Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Изучение сжимаемости дисперсных грунтов на слоистых моделях

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Изучение сжимаемости дисперсных грунтов на слоистых моделях"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФЖУЛЬТЕТ КАРЕДРА ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ И ОХРАНИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

на правах рукописи

X А М Д И С А Л А X - Э Д Д И Н

УЖ 624.131.521/522

ИЗ/ЧЕНИЕ СЖИМАЕМОСТИ ДИСПЕРСНЫХ ГРХНТОВ НА СЛОИСТЫХ МОДЕЛЯХ

специальность 04.00.07 - Инженерная геология,-мерзлотоведение и грунтоведение.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

МОСКВА 1992 г.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Колоиекский E.H.

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Зиангиров P.C. - кандидат геолого-минералогических наук, Емельянов С.Н.

Ведущая организация - Всесоюзный институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГШГЕО).

Защите диссертации состоится "¿¡2" Ма£к$121 1592 года в 4к ¿?0 мин, в аудиториина заседании Социализированного Сс

_час. Совета

К.053.05.06 при Московском государственном университете им.М.В.ЛОмоносова по адресу: 119899 ГСП, г.Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Автореферат разослан 1992 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, завереннш печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119899 ГСП г.Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет. Ученом; секретарю Совета.

у, --•■>

Ученый секретарь '

Специализированного Совета доктор геолого-минералогических наук В.Н.Соколов

1 АКТУАЛЬНОСТЬ И ОБОСНОВАНИЕ ПОСТАНОВКИ РАБОТЫ :

Несмотря на то, что в подавляющем большинстве случаев основаниями инженерных сооружений служат именно дисперсные грунты, оценка их свойств в массиве и прогноз их поведения под нагрузкой во многом остается малоизученной проблемой.

В течение многих лет основные усилия специалистов в области грунтоведения и инженерной геологии были направлены на углубление наших представлений о грунтах, в том числе и дисперсных на уровне отдельно взятого образца. Вместе с тем, вопросам изучения свойств грунтовых массивов и прогноза их поведения, уделялось значительно меньше внимания. До настоящего времени нет четких представлений о . содержании понятия "массив дисперсных грунтов"; не изучено проявление масштабных эффектов при переносе результатов лабораторных исследований образцов грунта на массив; практически не исследованы вопросы влияния строения массивов дисперсных грунтов на их поведение; черезвычайно слабо изучены механизмы деформирования и закономерности распределения напряжений в массивах слоистого строения при различных схемах нагружекия.

Теоретические модели, применяемые для расчета сжимаемости массивов дисперсных грунтов часто просто не соответствуют условиям их работы в природной обстановке. Можно было бы перечислить еще ряд малоизученных или практически незатронутых в современных инженерно-геологических исследованиях вопросов, касающихся проблем массивов дисперсных грунтов, но и вышесказанных сображений вполне достаточно, чтобы составить представление о необычайной широте, сложности и недостаточной разработанности этой проблемы.

Общей целью настоящей диссертационной работы является исследование сжимаемости слоистых массивов дисперсных грунтов. Но поскольку прямых методов исследования так называемых "массивов дисперсных грунтов"'нет, то работа была направлена на изучение поведения моделей слоистых дисперсных грунтов под нагрузкой, с помощью двух методов моделирования процессов сжимаемости, а именно методов физического и математического моделирований.

- г -

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ :

Как уже отмечалось выше целью диссертационной работы является изучение сжимаемости дисперсных грунтов на слоистых моделях, физического и математического моделирований.

В соотвествии с этой целью, в ходе исследования решались следующие задачи :

1) Разработка понятийной базы проблемы изучения "массивов дисперсных грунтов";

2) Анализ современного состояния изученности массивов дисперсных грунтов, в том числе определение критериев оценки свойств массивов и анализ методов их определения;

3) Исследование закономерностей деформирования и распределения напряженний слоистых моделей дисперсных грунтов методами физического и математического моделирований. В эту конкретную задачу входит:

а) разработка и обоснование методики изучения и оценки деформировано-напряженного поведения слоистых дисперсных грунтов;

б) физическое моделирование различных объектов слоистых дисперсных грунтов и установление закономерностей поведения этих объектов под нагрузкой;

в) математическое моделирование этих же объектов и оценка формирования закономерностей их поведения под нагрузкой;

г) сравнение полученных результатов при физическом и математическом моделированиях.

