наведено огляд стану проблеми та визначені теоретичні передумови її вирішення. В геотехніці методи визначення показників властивостей грунту для розрахунків пальових і інших фундаментів - важливий напрямок, у якому працювало багато дослідників різних країн. Відзначимо відомих українських вчених, як І.П.Бойко, Ю.Л.Винников, М.Ф.Друкований, М.Л.Зоценко, С.М.Клепиков, М.В.Корнієнко, М.М. Кризський, О.В.Новський, А.С.Моргун, О.О.Петраков, С.В.Романов, В.І.Снісаренко, В.Г.Таранов, Ю.Ф.Тугаєнко, О.М.Трофимчук, В.Г.Черний, Г.І.Черний, В.Г.Шаповал, В.Б. Швець, О.В. Школа та ін. Але незважаючи на значні досягнення, внаслідок складності властивостей грунту методи розрахунків фундаментів по граничних станах недосконалі.

В них неоднозначні грунтові процеси, на які впливає вологість, час навантаження, інші чинники, замінені лінійними, несталі показники властивості грунту – сталими. Вплив цієї невідповідності локалізують коефіцієнтами запасу і наближенням умов навантажень при вишукуванні до умов експлуатації, що зменшує відхилення закладених в проект властивостей від реальних. Це визначило для паль пріоритет отримання показників властивостей грунту зондуванням, як методом зі схожими з палями умовами навантаження.

Але метод визначення показників властивостей ґрунтів за результатами зондування має недолік. Він розроблений на емпіричній основі, що визначає коректне застосовування його лише в умовах однорідних грунтів, де він був одержаний. В неоднорідних масивах складних ґрунтових умов визначення показників властивостей грунту за результатами зондування не здійснювалось, тому для цих умов існуючі методи потребують уточнення.

У цих масивах неоднаково протікають деформаційні процеси різних масштабів (М) - відношень лінійних розмірів областей деформування до розмірів неоднорідностей. При великомасштабних процесах (М10) переміщення йде по слабких контактах, з малим опором тиску, при маломасштабних (М~1) – руйнування ”моноліту”, з більшим опором. Через це в першому випадку міцнісні показники менші і стабільні, в другому - більші і теж стабільні, при проміжних середньомасштабних процесах – несталі. Тому при випробуваннях зразків ґрунту ці показники - одні, при штампових – інші, а під фундаментами – ще інші. Але методи визначення показників властивостей ґрунтів за результатами статичного зондування зазначену неоднозначність деформаційних процесів і залежність показників властивостей від масштабу деформування не враховують.

Умови навантаження ґрунту зондом близькі, але не ідентичні умовам навантаження палями, оскільки їхні лінійні розміри різні. Тому в неоднорідних грунтах навколо зонду процеси переважно маломасштабні, навколо паль - середньомасштабні, з нижчими показниками опору, тому розрахунки їх несучої здатності можуть бути вище реальних, а існуючі методи розрахунків, розроблені в однорідних грунтах, де немає поняття масштабу деформаційних процесів, це не враховують. Це визначає потребу в методах урахування впливу неоднорідності на показники властивостей ґрунту, одержані методом зондування.

Але емпіричні методи для розробки цих методів не придатні, оскільки важко провести потрібну кількість експериментів в дуже різноманітних неоднорідних масивах складних грунтових умов. Розробити їх можна лише на основі загальних теоретичних закономірностей деформаційних процесів. Для зондування такі дослідження відсутні, однак є такі результати для схожих грунтових процесів. Так в роботах Г.І.Черного описані закономірності розподілу напруг, деформацій і витрат енергії на неконсолідаційне деформування грунту навколо джерела навантажень кінцевого розміру. Вони придатні для процесів, що протікають навколо зонду, що дає змогу одержати функціональні залежності показників деформаційних і міцнісних властивостей ґрунту від його опору зондуванню.

Таким чином ступінь вивчення питань, що розглядаються в дисертації, свідчить, що існує теоретична основа для вирішення поставлених в дисертації задач.

У другому розділі обгрунтовано метод та методики дослідження. Визначення впливу неоднорідності ґрунтів на результати статичного зондування при різноманітності неоднорідностей масивів у складних грунтових умовах можливо лише по загальних теоретичних закономірностях деформаційних процесів. Але складність і неоднозначність грунтових процесів потребує перевірки теоретичних закономірностей, які використовують для вирішення інженерних задач. Це визначило використання в дисертації емпіро-аналітичного методу досліджень, як основного. Його складові - теоретичні дослідження закономірностей грунтових процесів при зондуванні і їх експериментальна перевірка.

