Научная статья на тему 'Анализ деформируемости анизотропных аргиллитоподобных глин'

Анализ деформируемости анизотропных аргиллитоподобных глин Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
157
23
Поделиться
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
АРГИЛЛИТОПОДОБНАЯ ГЛИНА / АНИЗОТРОПИЯ / МОДУЛЬ ДЕФОРМАЦИИ / ШТАМП / ПРЕССИОМЕТР / ОДОМЕТР / PLAXIS 2D / МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ / МОДЕЛЬ АНИЗОТРОПНОЙ СКАЛЫ / НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Пономарев Андрей Будимирович, Сычкина Евгения Николаевна

В данной работе результаты исследования деформируемости аргиллитоподобной глины в различных плоскостях используются для определения параметров модели трещиноватой анизотропной скалы (Jointed Rock model). Серия штамповых, прессиометрических и компрессионных испытаний позволила изучить деформационную анизотропию аргиллитоподобной глины в вертикальном и горизонтальном направлении. В ходе исследования были решены следующие задачи: выполнены эксперименты в полевых и лабораторных условиях для расчета коэффициента анизотропии аргиллитоподобной глины естественной влажности и в полностью водонасыщенном состоянии; определены деформационные параметры и выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния аргиллитоподобной глины в программном комплексе Plaxis 2D; выполнено сравнение расчетных значений деформаций основания с результатами натурных испытаний. Доказано, что аргиллитоподобная глина в горизонтальном направлении деформируется почти в два раза меньше, чем в вертикальном направлении. Авторами получен коэффициент для определения параметров модели Jointed Rock model, используемой в качестве практического инструмента для анализа напряженно-деформированного состояния анизотропных грунтов. Даны рекомендации по учету специфических свойств аргиллитоподобных глин при устройстве фундаментов.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Пономарев Андрей Будимирович, Сычкина Евгения Николаевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ANALYSIS OF DEFORMABILITY OF ANISOTROPIC AGRILLITE CLAYSTONES

In the paper, the results of deformability study of agrillite claystones are used for determination of the Jointed rock model parameters. The number of stamp, pressuremeter and compressive tests allowed to research anisotropic deformability of argillite claystone in vertical and horizontal direction. The following problems were solved during the study: 1) the in-place and laboratory experiments to calculate the anisotropy coefficient were done for anisotropic agrillite claystones with both natural moisture and total water saturation; 2) the deformation parameters were determined and the numerical simulation of the stress-strain state of claystone in field tests was carried out with the use of Plaxis 2D software application; 3) the comparative analysis was done for calculated claystone deformation and the values obtained during the in-place tests. The authors proved that agrillite claystones shows two times less deformation under loading in the horizontal direction than vertically. The ratio is obtained to determine the parameters for numerical simulation of the Jointed Rock model used as a practical tool for analysis of stress-strain behavior of anisotropic soils. The authors provided a recommended practice for consideration of specific properties of argillite claystones when carrying out foundation works.

Текст научной работы на тему «Анализ деформируемости анизотропных аргиллитоподобных глин»

УДК 539.37+552.52 DOI: 10.22227/1997-0935.2017.8.854-862

анализ деформируемости анизотропных аргиллитоподобных глин

А.Б. Пономарев, Е.Н. Сычкина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990, Пермь, Комсомольский проспект, д. 29

АННОТАцИЯ. В данной работе результаты исследования деформируемости аргиллитоподобной глины в различных плоскостях используются для определения параметров модели трещиноватой анизотропной скалы (Jointed Rock model). Серия штамповых, прессиометрических и компрессионных испытаний позволила изучить деформационную анизотропию аргиллитоподобной глины в вертикальном и горизонтальном направлении. В ходе исследования были решены следующие задачи: выполнены эксперименты в полевых и лабораторных условиях для расчета коэффициента анизотропии аргиллитоподобной глины естественной влажности и в полностью водонасыщенном состоянии; определены деформационные параметры и выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния аргиллитоподобной глины в программном комплексе Plaxis 2D; выполнено сравнение расчетных значений деформаций основания с результатами натурных испытаний. Доказано, что аргиллитоподобная глина в горизонтальном направлении деформируется почти в два раза меньше, чем в вертикальном направлении. Авторами получен коэффициент для определения параметров модели Jointed Rock model, используемой в качестве практического инструмента для анализа напряженно-деформированного состояния анизотропных грунтов. Даны рекомендации по учету специфических свойств аргиллитоподобных глин при устройстве фундаментов.