4) Оценка разработанной методики изучения сжимаемости слоистых дисперсных грунтов на конкретном объекте, а именно при изучении деформировано-напряженного состояния слоистых образцов в приборе новой конструкции КПК-1.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ :

Научная новизна диссертационной работы заключается в еле думцем:

1) Оценено современное состояние понятийной базы массивов горных пород, а также проблемы их изученности;

2) Разработана комплексная методика определения деформировано-напряженного состояния моделей слоистых дисперсных

грунтов, основанная на применении методов физического и математического моделирований;

3) Получены новые результаты о деформацонном поведении слоистых моделей дисперсных грунтов;

4) Показано влияете слоистости на распределения напряжений в слоистых моделях дисперсных грунтов;

5) Проверена применимость разработанной методики математического моделирования на реальном ооъекте, в качестве которого были избраны слоистые образцы в приборе новой конструкции КПК-1.

'.1РАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ :

Практическая значимость диссертационной работы заключается в получении результатов наглядно доказывающих влияние слоистости на поведение слоистых дисперсных грунтов, а такжз з разработке и затем проверке расчетной методики оценки поведения этих объектов, показывающей характер проявления лаештабного эффекта при приложении нагрузки различными способами, в частности сосредоточенная и равномерно расправленная .

Несомненное практическое значение имеют результаты изу-[ения поведения слоистых образцов в приборе новой конструк-рш. Они явились еще одним вазкным подтверждением жиз-[еспособности новой методики определения свойств сжимаемости Фунтов: экспресс-компрессии.

Диссертационная работа является итогом научно-исследо-ательской деятельности автора за период с 1987 по 1992 г. В снову работы положены результаты лабораторных исследований комтотерных расчетов выполненных на кафедре инженерной ге-логии и охраны окружающей среды Московского государственно-о университета им. Ломоносова.

БЬЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и аводов и заключения, и содержит 119 страниц машинописного зкста, 52 рисунка, 10 таблиц, и список литературы из 74 на-иенований.

Глава I. ОСНОВНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МАССИВОВ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ.

Понятие "Массива горных пород" в инженерной геологии было впервые введено П.Н.Пашковым, опубликовавшим в 1959г. статью "Массив горных пород как основной объект инженерно-геологических исследований".

До настоящего времени в инженерной геологии нет достаточно четких и общепринятых представлений о содержании понятий "массив дисперсных грунтов", разные авторы понимают массив по разному.

В диссертационной работе проанализировано современное состояние проблемы изученности массивов дисперсных грунтов, приведено большое количество версии различных авторов, которые так или иначе определяют массив горных пород, такие как П.Н.Панюков, А.Мюллер, Ч.Джегер, М.В.Рац, Г.А.Голодковская, С.Н.Чернышев, Л.Д.Белый, Г.Д.Алексеев, И.С.Комаров, А.А.Варга.

В данной работе, посвященной вопросам изучения сжимаемости массивов, азтор принял за основу определение массива предложенное И.С.Комаровым в соответствии с которым массив - это любая ограниченная в пространстве часть земной коры соизмеримая с сооружением, со всеми особенностями ее строения и нарушениями сплошности, содержащимися в ней подземными водами и газами, а также физическими полями, сформировавшимися е ее пределах.

Понятие "строение массива" включает в себя представления о форме залегания, структуре пород, слагающих массив, о имэющихся тектонических и прочих нарушениях, литологических границах и фациальных изменениях и т.д.

Понятие свойств массива включает в себя представления о коллективной реакции массива всякому типу воздействия на него. Эта реакция определяется сочетанием большого количества различных внутренних и внешних факторов. Физико-механические свойства массивов и их поведение при взаимодействии с инженерными сооружениями находятся в прямой зависимости от их состава и внутреннего строения, и определяются рядом факто-

-

ров, основными из которых следует считать: 1 Неоднородность; 2)анизотропия; 3)дискретность; 4)обводненность ; 5)напряжен-ное состояние; 6)поле температур.

Таким образом деформационное поведение массивов дисперсных грунтов под нагрузкой определяется двумя группами факторов: внутренними и внешними. К первой группе можно отнести строение массивов дисперсных грунтов, состав и свойства слагающих его грунтов, а также гидрогеологические условия. Важнейшими факторами второй группы являются: величина нагрузки на массив, характер ее распределения, а также режим и скорость нагружения.

