У статті обговорюється проблема використання сучасних технологій при проектуванні будинків і споруд, заснованих на обліку спільної їх роботи з грунтовою основою, наводиться коротка класифікація і загальна характеристика основних використовуваних в даний час моделей грунту.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Альохін Олексій Миколайович


Область наук:
  • Будівництво та архітектура
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Академічний вісник УралНІІпроект РААБН
    Наукова стаття на тему 'Коротка характеристика моделей грунту'

    Текст наукової роботи на тему «Коротка характеристика моделей грунту»

    ?УДК 624.131.526 Альохін А. Н.

    Коротка характеристика моделей грунту

    У статті обговорюється проблема використання сучасних технологій при проектуванні будинків і споруд, заснованих на обліку спільної їх роботи з грунтовою основою, наводиться коротка класифікація і загальна характеристика основних використовуваних в даний час моделей грунту.

    Ключові слова: грунт, суцільне середовище, напруги, деформації, лінійність, нелінійність, пружність, пластичність.

    ALEKHIN A. N.

    SUMMARY DESCRIPTION OF SOIL MODELS

    The article discusses the problem of using modern technologies in the design of buildings and structures which are based on joint work with their soil bases, summarizes the classification and general characteristics of the main currently used models of the soil.

    Keywords: soil, a continuum, stresses, strains, linear models, nonlinear models, elasticity, plasticity.

    Альохін

    Олексій Миколайович

    канд. техн. наук, доцент Уральського державного університету шляхів сполучення (УрГУПС) E-mail: alekhin.51@gmail. com

    Директор Геотехнічний інститут Євразійського національного університету Казахстану, професор А. Жусупбек пише: «За статистикою, більшість аварій на будівельних об'єктах відбувається через геотехнічних прорахунків при проектуванні». Мій багаторічний досвід співпраці з фахівцями будівельних спеціальностей, як проектувальниками, так і будівельниками, а також інформація, що отримується при читанні лекцій на курсах підвищення кваліфікації, переконують в серйозне відставання практикуючих фахівців від сучасних принципів розрахунку деформування і стійкості грунтових підстав. Природно, що це абсолютно не сприяє підвищенню надійності споруд, особливо в умовах концентрації складних по архітектурі висотних будівель в діловій частині міст. При цьому, як правило, ще й доводиться зводити нові споруди впритул до існуючої старої, нерідко охороняється законом, забудові, та ще на незручних грунтах. Якщо коротко сформулювати цю ситуацію з позиції геотехнічної науки, то її можна висловити однією фразою: в проектуванні досі безроздільно панує лінійний підхід. Це стосується не тільки грунтових підстав, але і інших конструкцій, і про це мова повинна йти в статтях інших фахівців.

    Положення зберігається незважаючи на те, що ще з середини 1970-х рр. численні експериментальні і теоретичні дослідження як у нас в країні, так і за кордоном [1, 2, 3] остаточно затвердили Геотехнік [4, 5] в розумінні того, що теорія грунтів повинна будуватися

    на основі нелінійних моделей. Більш того, це положення вже з 1975 р було зафіксовано в нормативних документах, спочатку у СНіП 11-15-74, а потім і в Гості 12248 -96. Найбільш послідовно воно виражено в останньому СП 50-101-2004 [9]: в п. 5.1.6. знаходимо положення про те, що «... рекомендується враховувати просторову роботу конструкцій, геометричну і фізичну нелінійність.». Крім того, все більша кількість досліджень останніх років свідчить про технічну та економічну ефективність застосування нелінійних моделей в практиці проектування [6, 7, 8]. Можна було б описати деякі аварії будівельних об'єктів, в т. Ч. В Єкатеринбурзі. Вони могли б не статися, якби рекомендація СП 50-101-2004 про облік нелінійності ґрунту виконувалася. Про можливість аварій з цієї причини ще в 1992 р попереджав професор Б. І. Далматов [5].