Методика визначення напруг і деформацій навколо зонду передбачає використання моделей пружного тіла, сипучого середовища, в’язкопластичного тіла, а визначення областей застосування цих моделей – з використанням моделі Бінгама. Для вирішення основної задачі дисертації суму витрат енергії на деформаційні грунтові процеси навколо зонду прирівнюють до витрат на його вдавлювання. Оскільки витрати енергії на деформаційні процеси розраховують за показниками деформаційних і міцносних властивостей грунту, це дає змогу одержати функціональні залежності зазначених показників від опору ґрунту зондуванню.

З урахуванням можливості відтворювати у грунтовому лотку близьку до натурної будову грунтового масиву та занурювати у нього зонд стандартного розміру експериментальну перевірку одержаних теоретичних залежностей доцільно здійснити шляхом лоткових експериментів.

Третій розділ присвячено теоретичному дослідженню деформування грунту при статичному зондуванні. Був розглянутий напружено-деформований стан грунту під жорстким штампом, використаним як аналог зонду (рис.1). В площині під ним виникає трикутна зона 1 простого деформованого стану. Перша лінійна стадія осадки відбувається за рахунок одноосьового стиснення грунту в цій зоні, друга нелінійна – за рахунок об’ємної деформації за її межами, в зоні 2, і радіального переміщення з відповідною деформацією формозміни в обох зонах, третя стадія – випір грунту. Відповідно для першої стадії застосовують пружну модель, для третьої – сипуче середовище, а для різнорідних процесів другої, найменш вивченої стадії, такої єдиної моделі грунту нема.

b q

р

A В Рис.1 Схеми напруг

2 2 1 під штампом на другій

1 2 1 2 стадії осадки і під

2 C 2 rз зондом при його

1 2 1 вдавлюванні в грунт

1 2

1

При зондуванні трикутна зона простого деформованого стану грунту відсутня, оскільки її місце займає конус, неможливий і випір, тому напружено-деформований стан грунту подібний до складного мало вивченого стану другої стадії осадки штампу. Від дії штампу зонд відрізняє швидке навантаження, внаслідок чого об’ємна деформація грунту протікає по динамічній схемі, неконсолідаційно, лише за рахунок закриття вільних пор.

Навколо зонду при вдавленні утворюється округле ядро гранично ущільненого грунту, яке на другій схемі рис. 1 обведене штрихами. Його форма, згідно літературних даних, мало залежить від кута при вершині конусу і навіть від форми зонду. При дослідженні напружено-деформованого стану навколишнього грунту зонд разом з цим ядром можна вважати зосередженим джерелом збурення, радіусом rз. Виходячи з цього у дисертації використані описані в літературі, зокрема в роботах Г.І.Черного, закономірності розподілу напруг і деформацій, а також витрат енергії на деформаційні процеси навколо такого джерела збудження, що протікають у неконсолідаційній формі.

Об’ємна деформація навколо зонду у щільному і нещільному грунті змінюється по різному. У нещільному на безрозмірній відстані ro, що вимірюється в радіусах зонду rз :

(ro) = * ro-1,2 при ro1, ro=r//rз (1)

В плоскій задачі, де дивергенція =2, показник 1=2,, в просторовій, де =3, 2=3, а постійна для кожного грунту величина є функцією модуля неконсолідаційної деформації Е: =(Е) і, згідно закону збереження енергії має відповідати умові: 1. У щільному грунті до зонду прилягає зона граничного ущільнення, радіусом rу, де об’ємна деформація є максимальною *. Формулі (1) у такому грунті відповідають вирази:

= * = const при rз r rу або 1/roу roо1

(roо) = * roо-3,4 при r rу або roo 1, roо=r/rу= rо/rоу (2)

3 = 2/ при =2, 4 = 3/ при =3, де / 1

Показники 1,2,3,4, від яких залежить затухання об’ємної деформації, визначені з умови рівності маси грунту mо, що її витісняє зонд, і прирощення маси в навколишньому масиві внаслідок об’ємної деформації m. При mо=rз2hodh, для 1 маємо :

2

dm=rз2 o*ro1- 1dhdhdro, m=rз2 dho* ro1-1dro=2rз2 dh o*/ (1-2)= rз2hodh

0 1

Після рішення відносно 1 одержимо: 1 = 2 + 2* (3)