Изучение поведения массивов дисперсных грунтов является комплексной и сложной задачей и требует особый подход. Задача моделирования массивов дисперсных грунтов прежде Есего начинается с подбора модели которая соответствует изучаемо-мому объекту. Это приводит к необходимости разработки классиффикации таких массивов, с помощью которой можно было бы осуществлять такой подбор. На основе анализа и обобщения литературных материалов и данных различных авторов, для целей имитационного моделирования и изучения сжимаемости массивов дисперсных грунтов, автором разработана их классиф-фикация, учитывающая особенности строения, состава и состояния. В качестве основой для разработки была Езята общая классиффикация грунтовых толщ, предложенная В.Т.Трофимовым и П.И.Фадеевым. Классификация построена по принципу последовательного подразделения массивов дисперсных грунтов по двум критериям : сначала по строению грунтовой толщи (по слоистости) и по показателям сжимаемости подстилающих грунтов , далее по характеру залегания слоев (горизонтальный или наклонный) , и наконец на последнем этапе по характеру увлажнения грунтовых толщ (слабоувлажненный, увлажненный или силь-ноувлакненный). На основе этой классификации было выделено 45 различных типов массивов дисперсных грунтов представляющих большой спектр массивов, встречающихся в природе.

Эта классификация явилась основой для создания рабочих физических и математических моделей массивов дисперсных грунтов, использованных в настоящей диссертационной работе.

Глава II. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МАССИВОВ ГРУНТОВ.

В литературе больное внимание уделяется методам изучения массивов грунтов. Авторы единодушны в том, что основополагающим принципом должна быть комплексная оценка объекта. Только комплекс геологических, геофизических, гидро- и инженерно-геологических методов исследований может обеспечить достоверную характеристику массива.

Методы определения напряженно-деформированного состояния делятся на прямые и косвенные. Прямыми являются деформационные методы, к косвенным относится целая груша разнообразных методов: геологические, геофизические, моделирования и расчетные.

. Прямых методов изучения свойств массивов дисперсных грунтов практически нет, а имеющиеся дают возможность оценивать свойства локально и, главным образом, применительно к массивам скальных грунтов; расчетные модели, используемые на практике для оценки даже простейших механических свойств, не соответствуют реальной схеме работы массива.

Рассмотрение современных методов изучения сеойств массивов дисперсных грунтов позволяет утверждать, что наиболее перспективным с то<цш зрения прогноза сжимаемости является комплексное использование методов физического (имитационного) моделирования на образцах различного объема, и расчетных методов математического моделирования на основе численных методов механики деформируемого тела.

Метода физического моделирования основаны на теории подобия. К ним относятся метода эквивалентных материалов, тензосетки и фотоупругости.

Практика показывает что, метод эквивалентных материалов является одним из наиболее важных и перспективных методов изучения массивов грунтов, и в частности дисперсных грунтов.

Он основан на положениях теории механического подобия и предусматривает замену в модели пород природного массива материалами, эквивалентными им по прочности и деформационным свойствам. При этом модели из эквивалентных материалов изготавливаются б соблюдении геометрического и механического подобия натуре.

- Ъ -

Одной из наиболее сложных проблем физического моделирования является подбор материалов удовлетворяющих условиям подобия. Практически не существует таких материалов, однако в каждом конкретном случае, можно подобрать материал, отвечающий требованиям основной задачи исследования.

Расчетные методы оценки напряженного состояния массивов пород условно делят на две группы: аналитические и приближенные численные. К первой относятся методы решения задачи о напряженно-деформированном состоянии полупространства в замкнутой форме, к второй группе откосятся методы основанные на реализации вариационных принципов решения задач теории упругости.

Приближенные численные метода в последнее время интенсивно развиваются благодаря применению вычислительной техники. К ним относятся методы конечных элементов (МКЭ), конечно-разностный и др.

Использование ЖЭ для оценки напряженно-деформированного состояния массивов дисперсных пород является целесообразным и перспективным, т.к. метод позволяет учитывать неоднородность строения массива, сложное сочетание силовых нагрузок и т.д.

Метод конечных элементов дает возможность моделировать напряженно-деформированное состояние слокнопостроенного массива, состоящего из элементов с разнообразными механическими характеристиками, с различными схемами распределения внешней нагрузки, а также с различными граничными условиями, то есть моделировать поведение массива дисперсных грунтов в

I

процессе сжатия в зависимости от его состава и строения, схемы приложения нагрузки, геометрических размеров, мощности отдельных слоев и т.д.