    Недолік місця не дозволяє детально розібрати причини цих аварій в даній статті. Хотілося б тільки порекомендувати, щоб при експертизі проектів авторів просили пояснити, з якої причини вищезгадана рекомендація СП 50-101-2004 не було виконане. На жаль, нам доводилося стикатися з прямо протилежною ситуацією - коли в органах експертизи доводилося пояснювати сенс і зміст п. 5.1.6 СП 50-101-2004 і доводити існування і правомірність застосування нелінійних моделей грунту. Важливо підкреслити, що використання рекомендації п. 5.1.6. - це не примха кваліфікованого проектувальника. Вона дозволяє економити великі кошти за рахунок раціонального, а точ-

    Малюнок 1.Графіческая інтерпретація моделі Фусса- Вінклера

    неї, правильного проектування. Аргумент про те, що платять «товсті» гаманці, неспроможний. Витрати, в кінцевому рахунку, переносяться на звичайних споживачів, наприклад, у вигляді завищеною вартістю квартир. Ще важливіше те, що повсюдне застосування зазначеної рекомендації дозволить значно зменшити забруднення природи. Звичайно, це питання вимагає спеціальних докладних досліджень, які, до речі, проводяться, наприклад, в Україні. Для розуміння масштабів збитку зазначу лише, що через неефективне проектування тільки плитних фундаментів в Росії, наприклад, в 2007 р вироблено і перевезено не менше 12 стовагонних товарних поїздів із зайвою арматурою. Кожен поїзд важить близько 5 тис. Тонн (при цьому вартість

    1 тонни арматури становить близько 25 тис. Руб.).

    Враховувати нелінійну природу грунту можна лише за допомогою спеціальних програм. Приклад серед країн колишнього СРСР подає Україна, наприклад, розробкою спеціальних модулів до програми «Ліра». Викликає подив факт відсутності публікацій з докладним аналізом результатів розрахунків для встановлення їх адекватності. Добре відомі труднощі таких розрахунків: погані умови збіжності на контакті плити і грунту, облік жорсткості споруди, використання параметрів ґрунту, відповідних їх природного стану. Хочеться сподіватися, що рішенням, зокрема, останньої проблеми допоможуть запропоновані автором статті методи [7, 10]. Причому, більш ранній з них [7] (наголошую не в якості самореклами, а в порядку інформації) названий на Україні (мабуть, в силу непідробного інтересу і поваги до цієї проблеми) методом А. Н. Альохіна [11].

    Існує інша небезпека -непрофессіональное застосування складних програмних продуктів, що не є рідкістю. В сво-

    їй статті на це вказував Ю. Р. Ор-жеховскій [14]. Однією з причин помилок є незнання або недостатнє знання як недавніми випускниками вузів, так і досвідченими проектувальниками особливостей, можливостей і обмежень існуючих ґрунтових моделей. Саме ця обставина дозволила заявити запропоновану тему і привести коротку класифікацію та загальну характеристику основних використовуваних в даний час моделей грунту. При цьому слід зазначити, що однозначно розділити їх по якомусь одному ознакою дуже складно, оскільки в одній моделі можуть бути присутні ознаки різних класів. Тому наведений перелік є далеко не повним, але навіть він дає уявлення про розмаїття можливих способів опису деформацій ґрунтових масивів і складності грунтів як середовища. З докладним аналізом сучасних методів опису деформацій ґрунтів можна ознайомитися в оглядовій роботі В. Г. Федорівського [12].

    Найбільш загальне поділ всіх моделей можна зробити за ознакою наявності в їх визначають рівняннях тимчасового чинника в явному або неявному вигляді. При цьому моделі, що враховують тимчасові ефекти, отримують, як правило, з статичних моделей за стандартною схемою з додаванням параметра в'язкості [12], тому в подальшому обмежимося лише статичними моделями, що дозволяють розраховувати стабілізовану в часі деформацію грунтових масивів.