Подібна формула для 2: 2 = 3 + 3* (4)

Для 3: 3=2 + 2*roу2/(1+ *- *roу2) (5)

Для 4: 4=3 +3* roу3/(1+ * - * roу3) (6)

Об’ємну деформацію, при радіальному переміщенні грунту від зонду, як центру або осі симетрії, на відносну відстань uo (uo=u/rз), доповнює лінійна, а потім і пластична деформація формозміни, зі збільшенням ширини елементарних об’ємів грунту b на b. Її визначає відношення uo/ro , що є мірою деформації формозміни: uo/ro = b/b

Другі інваріанти девіаторів тензорів деформації /(2) на площині і в просторі становлять:

/(2) = 2uo/ro , при = 2, /(2) = 22uo/ro, при = 3

Величини uo, від яких залежить затухання деформації формозміни, визначені з умови рівності mо - маси грунту, що витіснив зонд, і суми її прирощень у довільному об’ємі радіусом ro: від його об’ємної деформації mr, від відсування на uo зовнішньої границі mu та від деформації в прирощеній частині об’єму mu , тобто mо=mr +mu+mu,

Кінцеві формули мають вигляд у нещільному грунті при =2:

uo=ro[ 1+1/ro1 (* ro-1+1) -1], при =2, (7)

У щільному, в зоні граничного ущільнення, тобто за умов ro< roу

uo=ro[1+1/ro2–*/(1+*) -1] при =2 (8)

За її межами, при roo>1:

uo=roо[ 1+ * (1 +rоо2-3)/roо2(1 +* roо- 3) (3-2) -1] при =2 (9)

Наведений розподіл напруг і деформацій дає змогу визначити витрати енергії на деформаційні процеси, що протікають при зондуванні. На об’ємну деформацію елементарного об‘єму: dЭу = Р dV/2.

Лінійно зростаючий тиск дорівнює Р=Е(1+ 2)/3, де - коефіцієнт бокового тиску

Усі витрати енергії на лінійну об’ємну деформацію при зондуванні нещільного грунту:

Эу=3rз2hЕ(1+2)*2/8(1-1) при =2, (10)

Щільного грунту:

Эу=3/8rз2rоу2hЕ(1+2)*2[(rоу 3-2-1)/(3-2)+ 1/2(3-1)] при =2, (11)

Витрати енергії на деформацію формозміни елементарного об’єму на лінійній стадії при =2:

dЭф=/(2)/(2) dV/2, /(2) =Е* rо-1 (1-), /(2) = 4 1 /3=4* rо-1/3 (12)

Остаточні витрати енергії на лінійну деформацію формозміни нещільного грунту такі:

Эф=4rз2hЕ(1-)*2/3(1-1) при =2, (13)

Для щільного грунту:

Эф=4/3rз2rоу2hЕ(1-)*2[(rоу 3-2-1)/ (3-2)+1/2(3-1)] при =2 (14)

Витрати енергії на пластичну деформацію за зоною граничного ущільнення Эпл для зручності поділені на витрати на роботу проти сил внутрішнього тертя Эфт і зчеплення Эфс. Остаточні формули, що визначають ці величини в нещільному грунті мають вигляд:

Эфт=4 rз2hu*Е* tg(1-пл)/31, Эфс=4rз2h u*(1-пл)С/31 при =2 (15)

У щільному:

Эфт=4rз2rоу2hu*Е*tg(1-пл)/33, Эфс=4rз2rоу2hu*(1-пл)С/33 при =2 (16)

де пл – пластичний коефіцієнт внутрішнього тертя пл=(1-sin )/(1+sin )

Витрати енергії на пластичну деформацію в контурі зондування і зоні граничного ущільнення теж поділені на витрати на роботу проти сил внутрішнього тертя Эфт і зчеплення Эфс. Вони становлять для нещільного грунту:

Эфпт=2еrз2hu*(rоу2–1)Е*(1-пл)tg/3, при =2, (17)

Для щільного грунту: Эфпс=2/3еrз2hu*(rоу2 –1)(1-пл)С, при =2 (18)

Отримані формули були використані далі для визначення функціональних залежностей показників властивостей грунту від його опору зондування. Зроблені також чисельні розрахунки по цих формулах.