Учитывая огромные возможности современных ЭВМ, можно констатировать, что МКЭ в настоящее время является одним из наиболее эффективных средств решения задач моделирования в различных областях, и в том числе, б инженерной геологии. 1-/5П

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ НА СЛОИСТЫХ МОДЕЛЯХ С ПОМОЩЬЮ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

С целью изучения влияния слоистости на напряженно-деформированное состояние (на распределение напряжений и соответственно деформаций в теле грунта) в слоистых моделях дисперсных грунтов, нами была выполнена серия опытов по физическому моделированию поведения этих слоистых дисперсных грунтов под нагрузкой.

Прежде чем приступить к выполнению этой работы, как отмечалось выше, нам нужно:

а) конкретизировать объекты физического моделирования, и ограничиться изучением несколько моделей, отобранных из числа всевозможных типов слоистых дисперсных грунтов;

б) определить условия проведения опытов физического моделирования работы этих объектов, призванных имитировать работу слоистых массивов дисперсных грунтов под нагрузкой.

Эта задача была решена с помощью рассмотренной выше классиффикации массивов дисперсных грунтов.

Учитивая технические возможности проведения исследовательских работ, для конкретных исследований были выбраны следующие модели: двухслойная, четырехслойная, шестисдойная, восьмислойная и десятислойная. Модели были сложены из двух литологических типов дисперсных грунтов: песок и глина. Суммарная толщина слоев с различной жесткостью была одинакова во всех случаях и равнялась 2,4 см, общая высота модели составляла 4,8 см.

По строению эти разнослойные модели относятся к однородному типу, поскольку более чем 96% общей мощности каждой модели, сложено двумя литологическими разностями, и при этом мощность каждого слоя составляет более 5% общей мощности модели.

По характеру залегания слоев, модели были представлены горизонтальными слоями без каких либо включений.

По характеру увлажнения, было принято решение ориентироваться на сильноувлажненные модели, исходя из сооброжения

обеспечить одинаковые условия проведения всех опытов моделирования.

Все модели были изготовлены в 2-х вариантах: жесткий слой (песок) сверху - слабый (глинистая паста) снизу и наоборот .

В качестве эквивалентного материала для создания моделей слоистых моделей дисперсных грунтов послужили: средне-мелкозернистый водонасшценный песок и глинистая паста, которые должны были имитировать соответственно песчаные и глинистые слои в природных слоистых толщах.

Изучение поведения слоистых моделей дисперсных грунтов проводилось в компрессионном приборе конструкции ЦНИИ МПС. Высота модели была выбрана исходя из конструктивных возможностей прибора и составила 4,8 см. Для подбора необходимых сочетаний слоев модели были изготовлены металлические кольца одного диаметра, равного 3,57 см (площадь 40 см2) и разными высотами 2,4 см; 1,6; 1,2 и 0,95 см, что позволяло изготавливать соответственно двух, четырех, шести, восьми и деся-тислойные модели общей высотой 4,8 см. Нагрузка на модели задавалась ступенчато с помощью рычажного пресса конструкции ЦНИИ МПС, а деформация образца замерялась с помощью индикаторов часового тина (мессур).

Для подготовки двух, четырех, шести, восьми и десяти слойных моделей соответственно в 2, 3, 4 и 5 колец определенной высоты помещалась глинистая паста, а во второй набор колец - водонасыщешшй песок. Затем все кольца помещались в компрессионный прибор в соответствии со схемой модели в двух вариантах: песок сверху - глинистая паста снизу и наоборот.

Изучение поведения слоистых моделей проводилось при нагрузках 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,2 и 1,6 МПа. При этом каждая ступень нагрузки выдерживалась до условной консолидации слоистой толщи согласно ГОСТ 23908-79, т.е. до момента, когда деформация не превышала 0,01мм за 16 часов.

При нагрузках 0,1 и 0,2 МПа проводилось измерение деформации модели во времени (консолидация).

По результатам экспериментов были построены графики зависимости относительной деформации различных моделей от нап-ряжениий, относительной деформации от времени и коэффициента

-ч, -

относительной сжимаемости от количества слоев.

Одновремено, с целью сравнения результатов, для всех моделей был выполнен расчет относительной деформации, путем послойного суммирования.

Анализ результатов физического моделирования поведения слоистых моделей дисперсных грунтов под нагрузкой позволяет сделать следующие выводы:

1) По мере увеличения количества слоев сжимаемость слоистой толщи уменьшается практически .для всех диапазонов нагрузок.

Так, в моделях где глинистые слои модельных толщ находились на их верхней части, при нагрузке 1,6 МПа, для двухслойной модели относительная деформация составила 15,6 %, для четырехслсйной модели она составила 14,4 %, для шестислойной модели 13,7 %, для восьмислойной модели 12,3 %, и для десятислойной модели 10,5 %.