    Інша загальний розподіл пов'язано з використанням микроподходов або макропідходи [12] для побудови визначальних рівнянь. Перший підхід передбачає встановлення співвідношень між силами на контакті між окремими частинками грунту і їх переміщеннями, в т. Ч. З використанням кінематичної теорії. Альтернативою микроподходов є більш продуктивний макропідхід, що реалізовується в рамках теорії суцільного середовища і заснований на феноменологических залежностях, одержуваних при експериментальних дослідженнях представницьких обсягів (зразків) грунту. Оскільки до цього напрямку відносяться практично всі використовувані в реальних розрахунках моделі, обмежимо розгляд лише цими континуальними моделями, звичайними для механіки суцільного середовища. Нагадаємо, що фундаментальними поняттями механіки

    суцільного середовища є: поняття про напругу, т. е. навантаженню, що діє на нескінченно малу площадку, і поняття про відносну деформації, т. е. деформації нескінченно малого обсягу матеріального середовища. Ці фундаментальні поняття дозволили застосувати в якості розрахункового інструменту теорії суцільного середовища потужний диференційно-інтегральний математичний апарат. При цьому під грунтом в подальшому буде розумітися природний або штучний конгломерат твердих частинок різних розмірів, форми і походження, в т. Ч. Органічного, а також рідин і газів, який в розрахунках розглядається у вигляді суцільного середовища, нескінченно мала частина якої ідентична цілому.

    Поділ континуальних ( «суцільних») моделей можна провести за багатьма ознаками [12]. Розглянемо деякі з них.

    1. У певному сенсі до континуальних класу моделей можна віднести модель грунтової основи (грунтової ліжку), запропоновану ще в 1798 р російським академіком Н. І. Фуссах, а в 1867 р Е. Винклером для розрахунку залізничних шпал. Модель передбачає пропорційну залежність між переміщеннями грунту в будь-якому напрямку і величиною навантаження, що діє в цьому ж напрямку. Вхідні в визначальні співвідношення Р. = СБ України. (1) цієї моделі коефіцієнти пропорційності (коефіцієнти ліжку) С. є деформаційними характеристиками підстави. Ці характеристики визначаються або в лабораторних випробуваннях, з подальшою досить сумнівною коригуванням за допомогою коефіцієнтів, нерідко перевищують саме значення характеристики, або в польових випробуваннях грунту на стисливість. Під величиною Р. слід розуміти узагальнену навантаження (силу, тиск, момент), а під величиною Б. - відповідне цьому навантаженні узагальнене переміщення (лінійне, поворот). При цьому кількість співвідношень і, відповідно кількість коефіцієнтів С. або відмінність їх значень для різних діапазонів навантаження принципової ролі не грає. Графічна інтерпретація співвідношень (1) наведена на рис. 1.

    Найбільш часто використовуються однопараметрична (Фусса - Вінклера), двопараметричного і трипараметричної моделі цього типу. Моделі ці, в общем-то, не є моделями матеріалу в тому розумі-

    ванні, як це прийнято в рамках механіки суцільного середовища, наприклад, для металу, залізобетону та інших матеріалів. Це, скоріше, граничні умови для розрахункової схеми конструкції, що спирається на грунт. Звідси випливають всі недоліки і обмеження цих моделей.

    По-перше, як випливає з виду співвідношень (1), вони описують переміщення лише на ділянках прикладання навантаження і, тим самим, не дають ніякої інформації про розподіл напруг і деформацій в масиві грунту. Таким чином, спочатку виключається можливість безпосередньо врахувати реальне нашарування грунтів. Це вдається зробити тільки шляхом попереднього застосування саме моделей грунту як матеріалу, опис яких наводиться нижче. По-друге, як свідчать експериментальні дані, неоднорідний розподіл об'ємних і зсувних напружень всередині масиву грунту під фундаментом виражається в нерівномірному розподілі сил відсічі по його підошві. Оскільки модель ліжка не враховує цього, то і епюра реакції підстави виходить досить далекою від дійсності. По-третє, вид співвідношень (1) не дозволяє врахувати вплив споруд друг на друга. Застосовувані все-таки іноді для цієї мети деякі штучні прийоми не мають достатнього обґрунтування, а тому дуже сумнівні, і застосування їх при проектуванні просто небезпечно. По-четверте, співвідношення

    (1) не описують ще одну важливу особливостей грунтового підстави, т. Н. «Гальмування» деформацій, т. Е. Зниження відносної деформації підстави при збільшенні площа-

    ді навантаження А. при одному і тому ж рівні навантаження.