В четвертому розділі описані експерименти по зондуванню грунтів в лотку, з застосуванням стандартного зонду і стандартної методики зондування. Їхньою метою була перевірка і доповнення отриманих теоретичним шляхом закономірностей протікання деформаційних процесів у ґрунтових масивах, з неоднорідностями, типовими для складних ґрунтових умов України. Провадилися вони у сухому піску, вологому піску, суглинку і тих же ґрунтах з додаванням у їх склад 20% по об’єму гранітного щебеню, з лінійними розмірами зерен до 8 – 10 мм. У цих неоднорідних масивах при зондуванні деформаційні процеси протікали як середньомасштабні. Макронеоднорідність масивів, де вони протікали, як маломасштабні, створювалась жорсткою перешкодою (дном лотка) і границями шарів піску і суглинку, у яких опір вдавленню зонда відрізнявся в 2,5 рази. Загальна схема експериментів і схема окремих випробувань наведені на рис.2 і 3.

домкрат 1 2 3

індикатор руху динамометр

грунт штанга 4 5 6

зонд

Рис.2 Схема дослідницького лотка з грунтом,

приладів і обладнання для експериментів Рис.3 Принципові схеми експериментів;

цифри відповідають нумерації експериментів

у програмі зондування, наведеній у тексті

В програму експериментальних досліджень були включені:

1 - пробні експерименти однорідних масивів (на відстані більше, ніж 0,4 м від стінок і поверхні грунту),

2 - зондування грунтів перед жорсткою перешкодою, на відстані від 10 см до 2-3 мм;

3- те саме, але у суглинку перед границею розділу його і міцнішого вологого піску;

4 - те саме, у вологому піску перед границею його і менш міцного суглинку;

5 - у вологому піску нижче границі його і менш міцного суглинку;

6 - у суглинку, нижче границі його і міцнішого піску;

7 і 8 - експерименти, аналогічні першим двом серіям, але в грунтах з щебенем.

сього у 8 видах дослідів у грунтах 4 типів, в тому числі у піску різної вологості, при трикратному повторенні кожного результату було намічено провести 60 окремих експериментів, але потім для отримання надійніших результатів їх чисельність було доведено до 80.

ерші пробні експерименти виконувались в однорідних ґрунтах. Вони підтвердили прийнятність вибраної методики і показали достатню збіжність результатів при триразовому повторенні. Наступні експерименти в неоднорідних масивах якісно і, в певній мері, кількісно підтвердили отримані теоретичні закономірності. Більший опір піску вдавленню зонду, порівняно з суглинком, кількісно відповідав теоретичному. Деяке перевищення експериментальних даних над теоретичними (до 20%) пояснюється тим, що останні було одержано лише для ближньої зони, безпосередньо біля зонду. Перед жорсткою перешкодою, а також перед границею с шаром більш міцного грунту опір вдавленню зонда зростав. Кількісно це відповідало, з точністю до 20 –25%, визначеному теоретично перевищенню опору при плоскому деформуванні порівняно з об'ємним.

В піску, зі значним опором вдавленню зонда, перед границею з суглинком, у якого опір менший, відбувалось зниження опору, що також відповідало теоретичним даним. Експерименти в піску нижче границі розділу із суглинком підтвердили і уточнили дані теоретичних розрахунків. Вони показали, що внутрішній випір при переході зонда з слабкого в більш міцний ґрунт впливає на опір грунту зондуванню до глибини, рівної 3-5 радіусів зонда. Експерименти в суглинку нижче шару піску підтвердили теоретичні дані, що віддалення від границі з більш міцним грунтом дещо зменшує опір вдавленню зонда.

Результати експериментів у ґрунтах з включенням твердих часток показали, що така неоднорідність призводить до зростання їх опору зонду, а також збільшує розсіяння результатів, відповідно до характеристик середньомасштабних деформаційних процесів у неоднорідних грунтах. Але кількісні величини показників деформаційних властивостей відносно показників властивостей основної складової ґрунту при цьому змінюються мало.

У п’ятому розділі визначені залежності показників деформаційних і міцнісних властивостей ґрунту від опору вдавленню зонду. Загальний опір грунту зонду q складає сума його опору деформаціям: об’ємній qо, формозміни qл та тертя зонду об грунт qтр:

q = qо + qф + qтр (19 )

Витрати енергії на роботу вдавлювання зонду Эq на одиницю довжини h складають:

Эq = rз2hq (20)

З формул (20) s (21), якщо нехтувати тепловими втратами енергії, витікає:

Эу+ Эф + Этр = Эq = rз2hq (21)

де Эу, Эф та Этр – витрати енергії на роботу по здійсненню зазначених трьох процесів.

Перші дві величини визначені у третьому розділі, третю визначає наближена формула:

Этр rз2 h kт tg, kт = 2 h (22 )

де rз –радіус зонда, l – висота муфти або кожуха, h – глибина зондування.

Величини в лівій частині рівняння (21) визначають показники деформаційних і міцнісних властивостей ґрунту, що дає змогу отримати функціональні залежності цих показників від опору грунту зондуванню q в правій частині рівняння. Замінивши ліву частину (21) витратами енергії на всі досліджених деформаційні процеси отримаємо:

Эу+ Эф + Этр = Эу+Эув+Эф+Эфт+Эфв +Эфтв+Этр = rз2 h[Е(kЕ+ kЕ) + Сkc + kтрtg)] (23)

Після заміни лівої частини згідно (21), визначення величин правої через показники властивостей грунту, рішення виразу відносно q і деякого перетворення, отримаємо очікувані функціональні залежності опору грунту від показників його деформаційних властивостей Е, і міцнісних tg і с: q = f (E, ,,C) у лінійному вигляді:

q = rз2 h[(kЕi+ kЕjtg)E + kсi С+kтрtg)], i,j =1,2,3,4 (24)

Коефіцієнти ki,j у щільному і нещільному грунті, плоскій і просторовій задачі різні. Вони становлять для нещільного грунту:

kЕ1=*2[(21-1)(41-14)/24(1-1)], kЕ1=2/3u**(1+пл) (e+2/1),

kc1 =2/3u*(1+пл) (e+2/1), при =2, =1 (25)

Для щільного грунту:

kЕ3=*2(41-14){1+rоу2[(rоу3-2-1)/(3-2)+1/2(3-1)]/12,

kЕ3=2/3*{u/*(1+пл)[e+2(rоу2-1)/3]+2u*rоу2/3},

kс3=2/3u*(1+пл)(e+2rоу2/3), при =2, =3 (26)

Практичне значення мають розрахункові формули, що відтворюють зворотні залежності показників деформаційних та міцнісних властивостей грунту від його опору вдавлюванню зонду Е=Е(q), С=С(q) і =(q). З них перші два також лінійні. Вони становлять:

Е= Е (q– kсj С – kтрtg), С=С [q – kт tg – (kЕi + kЕitg)E] (27)

де Е= 1/(kЕi + kЕi tg), С = 1/kсj

Значно спрощується перша формула (27), якщо нехтувати незначними витратами енергії на тертя зонду об грунт (що становлять менш 3% загальних витрат енергії) та на роботу проти сил зчеплення грунту (що становлять менш 2%). Вона за цих умов набуває вигляду:

Е = Е (28)

Результати чисельних розрахунків витрат енергії на процеси деформації при статичному зондуванні по отриманих розрахункових формулах для грунтів чотирьох типів наведені в таблиці 1

Таблиця 1

Дані про грунти | Витрати енергії на процеси деформації, джоулі

лінійні | пластичні, за рахунок | тертя зонду об грунт | всього

Склад | Е, МПа | ,град С,кПа | об’ємна деформація | деформація формозміни | внутрішнього тертя | зчеплення

Плоске деформування

Пісок | 10 | 37

- | 244,5 | 350,6 | 637,3 | - | 50 | 1283,4

30 | 130,2 | 292,2 | 747,2 | - | 50 | 1219,6

10 | 30

- | 244,5 | 350,6 | 428,9 | - | 38 | 1064,0

30 | 130,2 | 292,2 | 640,4 | - | 38 | 1100,8

Глина | 10 | 16 30 | 244,5 | 342,2 | 138,8 | 11,9 | 25 | 762,4

30 | 130,2 | 292,2 | 176,7 | 16,1 | 25 | 640,2

10 | 11

30 | 244,5 | 350,6 | 68,4 | 8,6 | 13 | 686,1

30 | 130,2 | 292,2 | 77,5 | 11,3 | 13 | 513,2

Просторове деформування

Пісок | 10 | 37

- | 220,0 | 340,2 | 566,4 | - | 50 | 1176,6

30 | 94,6 | 251,1 | 702,9 | - | 50 | 1098,6

10 | 30

- | 220,0 | 340,2 | 378,8 | - | 38 | 977,0

30 | 94,6 | 251,1 | 476,7 | - | 38 | 860,4

Глина

. | 10 | 16 30 | 220,0 | 340,2 | 124,3 | 10,7 | 25 | 720,2

30 | 94,6 | 251,1 | 146,6 | 13,9 | 25 | 531,2

10 | 11 30 | 220,0 | 340,2 | 61,6 | 7,8 | 13 | 642,6

30 | 94,6 | 251,1 | 77,5 | 9,9 | 13 | 446,1

З наведених в таблиці даних видно, що на роботу проти сил внутрішнього тертя в піску витрачається при зондуванні 50 -60% всієї енергії, а в глині – 10 - 20%, а на роботу проти сил зчеплення і тертя зонду в зв’язних грунтах витрачається її дуже мало.

Відзначимо, що відхилення до 5% важко визначити при експериментах у грунті. Відомо, що для грунтів емпіричні формули, за якими здійснюють розрахунки модуля Е по результатах зондування, як і більшість інших інженерних формул, що їх використовують для розрахунків параметрів грунтових процесів, дають більш значні відхилення. Визначення коефіцієнта Е у формулі (28) дає змогу отримати потрібні формули для грунтових умов, для яких емпіричні формули не розроблено. Такі самі формули пов’язують також q і С.

За наведеними вище формулами визначені чисельні значення розрахункових коефіцієнтів у функціях Е=Е(q), =(q) і С=С(q). Для грунтів двох типів ці значення коефіцієнтів наведені у таблиці 2.

Таблиця 2

Грунт | Вихідні дані | Розрахункові коефіцієнти

* | / rоу | /С,кПа | KЕi | kЕi tg | k с | k т tg | Е | С

Плоске деформування

Пісок | 0,15 | 0,3 | 2,3/- | 370/- | 0,095 | 0,0765 | - | 0,05 | 5,5

0,15 | 0,3 | 2,3/- | 300/- | 0,0507 | - | 0,038 | 6,90

Глина | 0,15 | 0,5 | 2,3/- | 160/30 | 0,0163 | 0,490 | 0,025 | 8,99 | 2,04

0,15 | 0,5 | 2,3/- | 110/30 | 0,0080 | 0,348 | 0,013 | 9,72 | 2,87

Пісок | 0,05 | 0,5 | 3,5/3 | 370/- | 0,059 | 0,0667 | - | 0,05 | 7,97

0,05 | 0,5 | 3,5/3 | 300/- | 0,0452 | - | 0,038 | 9,55

Глина | 0,05 | 0,5 | 3,5/3 | 160/30 | 0,0149 | 0,712 | 0,025 | 13,6 | 1,405

0,05 | 0,5 | 3,5/3 | 110/30 | 0,0073 | 0,519 | 0,013 | 15,1 | 1,935

Просторове деформування

Пісок | 0,15 | 0,3 | 2,3/- | 370/- | 0,065 | 0,0707 | - | 0,05 | 6,3

0,15 | 0,3 | 2,3/- | 300/- | 0,0472 | - | 0,038 | 7,35

Глина | 0,15 | 0,5 | 2,3/- | 160/30 | 0,0158 | 0,445 | 0,025 | 9,9 | 2,25

0,15 | 0,5 | 2,3/- | 110/30 | 0,0077 | 0,324 | 0,013 | 11,3 | 3,09

Пісок | 0,05 | 0,5 | 3,5/3 | 370/- | 0,052 | 0,0568 | - | 0,05 | 7,9

0,05 | 0,5 | 3,5/3 | 300/- | 0,0386 | - | 0,038 | 9,0

Глина | 0,05 | 0,5 | 3,5/3 | 160/30 | 0,0131 | 0,629 | 0,025 | 12,4 | 1,59

0,05 | 0,5 | 3,5/3 | 370/30 | 0,0063 | 0,458 | 0,013 | 15,4 | 2,19

Після отримання теоретичних коефіцієнтів в лінійних формулах , що зв’язують з опором зондування показники властивостей грунту залежності Е=Е q і С= С q було зроблене порівняння їх чисельних значень з такими же коефіцієнтами, які були отримані емпірично і рекомендовані нормативними документами для практичних розрахунків. При цьому враховано методику їх емпіричного отримання. Вони отримані при паралельному випробуванні зондуванням і навантаженням штампом одних і тих же грунтів, тобто ці коефіцієнти враховують різницю між консолідаційним ущільненням грунту під штампом і неконсолідаційним при вдавлюванні зонду з стандартною, достатньо високою швидкістю. Оскільки теоретичні коефіцієнти цю різницю не включають (вони розраховані на неконсолідаційне ущільнення зондом) при порівнянні були введені відповідні поправки, mk,які для піску дорівнюють 2 –2,5, для глини –1,5-2.

З урахуванням цього порівняння зазначених коефіцієнтів, теоретичних і емпіричних, зведене в таблицю 3.

Таблиця 3

Грунт | /С,

кПа | Емпіричні коефіцієнти | Теоретичні коефіцієнти | Відхилення, %

Плоска деформація | Просторова деформація

Е | Середнє Е | Е | Середнє Е

Пісок нещільний | 37 | 3 -3,3 |

2,75 | 3,3 | 3,15 | 3,4 | до 10%

30 | 3,45 | 3,65

Пісок щільний | 37 | 3,2 | 3,15

30 | 3,8 | 3,6

Глина

нещільна | 16 | 7,0 |

6,0 | 6,72 | 6,6 | 6,55 | до15%

11 | 6,48 | 7,52

Глина щільна | 16 | 6,8 | 6,2

11 | 7,55 | 7,7

.

Таким чином, результати розрахунків по теоретичним формулам показників властивостей однорідних ґрунтів двох типів показали розходження менше 10 – 15% від результатів розрахунків по емпіричним формулам, які звичайно застосовують для цих ґрунтів, що свідчить про відповідність прийнятих моделей грунтів їх властивостям і підтверджує правомірність практичного застосування одержаних теоретичних формул.

В шостому розділі визначені функціональні залежності показників деформаційних і міцнісних властивостей ґрунту від опору вдавленню зонду в неоднорідних масивах складних грунтових умов. Найбільш розповсюдженим типом неоднорідності будови грунтових масивів є шаруватість, з чергуванням тонких шарів і прошарків грунтів різної міцності, яка суттєво впливає на функціональні залежності від опору зондуванню показників властивостей грунту окремих шарів.

Другий тип неоднорідностей грунтових масивів створює наявність окремих твердих часток, щебінки, дресви або гальки. Нормативні документи не передбачають зондування таких масивів, однак при зондуванні окремі шари таких грунтів можуть зустрічатись. В них будова в значних об’ємах квазіоднорідна, а в малих неоднорідна, тому розрахунки показників деформаційних і міцнісних властивостей по результатах зондування дають завищені результати. При зондуванні грунтові деформаційні процеси в них масивах протікають маломасштабні, с значним опором навантаженню під фундаментами, в тому числі і пальовими – великомасштабні, з меншим опором.

Третій тип неоднорідностей грунтових масивів створюють вертикальні і близькі до них поверхні ослаблення, що утворюють з напрямком зондування гострі кути. Їхній вплив на результати зондування носить стохастичний характер і може бути розрахований лише ймовірнісно.

В грунтах першого типу виникають чотири варіанти впливу неоднорідності на результати зондування. Коли зонд пересікає шар неміцного грунту і наближується до границі з міцним, відбувається перехід від просторового до плоского напруженого стану, з відповідним зростанням опору вдавленню зонда. Його величина кількісно розраховується по описаних вище формулах для цих станів. Складнішою є оцінка зниження опору при наближенні зонду до границі з шаром менш міцного грунту.

При переході зонду через границю в менш міцний грунт відбувається різке зниження опору, але далі, з віддаленням від цієї границі він мало змінюється. В той же час, коли зонд переходить в шар міцного грунту з шару менш міцного, збільшення опору не різке, внаслідок випору грунту першого в другий, що на відміну від випору на вільну поверхню одержав назву внутрішнього. Він обумовлений не деформаційними властивостями грунту, в який вдавлюють зонд, а міцнісними, тобто дає в порівнянні з таким же опором однорідного грунту невірні показники деформаційних властивостей.

Формули для розрахунків глибини припинення випору були визначені за умови рівних витрат енергії на такий випір і на ущільнення відповідного однорідного масиву при зондуванні. Принципову схему такої задачі наведено на рис.5.

hв

А пр В

Рис. 5 Схема до визначення зовнішнього

і внутрішнього випору грунту при зондуванні

h

1

h С

Задачу вирішено як задачу стійкості без урахування ущільнення грунту в зоні випору. Останній розглядався, як звичайний зовнішній, але з урахуванням опору грунту верхнього шару через його тиск на глибині h поверхні розділу шарів: пр = h, де - середня об’ємна вага грунту вище цієї поверхні. В результаті рішення одержані витрати енергії на деформацію формозміни випору грунту при заглибленні зонду на h:

Эв = 2/3hrсвh[(2/3h +пр)(sin+costg)+C](1+2)/sin , =/4 - /2 (29)

Розрахунки суми витрат енергії Э на деформаційні процеси при зондуванні без випору, за рахунок ущільнення грунту було викладено раніш. Припинення випору, як було зазначено, відбувається за умови:

Эв=Э (30)

По отриманих формулах зроблені розрахунки за таких вихідних умов: h=4 м, =1,75 т/м3, Е=10 МПа, = 0,5, =300, С= 10 кПа. Їх результати для зонду для паль різних діаметрів наведені у табл. 4

Таблиця 4

Деформація грунту | Заглиблення в міцний шар, м | Витрати енергії, джоулі, чисельник –зовнішній випір, знаменник-внутрішній (з привантаженням), при діаметрі паль і зонду, мм

800 | 400 | 200 | 36

Випір |

2 | 12800/44200 | 4170/16670 | 2130/7380 | 384/1330

1,5 | 7200/31200 | 2400/10390 | 1201/5203 | 216/915

1 | 3270/19220 | 1190/6510 | 546/3210 | 98/576

0,5 | 882/8850 | 294/2950 | 147/1480 | 26,4/266,5

Ущільнення | - | 71800 | 8010 | 1980 | 59,0

По цих даних визначені глибини випору: зовнішнього для зонду - 0,7 м, внутрішнього - 0,1 м, для паль діаметром 200 мм - 1,4 і 0,6 м, 400 мм - 2,5 і 1,2 м, 800 мм – більше 5 м і 3 м.

Висновки

1.Статичне зондування широко застосовують через подібність навантаження грунту зондом до навантажень палями, а також малу трудомісткість і економічність, але вплив неоднорідностей ґрунтів на показники їх властивостей, визначений за результатами зондування, не враховують, оскільки емпіричні методи визначення розрахункових формул розроблені за експериментами в однорідних грунтах і придатні лише для них.

2. На деформацію неоднорідних ґрунтів впливає масштаб процесу М - відношення лінійних розмірів навантаження і неоднорідностей, при великомасштабних (М10) вона протікає при менших, при маломасштабних (М1) – більших напругах, що відбивається на опорі зондуванню неоднорідних грунтових масивів з шарами різної міцності.

3. При різноманітних неоднорідностях грунту в складних ґрунтових умовах визначення їхнього впливу на зондування трудомістким емпіричним методом неможливе, але може бути здійснене по теоретичних залежностях, з перевіркою по мінімуму експериментів.

4. Напруги і деформації навколо зонду визначено з використанням моделей грунту:

- багатоелементного тіла Бінгама - для якісного встановлення областей застосування рівнянь стану його складових елементів - пружного і пластичного (сипучого середовища);

- пружного тіла - для першої стадії одноосьової деформації (об'ємної і супутньої деформації формозміни) у зоні, з якої зонд витискує грунт, і в ближній до зонду зоні;

- сипучого середовища - для другої пластичної стадії деформації формозміни ущільненого ґрунту у цих зонах, що протікає за рахунок ущільнення віддаленого від зонду грунту;

- пружного тіла - для одноосьового деформування грунту у віддаленій від зонду зоні.

5. Оскільки компоненти напруг, переміщення та деформації, об'ємна і формозміни, безпосередньо з опором грунту вдавлюванню зонду не зв’язані, функціональні залежності показників властивостей ґрунтів від цього опору визначені з рівності суми витрат енергії на деформаційні ґрунтові процеси і тертя зонда витратам енергії на вдавлювання зонду.

6. Чисельні розрахунки по отриманих формулах показали, що більша частина витрат енергії при зондуванні витрачається на пластичну деформацію формозміни гранично ущільненого ґрунту, що витискується зондом і деформується у ближній зоні, при цьому різниця витрат на плоске і просторове деформування мала, і на величину витрат впливає початкова щільність, модуль деформації та кут внутрішнього тертя ґрунту; що пояснює непридатність статичного зондування для потужних шарів піску.

7. Отримані залежності перевірені стандартним зондуванням однорідних і неоднорідних зв’язних та сипучих грунтів у лотку і порівнянням для однорідних грунтів з нормативними емпіричними залежностями, відхилення від яких не перевищило 10–15%.

8. Отримані залежності показників властивостей ґрунтів від результатів