2) Сопоставление графиков зависимости расчетной осадки от нагрузки с графиками осадки полученными при моделировании позволяют предположить, что для слоистых грунтов, нихная часть которых, в пределах активной зоны, представлена слабосжимаемыми грунтами, например песками, расчет осадки с достаточной для практики точностью, может быть выполнен по методу послойного суммирования. Метод послойного суммирования в этом случае дает результаты близкие к наблюдаемым на опыте.

3) При возрастании количества слоев в модели практически начиная с шестислойной модели исчезает разница в величине относительной деформации между расчетными значениями и модельными, что позволяет сделать вывод о

. практическом совпадении расчетных значений с реальными при расчете многослойных-тонкослоистых вариантов грунтовых толщ. ,

Так, для двухслойной модели, при нагрузке 1,6 МПа эта разница составляет ¡2,5 %, .для четрехслойной модели, она в четыре раз меньше и составляет 3,3 % , а у шести и восьмислойной модели эта разница становится практически незаметной.

4) В диапазоне нагрузок, характерных для большинства ив-

- Ю -

женерных сооружений 0,1-0.4 МПа, наличие слоистости не будет оказывать заметного влияния на сжимаемость слоистых моделей дисперсных грунтов.

5) С увеличением числа слоев возрастает скорость консолидации при данной нах'рузке, т.к. мощность глинистых во-донасыщенных прослоев уменьшается, и соответственно процесс консолидации в них Судет протекать значительно быстрее. Так, например, в 2-х елейной модели резкий перелом кривой приходиться на 20 минут, а в деся-тислойной уже на 3 минуты.

Глава IV. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО--ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ НА СЛОИСТЫХ МОДЕЛЯХ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

Для исследования напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, могут быть применены методы численного моделирования.

Эти методы очень хорошо приспособлены для моделирования. напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, имеющих сложные внешние и внутренние границы, слоистое строение и неоднородный состав. В связи с этим в настоящей работе использовался один из методов численного моделирования, а именно метод конечных элементов 1.МКЭ).

Метод конечных элементов реализованный в виде серии программ для персонального компьютера дает возможность выполнить такие сравнительные исследования на достаточно широкой гамме моделей различного строения и размеров.

В целях возможности более простого сопоставления результатов лабораторных испытаний на сжимаемость слоистых дисперсных грунтов, математическое моделирование было выполнено на моделях аналогичного строения, то есть на 2-х, 4-х, 6-ти, 3-ми и 10-ти слойных моделях.

Геометрически каждая модель представляла из себя грунтовую толщу мощностью 10 м, сложенную переслаиванием глин и песка. Мощности отдельных слоев глины и песка орались одинаковыми. Соответственно для случая двухслойной модели мощность каждого слоя составила 5 м, для 4-х слойной 2,5 м, для

- -

шестислойной 1,5 м и т.д. Размер модели по горизонтали составил 100 м.

При выполнении моделирования были опробованы несколько различных вариантов нагружения модели, которые отличались друг от друга с одной стороны величиной нагрузки, а с другой, схемой е,е распределения.

Величины нагрузок варьировались в диапазоне от 0,05 МПа до 10 МПа.

В отношении распределения нагрузки на модель, всего было использовано три различные схемы, таким образом, чтобы охватить наиболее часто встречающиеся на практике случаи: s 1) сосредоточенная нагрузка в центре модели через жесткую плиту маленького размера, то есть случай когда моделировалась работа штампа (в дальнейшем, этот случай будет обозначен моделированием работы штампа);

2) равномерно распределенная нагрузка в классическом ее понимании, т.е. в виде отдельных точечных сил, распределенных по всей длине модели. В расчетах это моделируется при помощи приложения сосредоточенных сил в каждом узле математической модели (в дальнейшем, этот случай будет фигурировать под названием теоретического случая);

3) сосредоточенная нагрузка в центре модели через распределительную жесткую плиту, призванную моделировать работу жесткого фундамента инженерного сооружения на толщу дисперсных грунтов (в дальнейшем, этот случай мы будем назвать моделированием работы бесконечного основания ).

Аналогичным образом варьировались и граничные условия. Расчеты для всех типов моделей были выполнены в упругой постановке задачи:

а) в условиях невозможности бокового расширения;

б) в условиях свободного бокового расширения, т.е. в условиях работы реальной толщи дисперсных грунтов в естественных условиях.

Математическое моделирование выполнялось на базе персонального компьютера типа IBM PC/XT с помощью пакета программ, реализующего расчет деформаций и напряжений по методу

конечных элементов.

Пакет включает в себя три блока, выполняющие различные функции:

1) описание, построение и редактирование модели;

2) расчет напряжений и деформаций;

3) подготовка полученных результатов для графического построения и построение графиков распределения деформаций и напряжений.

Центральным модулем пакета (блок 2) является программно-методический комплекс для статического и динамического анализа механических систем (ПМК-АМС) методом конечных элементов, разработанный институтом проблем информатики Академии наук СССР.

Второй модуль (блок 1) пакета математического моделирования состоит из двух программ. Первая из них дает возможность модульного построения.и быстрого редактирования моделей, или другими словами осуществлять оперативное изменение, вставку и удаление отдельных модулей описания модели, если необходимость в этом возникает непосредственно в ходе моделирования.

И наконец третий модудь (блок 3) предназначен для перевода результатов расчета напряжений и деформаций в формат стандартного пакета для обработки графической информации Surfer Golden Software. Он используется для построения картины распределения деформаций и напряжений в графическом виде.

В диссертационной работе приводится методика проведения математического моделирования, т.е. дается подробная процедура создания и редактирования модельного файла, и описываются все этапы математического моделирования от начала расчета модели до получения результатов расчета в виде графических изображений.

Анализ результатов по математическому моделированию поведения слоистых массивов дисперсных грунтов под нагрузкой позволяет сделать ряд выводов.

Так, при моделировании процесса сжимаемости в различных диапазонах нагрузки от 0,05 МПа до 10 МПа качественно картины распределения деформаций и напряжений в теле слоистой

- 1J-

толщи дисперсных грунтов практически остаются неизменными и отличаются только абсолютными величинами этих характеристик.

Наибольшее влияние на картину распределения деформаций и напряжений в теле слоистого грунта оказывает схема приложения нагрузки, независимо от строения грунта, количества сжимаемых слоев, порядка их расположения и граничных условий, при этом наиболе интересные результаты получаются при моделировании работы бесконечного основания. Здесь в наибол-шей степени проявляется масштабный эффект, и картины распределения деформаций и напряжений коренным образом отличаются от всех других случаев. Вследствие неизбежного изгиба жесткой плиты передающей нагрузку на модель, в центре массива, как правило формируется зона концентрации деформаций и напряжений. Этот эффект не наблюдается при моделировании работы штампа или теоретической схеме.

Следует также отметить, что расположение болзе жесткого слоя с поверхности сжимаемого слоистого дисперсного грунта незначительно, но все-таки сказывается на величине максимальных вертикальных деформации.

Было установлено, что по мере увеличения количества слоев разница между значениями максимальных, деформаций в моделях различных чередований затухает. Этот эффект наблюдался при физическом моделировании.

Во всех случаях моделирования, деформации при возможности бокового расширения всегда превышают деформации без бокового расширения, а деформации, в случае моделирования работы бесконечной равномерно распределенной нагрузки, всегда превышают деформации, в слачае моделирования работы штампа.

Глава V. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Ш ИЗУЧЕНИЯ СЖИМАЕМОСТИ ГРУНТОВ ПРИ ЭКСПРЕСС-КОМПРЕССИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.

Целью настоящего раздела является использование разработанной методики математического моделирования, на конкретном объекте, а именно, при оценке напряженно-деформированного сотояния различных образцов, находящихся в кольцах прибо-

- -

ра новой конструкции КПК-1.

Прибор новой конструкции КПК-1, предназначен для проведения компрессионных и консолидационных испытаний в ускоренном режиме работы.

В настоящее время в практике инженерно-геологических исследований наиболее распространенным методом определения свойств сжимаемости дисперсных грунтов, является метод компрессионного испытания.

Компрессионные испытания представляют собой испытания на сжимаемость грунтов в условиях невозможности бокового расширения при равномерном распределении сжимающей нагрузки на поверхности образца.

Правила проведения этих испытаний закреплены в соответствующем государственном стандарте (ГОСТ 23908-79). Нэг-ружэние образца в специальном компрессионном приборе - одометре осуществляется ступенями, при этом фиксируются величины деформаций е, отражающих новое состояние равновесия, вызванное действием напряжения. Но основным недостатком этого метода, является весьма большая длительность испытания.

Попытка ускорить процесс консолидации грунтов путем снижения трения по боковой поверхности грунтового стакана и исключения защемления штампа, позволили лишь частично решить эту проблему.

В связи с этим, Калачевым В.Я. был найден принципиально иной подход, реализация которого позволяет ускорить процесс определения показателей деформируемости грунтов сразу в 3-4 раза. Идея нового метода экспресс-компрессии состоит в том, что испытанию подвергаются одновеменно 3 или 4 образца грунта, вырезанных из одного монолита, имевдие разный диаметр и высоту, но с постоянным отношением этих параметров, и установленных в приборе один над другим, так, что штамп передающий нагрузку на нижележащий образец одновременно является поддоном для вышележащего образца.

Такое решение позволяет с помощью одного рычажного пресса одной нагрузкой создавать сразу 3 или 4 (в зависимости от конструкции прибора) напряженных состояния в образцах грунта. Эти напряженные состояния получаются передачей

-

нагрузки от рычажного пресса на вышележащий штамп, который, в свою очередь, передает нагрузку на нижележащий образец грунта.

Таким образом, появляется возможность, с помощью одной нагрузки рычажного пресса, одновременно испытывать образцы в трех различных напряженных состояниях. Поскольку каждый из трех образцов имеет неодинаковые диаметры, то напряженные состояния для них, естественно, тоже будут разными, что соотвествует трем ступеням компрессии, полученным одновременно.

Изучение сжимаемости грунтов на приборе новой конструкции КПК-1 проводилось на пяти типах грунтов и при разных их влажностях для того чтобы, по возможности, расширить спектр исследованных грунтов, так как одним из важнейших вопросов разрабатываемой методики экспресс-компрессии является вопрос о границах ее применимости.

Главная цель настоящего раздела - показать с помощью разработанной методики математического моделирования, что качественно, характер распределения напряжений различных образцов, находящихся в различных кольцах прибора КПК-1, остается одинаковым, что в свою очередь доказывает жизнеспособность новой методики экспресс-компрессии.

Изучение сжимаемости дисперсных грунтов было проведено параллельно в приборе новой конструкции КПК-1 по новой методике, и на стандартном приборе КПР-1 института "Гидропроект", по стандартной.методике, при одинаковых нагрузках на образце, площадью 60 см2. Эти параллельные испытания проводились с целью сравнения результатов и доказательства жизнеспособности новой методики.

Вместе с тем, было проведено одно испытание по методу экспресс-компрессии, для установления влияния "истории" наг-ружения на деформируемость грунта, при разных величинах ступеней нагрузки.

Моделирование сжимаемости образцов в приборах различной конструкции проводилось по методике описанной в диссертационной работе, с учетом различных схем нагружения, разных для каждого типа прибора. При этом также учитывались силы трения, возникающие при взаимодействии грунтов с металлическими

- 1Ъ-

стенками стакана и их влияние на деформируемость и напряженное состояние грунта, возникающего при его загружении.

В результате были получены три группы распределения напряжения и деформации, которые представляют:

1) сжатие без учета сил трения по боковой поверхности;

2) сжатие в компрессионном приборе стандартного типа (прибор КПР-1);

3) сжатие в компрессионном приборе с применением "плавающих" колец, типа КПК-1.

Анализ результатов проведенных экспериментов, а также результатов математического моделирования сжимаемости образцов в приборах различней конструкции позволяет сделать следующие выводы:

Во первых, результаты математического моделирования показали, что распределение деформаций и.напряжений в образцах находящихся в различных кольцах прибора КПК-1, имеет одинаковый характер. Это нам позволяет судить о том, что проверена применяемость разработанной методики экспресс-компрессии. Сравнение результатов математического моделирования сжимаемости образцов в приборах различной конструкции наглядно показывает значительное отличие напряженно-деформируемого состояния образцов грунтов, испытанных по стандартной и новой методике.

Во вторых, по результатам проведенных экспериментов доказано влияние сил трения по кольцу компрессионного прибора на распределение напряжений и деформаций в граничных областях.

Во третьих, был опробован новый экспресс-метод определения сжимаемости грунтов на приборе КПК-1, и установлена пригодность его применимости на интервале влажности, соотвествущей практически любой консистенции.

При-этом, было показано незначительное влияние "истории" нагружения в интервале нагрузок 0,05-0,6 МПа и установлено отсуствие явных различий в напряженно-деформируемом состоянии образцов разного поперечного сечения, о чем свидетельствует достаточно удовлетворительное совпадение компрессионных кривых. Все это позволяет говорить о перспективности нового экспресс-метода определения сжимаемости грунтов

- # -

и необходимость его дальнейшего развивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В ходе выполненных исследований были получены ряд результатов, которые определяют теоретическую и практическую значимость работы:

1. Критически проанализировано современное состояние проблемы изучения массивов дисперсных грунтов в инженерной геологии. Обобщение этих материалов подтверждает ее необычайную многоплановость и сложность, а также слабую разработанность многих теоретических, методических и практических вопросов, несмотря на долгую историю их изучения. До настоящего времени в инженерной геологии кет достаточно четких и общепринятых представлений о содержании понятий "массив дисперсных грунтов", отсутствует система показателей, характеризующих "коллективные" свойства массива; очень мало уделялось внимания вопросам систематизации и схематизации массивов дисперсных грунтов в зависимости от их строения, состава и состояния; практически отсутствуют прямие методы изучения свойств дисперсных грунтов для объемов, сопоставимых с размерами самого массива; расчетные модели, используемые на практике для оценки даже простейших механических сеойств, и в том числе сжимаемости, не соотвествуют реальной схеме работы массива. При этом, как правило, не учитываются степень водо и газонасыщенности, временной фактор, тепловое поле, напряженное состояние и многие другие важные факторы.

2. Разработана комплексная методика изучения сжимаемости слоистых моделей дисперсных грунтов, включающая в себя метода физического и математического моделирований. Показана перспективность и эффективность этих методов для прогнозирования поведения дисперсных грунтов в различных условиях наг-ружения и исследования масштабных эффектов.

3. На основе анализа и обобщения литературных материалов и данных авторов, для целей имитационного моделирования, разработана классификация слоистых массивов,- учитывающая

особенности строения, состава и состояния дисперсных грунтов.

4. Проведенные исследования дали возможность выявить ряд закономерностей в поведении слоистых дисперсных грунтов под нагрузкой :

а) При моделировании процесса сжимаемости в различных диапазонах нагрузки от 0,05 МПа до 10 МПа, картина распределения напряжений и деформаций в теле слоистого грунта, качественно остаются практически неизменными и отличаются только абсолютными величинами этих характеристик.

. б) При моделировании схемы равномерно распределенной нагрузки через жесткую плиту (при моделировании работы бесконечного основания), в теле грунтовой толщи не формируется однородное поле напряжений и деформаций, как это наблюдается в образцах малого размера. Оно носит более сложный характер и напоминает скорее картину, возникающую в образце грунта при сжатии сосредоточенной нагрузкой. Это объясняется тем, что жесткая плита в верхней части слоистой толщи, не может обеспечить равномерное перераспределение нагрузки по всей его поверхности. За счет изгиба, который неизбежен при значительных размерах, максимальные нагрузки и деформации возникают именно в центральной части толщи.

в) По мере увеличения количества слоев, сжимаемость грунта уменьшается практически для всех диапазонов нагрузки, независимо от схемы проведения опыта.

Эта закономерность подтверждается результатами как физического так и математического моделирования.

г) Расположение более жесткого слоя с поверхности сжимаемой слоистой толщи дисперсных грунтов незначительно сказывается на величине максимальных вертикальных деформаций. При этом влияние этого фактора заметно уменьшается по мере увеличения количества слоев.

д) С увеличением числа слоев скорость консолидации слоистых образцов дисперсных грунтов во всех диапазонах нагрузки возрастает. Можно ожидать, что такая же закономерность характерна и для реальных массивов.

5. Выполненные исследования позволили получить ряд практических и методических результатов более частного характера, связанных с оценкой величины сжимаемости слоистых образцов и массивов дисперсных грунтов:

а) Установлено, что в диапазоне нагрузок 0,1-0,4 МПа, характерных для большинства инженерных сооружений, наличие слоистости не оказывает заметного влияния на сжимаемость

слоистых грунтов.

б) При больших величинах нагрузки расчет осадки слоистых грунтов с достаточной для практики точностью может быть выполнен по методу послойного суммирования. При возрастании количества слоев в грунте постепенно исчезает различие в величинах относительной деформации между расчетными и модельными значениями. Для двухслойной модели при нагрузке 1,6 МПа эта разница составляет 12,5%, для четрехслойной -она в четыре раза меньше, а у шести- и восьмислойной модели становится практически незаметной.

в) На основе резработанной методики моделирования процесса сжимаемости слоистых образцов дисперсных грунтов обоснована правомерность и эффективность использования нового экспресс-метода определения сжимаемости грунтов.

Поди, к печати д. О. &0*?0//1

Еум. тип. /й С Физ. п. л. № Уч.-нзд. .1. /3

Заказ Тираж /20

Типография ордена сЗнак Почета> изл-ва МГУ. Москва, Ленинские горы