    Виникає справедливе запитання, чому ж така примітивна модель, розроблена на той же лише для розрахунку ширини коліс лафетів гармат, до сих пір використовується для розрахунку складних підземних конструкцій? Відповідь полягає як раз в складності грунту як об'єкта для дослідження і розрахунку. Справа в тому, що, крім складності випробувань грунту, бажання наблизити його математичний опис до реальності призводить до такого ускладнення розрахунків, яке може бути дозволено лише за допомогою потужних по продуктивності і обсягом пам'яті комп'ютерів. Інший шлях - це спрощення розрахункової схеми (наприклад, застосування

    методу пошарового підсумовування), яке зводить перевагу власне моделі грунту практично до нуля. Тільки широке впровадження в останнє десятиліття в практику проектування досить потужних персональних комп'ютерів зробило можливим застосування до розрахунку підстав адекватних моделей. Однак програмне забезпечення в своїй масі ще не адаптовано до нових можливостей і продовжує базуватися на примітивних співвідношеннях виду (1). На жаль, доводилося неодноразово переконуватися, що це створює у користувачів програмних продуктів стійке помилкове враження про повну істинності отриманих результатів. Тому ще раз хочеться підкреслити, що в більшості широко поширених програмах розрахунку споруд модель грунту, у власному розумінні цього поняття, не використовується, що потребує відповідного догляду та критичного ставлення до отримуваних результатів, а також їх експертної перевірки.

    2. Найбільш простою моделлю грунту, як суцільного середовища, є модель Гука (в механіці грунтів - модель лінійно-деформованого тіла), застосована до ґрунтів внаслідок можливості розробки на її основі простих методів розрахунку основ, без застосування ЕОМ. Теоретично гіпотеза лінійного деформування описується наступними співвідношеннями:

    (2),

    де а, а, - інваріанти тензорів напружень;

    Е, е1 - інваріанти тензорів деформацій;

    К - модуль об'ємного стиснення;

    Про - модуль зсуву.

    Причому дві останні величини є константами грунту. У класичній записи співвідношень

    (2) вони можуть бути замінені двома іншими константами: модулем Юнга Е (модуль деформації для грунту) і коефіцієнтом Пуассона V. Ця модель може бути описана графіками, наведеними на рис. 2. Співвідношення (2) принципово відрізняються від співвідношень (1), т. К. Описують залежність між фундаментальними величинами механіки суцільного середовища «відносною деформацією» і «напруженнями». Тому модель Гука є повноцінною моделлю теорії суцільного середовища, до якої в повній мірі може бути застосований і її математичний апарат. В результаті вдалося подолати багато

    Малюнок 2. Графічна інтерпретація лінійної моделі грунту, описуваної залежностями (2)

    недоліки моделей, що описуються співвідношеннями виду (1). Зокрема, стало можливим розраховувати напружено-деформований стан (НДС) всередині ґрунтового масиву, а значить, враховувати реальне нашарування грунтів і вплив споруд друг на друга. Однак діаграма, зображена на рис. 2, більш-менш відповідає реальному деформування грунту тільки при дуже невеликих навантаженнях. Тому модель лінійного деформування також не позбавлена ​​серйозних недоліків.

    По-перше, що отримується за допомогою цієї моделі картина ПДВ сильно відрізняється від реальної. В результаті, наприклад, лінійна модель дає неправильне значення контактних напружень під фундаментом, а отже, і неправильний розподіл моментів і поперечних сил в тілі фундаменту, сильно завищує вплив споруд друг на друга, що ускладнює проектування фундаментів сусідніх споруд. По-друге, вона, як і співвідношення виду (1), не враховує зниження відносної деформації підстави при збільшенні площі навантаження, а також вплив схеми навантаження. Тому, наприклад, значення характеристик цієї моделі К, О або Е, V, одержувані при випробуванні грунту в різних пристроях з різними розмірами і схемами навантаження дуже сильно відрізняються один від одного. В результаті оцінка цих характеристик грунтів великою мірою залежить від суб'єктивного досвіду дослідника, який відповідає за результат.

    3. Реальна картина зв'язку між відносними деформаціями і напруженнями в грунті відповідає графікам, зображеним на рис. 3. Моделі, для яких жорсткісні характеристики грунту залежать від напружено-деформованого стану, зазвичай називаються нелінійними деформаційними моделями.