КЛЮчЕВЫЕ СЛОВА: аргиллитоподобная глина; анизотропия; модуль деформации; штамп; прессиометр; одометр; Plaxis 2D; метод конечных элементов; модель анизотропной скалы; напряженно-деформированное состояние

ДЛЯ цИТИРОВАНИЯ: Пономарев А.Б., Сычкина Е.Н. Анализ деформируемости анизотропных аргиллитоподобных глин // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 8 (107). С. 854-862. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.8.854-862

ANALYSIS OF DEFORMABILITY OF ANISOTROPIC AGRILLITE

CLAYSTONES

A.B. Ponomaryov, E.N. sychkina

Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomolskyprospekt, Perm, Russia, 614990, spstf@pstu.ru

ABSTRACT. In the paper, the results of deformability study of agrillite claystones are used for determination of the Jointed rock model parameters. The number of stamp, pressuremeter and compressive tests allowed to research anisotropic deformability of argillite claystone in vertical and horizontal direction. The following problems were solved during the study: 1) the in-place and laboratory experiments to calculate the anisotropy coefficient were done for anisotropic agrillite claystones with both natural moisture and total water saturation; 2) the deformation parameters were determined and the numerical q simulation of the stress-strain state of claystone in field tests was carried out with the use of Plaxis 2D software application;

3) the comparative analysis was done for calculated claystone deformation and the values obtained during the in-place tests. The authors proved that agrillite claystones shows two times less deformation under loading in the horizontal direction than vertically. The ratio is obtained to determine the parameters for numerical simulation of the Jointed Rock model used as a practical tool for analysis of stress-strain behavior of anisotropic soils. the authors provided a recommended practice ¡^ for consideration of specific properties of argillite claystones when carrying out foundation works.

00

Л

KEY WORDS: argillite claystones, anisotropy, modulus of deformation, stamp; pressuremeter, oedometer, Plaxis 2D, finite ^ element method, anisotropic rock model, stress-strain state.

FOR CITATION: Ponomarev A.B., Sychkina E.N. Analiz deformiruemosti anizotropnykh argillitopodobnykh glin [Analysis of Deformability of Anisotropic Agrillite Claystones]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2017, vol. 12, issue 8 (107), pp. 854-862. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.8.854-862

О H

Исследования деформационной анизотропии Эта особенность механического поведения глини-g глин проводились во многих странах с начала про- стых грунтов связана с микро- и макроструктурными ^ шлого века. Отмечали, что большинство природных факторами. На микроуровне это связано с процес-глинистых грунтов обладают поперечной анизотро- сом формирования глины, формирующим структу-н пией, сформированной в результате процесса осад- ру, текстуру, кристаллографию и размеры зерна; а

Ф конакопления [1, 2]. Эксперименты показали, что на макроуровне это связано с наличием слоистости

М механические свойства глинистых грунтов обычно и трещин. Как правило, глинистые грунты имеют

зависят от направления, в котором они измеряются. поперечно изотропную деформационную анизо-

854 © Пономарев А.Б., Сычкина Е.Н., 2017

тропию [3]. Эта анизотропная модель описывается пятью деформационными параметрами, основным из которых является модуль общей деформации. Среди зарубежных исследований деформируемости грунта можно отметить работы [4-8], среди российских — работы [10, 11]. Анизотропная деформируемость особенно четко наблюдается в слоистых грунтах и горных породах. Однако деформационная анизотропия характерна и для однородных глинистых грунтов [12, 13]. Результаты исследования [5] показали, что деформируемость современных глин более выражена вдоль слоистости.

Для изучения анизотропных деформационных характеристик глин [10] использовали одометр или трехосное устройство [12]. Выполнили исследования деформации аргиллитоподобной глины в водонасыщенном состоянии. Работы [13-16] продемонстрировали, что аргиллитоподобные глины становятся более пластичными и модуль упругости уменьшается при увеличении содержания воды в глине. Такие эффекты по своей природе связаны с изменением микроструктуры аргиллитоподобной глины при увлажнении и высыхании [17-19]. Было доказано, что чередование процесса высушивания и смачивания может изменить расстояние между частицами глины и привести к изменению механических свойств глинистых агрегатов [17].

Существующие аналитические решения для определения напряженно-деформированного состояния анизотропных грунтовых оснований являются чрезмерно сложными и разработаны, главным образом, для простых схем нагружения. Поэтому в настоящее время для определения напряженно-деформированного состояния оснований широко используются численные методы расчета. Эти методы не имеют ограничений в зависимости от типа грунтового основания и схемы нагружения. Однако численные модели требуют применения деформационных и прочностных параметров, многие из которых не определяются в ходе стандартных инженерно-геологических изысканий. В данной работе особое внимание уделяется испытаниям для определения этих параметров.

Аргиллитоподобная глина имеет широкое распространение в Европейской части России [20, 21], странах Западной Европы и Северной Америке, где широко применяется в качестве основания фундаментов. Аргиллитоподобная глина имеет коричневый цвет и состоит из кластических зерен размером порядка 10"4...10"3 см в поперечнике, сцементированных дисперсной массой глинисто-хлоритового вещества, карбонатов и гидроксидов железа. Пленочные и цементирующие вещества (монтмориллонит, хлорит, карбонаты и гидроксиды железа) в сумме могут составлять до 70 % от массы породы. Характер связей между частицами в аргиллитопо-добной глине сочетает в себе полнокристаллический и пленочный тип цементации [19-22]. Таким образом, строение аргиллитоподобных глин харак-

теризуется наличием пелитовых и мелкоалевритовых кластических частиц, покрытых пленками и сцементированных в однородную массу. Особенности физических свойств аргиллитов определяются значительным содержанием монтмориллонита в состоянии застаревшего коллоида. С потерей естественной влажности монтмориллонит сжимается и в породе появляются микротрещины. Погружение в воду в таком состоянии вызывает неравномерное расширение и расклинивание водой породы на мелкие кусочки по неправильным криволинейным поверхностям. Таким образом, при увлажнении и взаимодействии с атмосферным воздухом механические свойства аргиллитоподобной глины изменяются: масштаб деформаций возрастает, а прочность снижается. Своевременный учет специфики поведения аргиллитоподобной глины при водонасыщении на стадии инженерно-геологических изысканий, стадии разработки проектной документации, а также на этапе строительного производства позволит впоследствии исключить затраты на специальные мероприятия по восстановлению прочностных и деформационных свойств оснований фундаментов.

Объектом этого исследования является ар-гиллитоподобная глина, которая сформировалась в Пермский период (более 290 млн лет назад). В дальнейшем пермские аргиллитоподобные глины испытали сложную историю нагружения, которая состояла из длительного континентального периода и накопления аллювиальных глин и песков над указанными отложениями. Обычно такая история на-гружения является причиной формирования анизотропных механических свойств грунтов. В данной работе результаты исследования деформируемости аргиллитоподобной глины в различных плоскостях используются для определения значений параметров модели трещиноватой анизотропной скалы (Jointed Rock model). В ходе исследования были решены следующие задачи: е

1) описана методика и выполнены эксперимен- Т ты в полевых и лабораторных условиях для расчета коэффициента анизотропии аргиллитоподобной ^ глины естественной влажности и в полностью водо- М насыщенном состоянии; П

2) определены деформационные параметры и у выполнено численное моделирование напряженно- Т деформированного состояния аргиллитоподобной м глины в программном комплексе Plaxis 2D;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3) выполнено сравнение расчетных значений ю деформаций основания с результатами натурных испытаний.

Исследование анизотропных свойств было вы- у полнено для аргиллитоподобных глин, залегающих ^ на глубине 10,0...20,0 метров в полевых и лабора- 8 торных условиях. Все экспериментальные площад- 1 ки и места отбора проб были расположены в городе Перми, Россия. На основании экспериментальных ) исследований были получены параметры для рас-

N О

со

о >

с

10

N ^

S о

H >

о

X

s

I h

О ф

tfl

чета численными методами, реализованными в программном комплексе Plaxis 2D. Статистическая обработка результатов испытаний была выполнена согласно ГОСТ 20522-20121.

Целью экспериментального исследования в полевых и лабораторных исследований было изучение деформируемости аргиллитоподобных глин в плоскости изотропии (горизонтальной плоскости или плоскости слоистости) и нормально к ней (в вертикальной плоскости). В курсе изучения следующие деформационные свойства аргиллитов были определены: компрессионный модуль деформации E, прессиометрический модуль деформации Епр, штамповый модуль деформации Ешт.

Полевые и лабораторные тесты использовались для расчета коэффициента анизотропии S

а =—, (1)

Sz 1 ;

где S — среднее значение абсолютных горизонтальных деформаций аргиллитоподобной глины, мм; S — среднее значение абсолютной вертикальной деформации аргиллитоподобной глины, мм.

Полевые исследования деформации анизотропии аргиллитоподобной глины состояли из испытаний статической нагрузкой плоским штампом площадью 600 см2 и прессиометрических испытаний в скважинах. Указанные полевые эксперименты позволили изучить деформационную анизотропию аргиллитоподобной глины: статические испытания штампом в скважинах позволили оценить деформацию грунта в вертикальной плоскости и испытания радиальным прессиометром в скважинах позволили определить деформационные свойства в горизонтальной плоскости. Полевые эксперименты были проведены на пяти экспериментальных площадках в г. Перми. На площадках аргиллитоподобные глины были перекрыты слоями аллювиальных современных глин и песков. Все полевые испытания производились при природной влажности аргилли-топодобной глины.

Лабораторные исследования деформируемости аргиллитоподобной глины были выполнены при помощи одометра. Высота образцов грунта составляла 20,0 мм, а диаметр — 71,5 мм. Нагружение образцов было выполнено в соответствии с ГОСт 12248-20102. Лабораторные испытания в одометре были выполнены с образцами аргиллитоподобной глины, вырезанными параллельно и нормально к слоистости грунта (вертикально и горизонтально). такой способ позволил оценить деформируемость аргиллитоподобной глины в вертикальном и горизонтальном направлениях и рассчитать коэффициент анизотропии по формуле (1). Лабораторные испытания проводились по двум схемам: при есте-

1 ГОСТ 20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний.

2 ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного опре-

деления характеристик прочности и деформируемости.

ственной влажности и при полном насыщении образцов аргиллитоподобной глины. Это позволило оценить влияние водонасыщения на деформируемость аргиллитоподобной глины. В лабораторных испытаниях авторы использовали 60 образцов аргиллитоподобных глин из 30 скважин в г. Перми.

Расчет модуля общей деформации аргиллито-подобной глины проводился в соответствии с ГОСТ 20276-2012 и ГОСТ 12248-20103. Корректирующие коэффициенты, учитывающие отличие вертикальных и горизонтальных деформаций при прессиоме-трических испытаниях, в расчет прессиометриче-ского модуля не вводились, поскольку их значения, приведенные в ГОСТ 20276-2012, не могут быть использованы для глин нечетвертичного возраста.

Полученные в ходе полевых и лабораторных исследований параметры деформируемости грунта были использованы для численного моделирования напряженно-деформированного состояния аргиллитоподобной глины при штамповых, пресси-ометрических и одометрических испытаниях. Численное моделирование было выполнено с использованием программного комплекса Plaxis 2D v.9, где реализован метод конечных элементов [23].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В расчетном комплексе Plaxis 2D v.9 было выполнено следующее:

• созданы двухмерные расчетные схемы штам-пового и прессиометрического испытания с учетом неоднородности строения грунтового основания, нагрузок и граничных условий;

• аргиллитоподобные глины были смоделированы с применением апробированной в современных геотехнических расчетах упругопластической модели анизотропного скального грунта Jointed Rock model;

• выполнены расчеты и анализ напряженно-деформированного состояния грунтового основания, сложенного аргиллитоподобной глиной.

Расчет деформаций аргиллитоподобной глины был выполнен в плоской постановке осесимметрич-ной задачи с использованием модели трещиноватой анизотропной скалы (Jointed Rock model). Модель трещиноватой анизотропной скалы (Jointed Rock model) представляет собой анизотропную упругую идеально-пластическую модель, применяющуюся при моделировании поведения слоистых и трещиноватых скальных массивов. Скала ведет себя как трансверсально-изотропный упругий материал, характеризуемый пятью независимыми параметрами. Для пермской аргиллитоподобной глины было принято горизонтальное направление слоев и главных трещин. В исследовании рассмотрена горизонтальная слоистость, где жесткость в горизонтальном направлении Ех отлична от жесткости в вертикальном направлении Е2. При расчете использовались параметры деформируемости, полученные по результа-

ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости.

там полевых и лабораторных испытаний в данной работе. Параметры прочности: удельное сцепление, угол внутреннего трения, — были приняты согласно архивным данным испытаний на одноплоскост-ной срез, выполненным на экспериментальных площадках, участвующих в исследовании. С целью верификации деформации аргиллитоподобной глины, полученные в результате численного моделирования, были сравнены со значениями максимальных деформаций, полученными по результатам прессиометрических, штамповых и компрессионных испытаний.

Деформационные кривые для аргиллитоподобной глины по результатам прессиометрических испытаний и статических испытаний плоским штампом представлены на рис. 1.

Результаты прессиометрических испытаний говорят о том, что цементационные связи в аргил-литоподобной глине препятствуют наступлению фазы пластической деформации, а протяженный участок графика осадки в пределах фазы уплотнения обусловлен поворотом глинистых частиц. Таким образом, исследование выявило, что деформируемость аргиллитоподобных глин в пределах фазы уплотнения имеет практически линейный характер, что подтверждает возможность расчетов осадки фундаментов на аргиллитоподобных глинах с применением существующих методов.

Деформационные кривые, полученные для ар-гиллитоподобной глины в одометре, приведены на рис. 2.

Деформация, мм 0 12 3 4

я

с

я X

Рис. 1. Кривые средних значений деформаций аргиллитоподобных глин по данным испытаний: 1 — прессиометром; 2 — штампом

Анализ рис. 1 показал, что при одинаковых интервалах нагружения меньшая деформация для ар-гиллитоподобной глины наблюдается в плоскости изотропии (прессиометрические испытания). Также видно, что в случае штамповых испытаний ар-гиллитоподобной глины деформационные кривые имели выраженный предел структурной прочности при нагрузках до 0,05...0,1 МПа, далее на кривой наблюдался протяженный линейный участок, соответствующий фазе уплотнения грунта. Фаза пластичности в интервалах нагружения до 0,6 МПа не была достигнута.

Особенностью деформаций аргиллитоподоб-ной глины по данным прессиометрических испытаний была практически линейная деформация после завершения этапа обжатия грунта стенок скважины камерой прессиометра вплоть до нагрузки 0,8.0,9 МПа. Таким образом, по результатам штамповых и прессиометрических испытаний в пределах наиболее распространенных нагрузок от зданий и сооружений не был достигнут предел пластической деформации аргиллитоподобной глины.

-

2 1Г 4 1 3

100

200

300

400

500

600

Рис. 2. Деформация кривые для аргиллитоподобной глины в одометре: 1 — деформация образцов природной влажности, вырезанных вертикально; 2 — деформация образцов природной влажности, вырезанных горизонтально; 3 — деформация образцов, насыщенных водой, вырезанных вертикально; 4 — деформация образцов,

насыщенных водой, вырезанных горизонтально

Анализ графиков, представленных на рис. 2, позволяет сделать следующие выводы:

1. Абсолютная деформация аргиллитоподоб-ной глины при одинаковых интервалах нагружения в вертикальном направлении превышает деформацию в горизонтальном направлении. Это наблюдение верно как для аргиллитоподобной глины естественной влажности, так и при полном насыщении водой.

2. Абсолютная деформация аргиллитоподоб-ной глины природной влажности в вертикальном направлении превышает деформации в горизонтальном направлении в среднем в 2,7 раза.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Абсолютная деформация аргиллитоподоб-ной глины возрастает с увеличением степени насыщения водой как для образцов, ориентированых нормально к плоскости слоистости (горизонтально),

00

Ф

0 т

1

*

О У

Т

0

1

м

В

г

3

у

о *

8

О

■ч

так и в плоскости слоистости (вертикально). Тем не менее, абсолютные деформации имеют большие значения в случае испытания образцов, которые ориентированы нормально к плоскости слоистости.

Эти наблюдения позволяют говорить о том, что при расчете осадки грунтового основания, сложенного аргиллитоподобной глиной, с применением прессиометрического модуля деформации будут получены заниженные значения деформаций основания, а при расчете с применением компрессионного модуля деформации — завышенные значения осадки.

Значения коэффициентов деформационной анизотропии, рассчитанных по формуле (1) по данным лабораторных экспериментов, приведены в табл. 1.

Коэффициенты деформационной анизотропии рассчитаны по усредненным значениям абсолютных деформаций аргиллитоподобной глины в одометре.

Результаты расчета модуля деформации аргил-литоподобной глины по данным опытов в одометре представлены в табл. 2.

Как показывает табл. 2, отношение компрессионных модулей деформации в вертикальном и горизонтальном направлениях может достигать трех раз.

Расчеты модуля штампового модуля деформации Ешт и прессиометрического модуля деформации Епр в соответствии с действующими нормативными документами были сделаны для нагрузок в диапазоне 0...0,5 МПа и представлены в табл. 3.

Табл. 3 показывает, что величины штамповых и прессиометрических модулей деформации для аргиллитоподобной глины могут значительно отличаться. Данные, представленные в табл. 2 и 3, были использованы для расчета параметров, необходимых при численном моделировании деформируемости аргиллитоподобной глины в программном комплексе Plaxis.

Параметры, принятые для аргиллитоподобной глины, основаны на результатах, полученных ранее в данном исследовании. Для моделирования напряженно-деформированного состояния аргиллитопо-добной глины при штамповом и прессиометриче-ском опыте были приняты геологические условия, характерные для экспериментальных площадок. Перекрывающие аргиллитоподобную глину слои грунтов были смоделированы при помощи модели Мора—Кулона. Для аргиллитоподобной глины была использована модель анизотропной скалы (Jointed Rock model). Модуль деформации в горизонтальной плоскости рассчитывался с применением соотношения E /Е по данным компрессионных испытаний образцов аргиллитоподобной глины в интервале нагружения 0,2..0,3 Мпа, равного 2,01 (см. табл. 2). Значения модулей деформации в вертикальной плоскости Е2, участвующие в расчете взяты в интервале 0,2.. .0,3 МПа (см. табл. 2 и табл. 3). Параметры для аргиллитоподобной глины: удельный вес 20,0 кН/м3, удельное сцепление 25 кПа, угол внутреннего трения 26°, модуль деформации Е1 48240 кПа; коэффициент Пуассона Vj 0,28; модуль деформации Е2 (штамповый) 24000 кПа; коэффициент Пуассона v2 0,28; модуль сдвига G2 9375 кПа.

Табл. 1. Значения коэффициентов анизотропии аргиллитоподобной глины

Соотношение S /S x! z Нагрузка, МПа Среднее значение Sx /Sz

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0,03 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

при естественной влажности 0,90 0,67 0,49 0,37 0,37 0,36 0,37 0,50

при полном водонасыщении 0,76 0,70 0,68 0,67 0,67 0,69 0,69 0,69

N О

со

о >

с

10

N ^

2 о

н >

о

X S I h

О ф

ta

Табл. 2. Нормативные значения модуля деформации аргиллитоподобной глины по результатам компрессионных испытаний

Модуль деформации Интервал нагружения от p. до p МПа

0,0.0,1 0,1.0,2 0,2.0,3 0,3.0,4 0,4.0,5

Е, кН/м2 Z1 2170 4640 4880 6390 9970

Е , кН/м2 л 6610 12680 9800 13600 16800

Соотношение Е /Е x z 3,05 2,73 2,01 2,13 1,69

Табл. 3. Нормативные значения модуля деформации аргиллитоподобной глины по результатам штамповых и прессиометрических испытаний

Модуль деформации Интервал нагружения от p. до p.+1, МПа

0,0...0,1 0,1...0,2 0,2...0,3 0,3...0,4 0,4...0,5

Е , кН/м2 шт.' 74000 32200 24000 19900 16700

Е , кН/м2 пр.' 15300 22000 19300 21000 24800

Для одометрического опыта принималось: одоме-трический модуль деформации Е 9800 кПа; коэффициент Пуассона v1 0,28; одометрический модуль деформации Е2 4880 кПа; коэффициент Пуассона v2 0,28; модуль сдвига G2 1906 кПа.

Результаты расчета максимальных вертикальных перемещений аргиллита при моделировании штампового и прессиометрического опытов представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно. Приведенные изолинии перемещений позволяют наглядно показать развитие деформаций при различных условиях нагружения.

Из рис. 3 видно, что максимальные перемещения наблюдаются под центром штампа. В результате численного моделирования полевых испытаний аргиллитоподобной глины плоским штампом было получено максимальное перемещение поверхности грунта 1,71 мм. По данным полевых опытов среднее значение вертикального перемещения при этой же нагрузке составило 1,8 мм.

Максимальные перемещения при прессиоме-трических испытаниях наблюдаются вблизи камеры прессиометра и быстро убывают при удалении от нее (рис. 4). При численном моделировании полевых испытаний прессиометром аргиллитоподобной глины было получено максимальное перемещение поверхности грунта 1,06 мм. По данным полевых опытов среднее значение горизонтального перемещения при этой же нагрузке составило 1,13 мм.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В целом, расчет с применением численных методов позволил получить максимальные перемещения, достаточно близкие к результатам полевых испытаний. Можно говорить о возможности использования расчетов численными методами, реа-

лизованными в Plaxis, для предварительной оценки напряженно-деформированного состояния аргил-литоподобной глины в полевых условиях с применением модели трещиноватой анизотропной скалы Jointed Rock model и параметров деформируемости, полученных в данном исследовании.

Таким образом, экспериментально в лабораторных и полевых условиях исследовано, что для аргиллитоподобных глин пермского возраста характерны анизотропные деформационные свойства. Повышение влажности приводит к изменению значений коэффициентов анизотропии. Для аргиллитоподобной глины естественной влажности и полностью насыщенной водой деформации в горизонтальной плоскости меньше деформаций в вертикальной плоскости (а = 0,5 и а = 0,77 соответственно). Эти особенности деформационной анизотропии аргиллитоподобной глины обязательно должны приниматься во внимание при расчете прессиомерического модуля деформации.

Выполненное численное моделирование наглядно показало развитие деформаций в аргиллито-подобной глине в зависимости от вида испытания. Значения параметров, использованные при численном расчете, показали результаты, согласующиеся с лабораторными и полевыми измерениями. Можно говорить о возможности применения на практике расчетов с помощью численных методов, реализованных в PLAXIS 2D, для предварительной оценки напряженно-деформированного состояния аргил-литоподобной глины.

Основания, сложенные аргиллитоподобной гли-ной, должны проектироваться с учетом их специфических особенностей. Атмосферное выветри-

00

Ф

0 т

1

S

*

о

У

Т

0 2

1

К)

В

г

3

у

о *

8

О

■ч

Рис. 3. Изолинии вертикальных перемещений аргиллита при штамповом опыте

Рис. 4. Изолинии горизонтальных перемещений аргиллита при прессиометрическом опыте

вание и водонасыщение приводит к значительному ухудшению деформационных свойств аргиллитопо-добной глины. Снижение возможности повреждения оснований зданий и сооружений, а как следствие, и самих зданий и сооружений, сводит к минимуму затраты на их восстановление. Экономический эффект

может составить более 30 %, что в конечном счете позволяет снизить затраты на специальные мероприятия по усилению, материалоемкость и трудоемкость возводимых сооружений, повысить их надежность и долговечность.

ЛИТЕРАТУРА

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Zhiwei G., Jidong Z. 2012. Efficient approach to characterize strength anisotropy in soils // Journal of Engineering Mechanics. 2012. Vol. 138. No. 12. Pp. 1447-1456.

2. Salager S., Francois B., Nuth M., Laloui L. Constitutive analysis of the mechanical anisotropy of Opalinus Clay // Acta Geotechnica. 2013. Volume 8. Issue 2. Pp. 137-154.

3. Пономарев А.Б., Сычкина Е.Н. Прогноз осадки ® свайных фундаментов на аргиллитоподобных глинах (на w примере Пермского региона) // Основания, фундаменты и ®0 механика грунтов. 2014. № 3. С. 20-24.

4. Barden L. Stresses and displacements in a cross-^ anisotropic soil // Geotechnique. 1963. Vol. 13 (3). E Pp. 798-210.

^ 5. Biarez J. Remarques sur des propriétiés méchaniques

^^ des corps pulverulents (anisotropie-écrouissage-élasticite-plasticité) conférence prononcée à une réunion du groupe de ■g rhéologie Paris le 4 décembre 1961. Paris, 1961. О 6. Eftimie A., Botez G. Tension et deplacements dans le

H demi-espase transversal anisotrope sous l'achtion des charges ^ distribules sur des surfaces élastiques limitées // Buletinul In-stitutului Politehnic din Iasi = Bulletin de l'Institut polytech-■5 nique de Jassy. 1969. Vol. 15. Pp. 3-4. ^ 7. Lam W. K., Tatsuoka F. Effects of initial anisotropic

fabric and a2 on strength and deformation characteristics of ¡E sand // Soils and Foundations. 1988. 28 (1). Pp. 89-106. О 8. Nishimura S., Minh N. A., Jardine R. J. Shear strength

Îq anisotropy of natural London clay // Geotechnique. 2007. Vol. 57(1). Pp. 49-62.

9. Бугров А.К., Голубев А.И. Анизотропные грунты и основания сооружений. СПб.: Недра, 1993. 245 с.

10. Гольдштейн М.Н., Лапкин В.Б. К вопросу о распределении напряжений в трансверсально-изотропной грунтовой среде // Вопросы геотехники. 1972. Т. 21. C. 68-85.

11. Лехницкий, С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М. : Наука. 1977. 416 с.

12. Гречко В.Ф., Макаренко И.А., Хаин В.Я. Об измерении анизотропии грунтов // Труды Днепропетровского института инженеров железно-дорожного транспорта. 1976. Т. 179/25. С. 57-62.

13. Шутенко Л.Н. Об анизотропии механических характеристик грунтов // Известия вузов. Геология и разведка. 1968. №12. С. 86—89.

14. Zhang F., Xie S.Y., Hu D.W., Shao J.F., Gatmiri B. Effect of water content and structural anisotropy on mechanical property of claystone // Applied Clay Science. 2012. 69. Pp. 79-86.

15. Fityus S.G., Buzzi O. The place of expansive clays in the framework of unsaturated soil mechanics // Applied Clay Science. 2009. Vol. 42. Pp. 150-155.

16. Hoxha D., Giraud A., Homand F., Auvray C. Saturated and unsaturated behavior modelling of Meuse-Haute/Marne argillite // International Journal of Plasticity. 2007. Vol. 23 (5). Pp. 733-7 66.

17. Robinet J.C. Mineralogie, porosité et diffusion des solutés dans l'argilite du Callovo-Oxfordien de bure

(Meuse/Haute-Marne, France) de l'échelle centimétrique à micrométrique : Diplôme doctorat d'Université. University of Poitiers, France. 2008. 249 p.

18. Хмелевцов А.А. Аргиллитоподобные глины в районе Большого Сочи и их физико-механические характеристики // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2011. № 6. С. 77-79.

19. Гайнанов Ш.Х. Геодинамика склонов, сложенных верхнепермскими красноцветами (на примере Камской долины) : автореф. дис.....канд. геол.-мин. наук.

Пермь, 1979. 25 с.

20. Пономарев А.Б., Сурсанов Д.Н. К вопросу определения несущей способности свай, опирающихся на вы-

ветрелые скальные грунты // Вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 32 (51) С. 42-48.

21. Байдак М.А., Сурсанов Д.Н. Определение расчетного сопротивления грунта под нижним концом сваи при опирании на сильновыветрелые песчаники // Вестник гражданских инженеров. СПбГАСУ. 2015. № 6 (53). С. 115-120.

22. Кузнецов А.М., Игнатьев Н.А. Химическая характеристика ваппов // Доклады Академии наук Т. 76. № 2. 1951. С. 573-574.

23. Brinkgreve R.B.J., Broere W., Waterman D. Plaxis 2D-version 9. Finite element code for soil and rock analyses : user manual. Rotterdam, Balkema. 2008.

Поступила в редакцию в марте 2017 г. Принята в доработанном виде в июне 2017 г. Одобрена для публикации в июле 2017 г

Об авторах: Пономарев Андрей Будимирович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительного производства и геотехники, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29; spstf@pstu.ru,

Сычкина Евгения Николаевна — кандидат технических наук, доцент кафедры строительного производства и геотехники, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ), 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29; aspirant123@mail.ru.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

references

1. Zhiwei G., Jidong Z. 2012. Efficient Approach to Characterize Strength Anisotropy in Soils. Journal of Engineering Mechanics. 2012, vol. 138, no. 12, pp. 1447-1456.

2. Salager S., Francois B., Nuth M., Laloui L. Constitutive Analysis of the Mechanical Anisotropy of Opalinus Clay. Acta Geotechnica. 2013, vol. 8, issue 2, pp. 137-154.

3. Ponomarev A.B., Sychkina E.N. Prognoz osadki svaynykh fundamentov na argillitopodobnykh glinakh (na primere Permskogo regiona) [Forecast of the Pile Foundation on Argillite-Like Clays (at the Example of the Perm Region)]. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov [Soil Mechanics and Foundation Engineering]. 2014, no. 3, pp. 20-24. (In Russian)

4. Barden L. Stresses and Displacements in a Cross-Anisotropic Soil. Geotechnique. 1963, vol. 13 (3), pp 798-210.

5. Biarez J. Remarques sur des proprieties méchaniques des corps pulverulents (anisotropie-écrouissage-élasticite-plasticité) conférence prononcée à une réunion du groupe de rhéologie Paris le 4 décembre 1961. Paris, 1961. (In French)

6. Eftimie Al., Botez G. Tension et deplacements dans le demi-espase transversal anisotrope sous l'achtion des charges distribules sur des surfaces élastiques limitées. Buletinul In-stitutului Politehnic din Iasi = Bulletin de l'Institut polytechnique de Jassy. 1969., vol. 15, pp. 3-4. (In French)

7. Lam W. K., Tatsuoka F. Effects of Initial Anisotropic Fabric and a2 on Strength and Deformation Characteristics of Sand. Soils and Foundations. 1988, vol. 28 (1), pp. 89-106.

8. Nishimura S., Minh N. A., Jardine R. J. Shear Strength Anisotropy of Natural London Clay. Geotechnique. 2007, vol. 57(1), pp. 49-62.

9. Bugrov A.K., Golubev A.I. Anizotropnye grunty i osnovaniya sooruzheniy [Anisotropic Soils and Bases of Structures], Saint-Petersbutg : Nedra Publ., 1993. 245 p. (In Russian)

10. Gol'dshteyn M.N., Lapkin V.B. K voprosu o raspre-delenii napryazheniy v transversal'no-izotropnoy gruntovoy srede [Revising the Question of Stress Distribution in a Transversely Isotropic Soil]. Voprosy geotekhniki [Questions of Geotechnics]. 1972, vol. 21, pp. 68-85. (In Russian)

11. Lekhnitskiy, S.G. Teoriya uprugosti anizotropnogo tela [Theory of Elasticity of an Anisotropic Body]. Moscow : Nauka Publ.. 1977. 416 p. (In Russian)

12. Grechko V.F., Makarenko I.A., Khain V.Ya. Ob iz-merenii anizotropii gruntov [On the Measurement of the Soils Anisotropy]. Trudy Dnepropetrovskogo instituía inzhenerov zhelezno-dorozhnogo transporta [Proceedings of the Dnepropetrovsk Institute of Railway Engineers]. 1976, vol. 179/25, pp. 57-62. (In Russian)

13. Shutenko L.N. Ob anizotropii mekhanicheskikh ^ kharakteristik gruntov [On the Anisotropy of the Mechanical Characteristics of Soils]. Izvestiya vuzov. Geologiya i raz- j vedka [News of the Universities. Geology and Exploration]. 1968, no. 12, pp. 86-89. (In Russian) *

14. Zhang F., Xie S.Y., Hu D.W., Shao J.F., Gatmiri B. S Effect of Water Content and Structural Anisotropy on Me- Q chanical Property of Claystone. Applied Clay Science. 2012, y vol. 69, pp. 79-86. H

15. Fityus S.G., Buzzi O. The Place of Expansive Clays O in the Framework of Unsaturated Soil Mechanics. Applied Clay Science. 2009, vol. 42, pp. 150-155. ^

16. Hoxha D., Giraud A., Homand F., Auvray C. Satu- _ rated and Unsaturated Behavior Modelling of Meuse-Haute/ ^ Marne Argillite. International Journal of Plasticity. 2007, vol. 23 (5), pp. 733 -7 66. C

17. Robinet J.C. Mineralogie, porosité et diffusion ^ des solutés dans l'argilite du Callovo—Oxfordien de bure 8 (Meuse/Haute-Marne, France) de l'échelle centimétrique à i micrométrique : Diplôme doctorat d'Université. University q of Poitiers, France. 2008. 249 p. (In French)

18. Hmelevcov A.A. Argillitopodobnye gliny v ray-one Bolshogo Sochi i ikh fiziko-mekhanicheskie kharakter-istiki [Claystones in the Bolshoy Sochi and Their Physical and Mechanical Properties]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Estestvennye ppnauki [Proceedings of the Higher Educational Institutions. North-Caucasian region. Natural Sciences]. 2011, no. 6, pp. 77-79. (In Russian)

19. Gajnanov Sh.H. Geodinamika sklonov, slozhen-nyh verhnepermskimi krasnocvetami (na primere Kamskoj

doliny) : avtoref. dis.....kand. geol.-min. nauk [Geodynamics

of the Slopes Composed of Upper Permian Red Sediments (at the Example of the Kamskaya valley) : Abstract of Thesis of Candidate of Geological and Mineral sciences]. Perm, 1979. 25 p. (In Russian)

Received in March 2017.

Adopted in revised form in June 2017.

Approved for publication in July 2017

20. Ponomarev A.B., Sursanov D.N. K voprosu opre-delenija nesushhej sposobnosti svaj, opirajushhihsja na vyve-trelye skal'nye grunty [Revising the determination of the Bearing Capacity of Piles Based on Weathered Soft Rocks]. Vestnik VolgGASU. Serija: Stroitel'stvo i arhitektura [Herald of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series : Construction and Architecture]. 2013, no. 32 (51), vol. 42-48. (In Russian)

21. Bajdak M.A., Sursanov D.N. Opredelenie raschet-nogo soprotivlenija grunta pod nizhnim koncom svai pri opi-ranii na sil'novyvetrelye peschaniki [Determination of the Design Resistance of the Soil Under the Lower End of the Pile Based on Weathered Sandstones]. Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Herald of Civil Engineers]. 2015, no. 6 (53), pp. 115-120. (In Russian)

About the authors: Ponomarev Andrey Budimirovicn — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of the Construction Technology and Geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation; spstf@pstu.ru;

sychkina Evgeniya Nikolaevna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of the Construction Technology and Geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomolsky prospekt, Perm, 614990, Russian Federation; aspirant123@mail.ru.

N О

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

00 X

о >

с

IQ

<N

s о

H >

о

X

s

I h О Ф 10