    Однією з таких моделей є гіперболічна модель Боткіна - Кон-днера. Для математичного опису цієї моделі співвідношення виду (2) необхідно доповнити наступними співвідношеннями:

    К. =

    G = -

    (3),

    В + Б; АІ = Асу + С

    де А ^, Вй, А, В, С - константи нелінійної моделі грунту;

    &і - граничне значення О, |. Графічна інтерпретація моделі приведена на рис. 3.

    Малюнок 3. Графічна інтерпретація нелінійної моделі відповідає фактичному деформування грунту

    Характерною особливістю моделей цього класу є безпосередній зв'язок деформацій з міцністю ґрунту: форма опису зсувної жорсткості тут така, що вона прагне до нуля при наближенні до лінії руйнування, яка визначається, наприклад, критерієм Кулона - Мора. На рис. 3 ця лінія зображена в області О " <-><тг. Внаслідок цього в різних точках масиву модель дає різні значення характеристик жорсткості, що в повній мірі відповідає реальному грунту. Тому значення характеристик цієї моделі, які визначаються в тривісних випробуваннях по ГОСТу 26518-85, хоча і вимагають (як і характеристики лінійних моделей) коригування по відношенню до польових даних, але зі значно меншими поправочними коефіцієнтами.

    4. Наведені вище моделі не враховують послідовність навантаження підстави. Необхідність обліку траєкторії навантаження випливає з самої природи нескельних грунтів. Наявність слабких зв'язків між частинками призводить до того, що вже з найперших етапів навантаження в грунтах виникають незворотні деформації. Таким чином, кінцеві деформації залежать від того, в якій послідовності навантаження приклейте-

    дивать до грунту, чи відбувалася при цьому розвантаження або було тільки активне навантаження. Моделі цього класу формулюються у вигляді співвідношень, що пов'язують збільшення напруг і збільшення деформацій, наприклад, такого вигляду:

    де ds- компоненти збільшення деформацій;

    - компоненти напружень;

    X - позитивний коефіцієнт пропорційності;

    Fa - умова плинності (пластичний потенціал).

    4.1. У свою чергу, пластичні моделі діляться на ідеально-пластичні, в яких область пружних деформацій обмежена в просторі напружень однієї фіксованою поверхнею плинності, і моделі зміцнюючих середовища з багатьма поверхнями навантаження. У перших моделях пластичні деформації виникають тільки тоді, коли траєкторія напруг рухається по поверхні плинності, яка визначається, наприклад, критерієм Кулона - Мора, і приріст напружень направлено в зовнішнє область. Тим самим активну навантаження відповідає пластичного деформації, а розвантаження - пружного поведінки.

    4.2. Ширші можливості мають моделі зміцнюючих середовища. У цих моделях тільки вихід за межі поверхні навантаження призводить до пластичних деформацій. Поверхні навантаження визначаються виразами виду:

    ,

    де X - параметри зміцнення.

    4.3. Останнім часом у нас в країні і за кордоном використовуються моделі, засновані на концепції критичного стану. Основою цієї концепції є припущення, що грунт при наростаючому Формозміна переходить в критичний стан, що задовольняє, наприклад, для моделі Cam-Clay таким умовам:

    - Протягом грунту відбувається при незмінному обсязі і постійних напружених, причому питома обсяг є однозначною функцією напружень: v = Г - X Ino;

    - девіаторное напруга Ст (. пропорційно середньому напрузі (J: СТГ = Мл. Параметри моделі г, х, му не залежать від напружено-деформованого стану, а тільки від його матеріального складу. Зміцнення відбувається в результаті незворотних пластичного-

    ких змін обсягу. Концепція цієї моделі дуже приваблива і вимагає подальшої перевірки. На мій погляд, вона найбільш ефективна тільки для штучних ґрунтових споруд, тому не знайшла поки широкого застосування. Графічна ілюстрація моделі Сат-С1ау приведена на рис. 4.

    Малюнок 4. Графічна інтерпретація упругопластической моделі Cam-Clay

    Навіть наведена вельми обмежена класифікація моделей свідчить про складність ґрунтового середовища як матеріалу підстави. Результати теоретичних і експериментальних досліджень останніх п'ятдесяти років переконливо показали, що тільки моделі високого рівня, описані в п. 3 і 4, адекватно відображають істотні особливості деформування ґрунтової основи та впливу їх на надземні конструкції. Використання ж найпростіших (лінійних) схем і моделей може приводити до суттєвих помилок. Так, за даними С. Н. Сотникова [13] при порівнянні фактичних осад з розрахунками по лінійним моделям відповідність їх з точністю 50% відзначалося лише в 50% всіх випадків. В інших випадках розрахункова осадка була значно менше або більше фактичної.

    висновок

    Виконання при проектуванні рекомендацій п. 5.1.6 СП 50-101-2004 є вельми актуальним завданням, особливо в світлі почастішали останнім часом аварій, причому нерідко з вини проектувальників, а також напередодні активно обговорюваного в суспільстві введення системи страхування проектних і будівельних ризиків , якісь в даний час страховими випадками не зважають. У зв'язку з цим необхідно ширше знайомити фахівців і студентів з сучасними методами проектування, в т. Ч. Підземних конструкцій, взаємодіючих з грунтом. У перспективі в кожній будівельник-

    ної і проектної організації повинен з'явитися інженер-Геотехнік, добре орієнтується в нетривіальних питаннях геотехніки. І зовсім не випадково, тому, в складі Євразійського національного університету Казахстану функціонує Геотехнічний інститут. Нам є з кого брати приклад, особливо при розумінні складної інженерногеологіческой ситуації Уральського регіону.

    Список використаної літератури

    1 Боткін А. І. Дослідження напруженого стану в сипучих і зв'язкових грунтах // Известия НІІГА. Том 24. 1939. С. 205-236

    2 Drucker D. C. Some implications of work hardening and ideal plasticity. Quart. Appl. Math., 9, 381-389 (1950).

    3 Ломізе Г. М. Про закономірності деформування дисперсних грунтів // Наукові доповіді вищої школи. Будівництво. 1959. № 2. С. 121-128.

    4 Григорьян А. Т., Фрадлін Б. Н. Механіка в СРСР. М., 1977.

    5 Далматов Б. І. До питання про розрахунок підстав будівель // Підстави. фундаменти і механіка грунтів. 1992. № 6. С. 6-7.

    6 Крижанівський А. Л., Чевікін А. С., Куликов О. В. Ефективність розрахунку підстав з урахуванням нелінійних деформаційних властивостей ґрунтів // Підстави, фундаменти і механіка грунтів. 1975. № 5. С. 37-40.

    7 Альохін А. Н. Метод розрахунку осад ґрунтових основ з використанням нелінійної моделі // Реконструкція міст і геотехнічне будівництво. СПб., 2004. № 8. С. 156-161.

    8 Алексєєв С. І. Автоматизований метод розрахунку фундаменту за двома граничними станами. СПб., 1996..

    9 СП 50-101-2004. Проектування і влаштування фундаментів будівель і споруд. М., 2005.

    10 Альохін А. Н., Альохін А. А. Визначення параметрів нелінійної моделі грунту за даними польових випробувань // Праці Міжнародної конференції «Геотехнічні

    проблеми мегаполісів ». М., 2010. С. 1201-1208

    11 Кірічек Ю. О., Трегуб О. В. Нелінійні методи розрахунку осад фундаментів мілкого загліблення // ВіснікПрідніпровської державної академии будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2008. № 3. С. 10-13.

    12 Федоровський В. Г. Сучасні методи опису механічних властивостей ґрунтів // Будівництво та архітектура. Сер. 8: Будівельні конструкції. Вип. 9. М., 1985.

    13 Механіка грунтів, основи і фундаменти / під ред. С. Б. Ухова. , 2002.

    14 Оржеховська Ю. Р., Лушніков В. В. Актуальні проблеми фундамен-тостроенія в Уральському федеральному окрузі // Восьмі Уральські академічні читання 2003. С. 134.


    Ключові слова: ГРУНТ / суцільне середовище / напруги / деформації / лінійність / нелінійність / пружність / пластичність

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити