CC BY
22
УДК 624.131
И.А. Шибаев, И.Е. Сас, Е.Б. Черепецкая, Д.М. Багрянцев
обоснование возможных упрощений при оценке взаимодействия «грунт-основание»*
Аннотация. Для применения математического и физического моделирования на начальных этапах изучения инженерно-геологических процессов требуется проведение схематизации природных условий. Схематизация нужна для выбора и обоснования расчетных схем, она является начальным этапом численного моделирования. В основном используются модели упругого массива, горизонтально-слоистой среды и другие. Но общепринятого подхода к схематизации природных условий не существует, так как он уникален в каждом случае. Рассмотрены 4 вида схематизации сложного инженерно-геологического массива, который был сложен из множества песчаных грунтов: максимальной степени соответствия геологическому строению массива, линейного упрощения геологических границ с сохранением неоднород-ностей, перехода к слоистому строению массива грунтов с неровными границами и вариант перехода к слоистому строению массива с ровными линейными границами. При проведении схематизации и моделирования было показано, что усложнение расчетной модели с высокой детализацией неоднородности не всегда приводит к точному результату. Это связано как с физико-механическими свойствами грунтов, моделью их поведения, так и с особенностью конструктивных решений сооружений.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, грунт, Plaxis, грунтовый массив, численное моделирование, модель, основание.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-152-157
Введение
Современные сооружения являются технически сложными, зачастую уникальными объектами строительства. При этом, стоимость проектирования и строительства таких объектов является очень высокой. В этой связи, особенно актуальным становится вопрос о стабильной и безаварийной эксплуатации сооружений [1-4].
Огромный вклад в недопущение аварийных ситуаций вносится на начальных этапах проектирования, в частности при анализе инженерно-геологических условий района размещения объекта. Особенно актуальной, для технически сложных сооружений, является оценка
естественного напряженно-деформированного состояния (НДС) массива скальных грунтов, которое будет выступать в качестве основания, либо среды непосредственного размещения сооружения [5—7]. От НДС будет зависеть использование выбранных при проектировании технических решений, а кроме этого, особенности НДС будут определять возможность возникновения опасных процессов при строительстве (в частности, неравномерных осадок, вывалов грунта и т.д.).
В настоящее время общепризнано, что изучение функционирования больших технических систем (в частности основание-сооружение) со случайно изменяющимися характеристиками наи-
* Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках гранта РНФ № 16-17-10181.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 9. С. 152-157. © И.А. Шибаев, И.Е. Сас, Е.Б. Черепецкая, Д.М. Багрянцев. 2018.
более адекватно осуществлять с использованием комплекса различных видов моделирования, в первую очередь математического, имитационного моделирования, и в ряде случаев — физического моделирования [8—9].
Однако, прежде чем перейти к системе основание-сооружение необходимо изучить непосредственно взаимодействие природного (естественного) массива с основанием [10—11].
Применение методов математического и физического моделирования при изучении геологических и инженерно-геологических процессов требует схематизации природных условий, необходимой для выбора и обоснования расчетных схем или схем моделирования природных процессов.
Схематизация — это начальный этап численного моделирования, результатом которого является создание расчетной схемы. Таким образом, схематизация напрямую будет влиять на конечный результат расчетных исследований [12— 13]. Однако, следует отметить, что обще-
принятого подхода к схематизации природных условий не существует. Известны лишь общие схемы описания массивов горных пород, такие как модель упругого массива, модель горизонтально-слоистой среды и др. В реальности, массивы горных пород являются сложными средами, зачастую с высокой степенью неоднородности. Поэтому подход к схематизации массива горных пород индивидуален в каждом конкретном случае. При этом, необходимо упомянуть о том, что «усложнение» модели массива горных пород не всегда приводит к более точному результату. Это обусловлено тем, что на результаты численного моделирования влияют множество факторов, в том числе физико-механические свойства грунтов, модель их поведения, особенности конструктивных решений моделируемых сооружений и т.д.
Методика применения
расчетных схем
Для примера, рассмотрим несколько вариантов схематизации массива грун-
Рис. 1. Инженерно-геологический разрез, схематизируемый в ходе исследований Fig. 1. Geological section under patterning
Таблица 1
Физико-механические свойства расчетных грунтовых элементов анализируемого массива
Physical and mechanical properties of theoretical soil mass elements
№ РГЭ p, г/см3 pd, г/см3 e, д.е. Е, Мпа v, д.е. С, кПа Ф, ° Описание
tQ 1,78 1,65 0,607 32 0,3 15 33 песок пылеватый
aQ4(5) 1,89 1,51 0,801 20 0,3 5 28 песок пылеватый, водонасыщенный
aQ4(6) 1,93 1,54 0,738 24,9 0,3 4 28 песок мелкий, водонасыщенный
aQ4(7) 1,96 1,61 0,659 31,4 0,3 4 29 песок средней крупности, водонасыщенный
тов (рис. 1) с целью последующего расчета осадки плитного фундамента.
Несмотря на то, что анализируемый массив сложен песчаными грунтами, его следует отнести к достаточно неоднородным, поскольку физико-механические свойства значительно отличаются (табл. 1).
Схематизация анализируемого массива была выполнена в четырех вариантах (рис. 2):
• максимальная степень соответствия геологическому строению массива с сохранением неоднородностей (рис. 2, a);
• линейное упрощение геологических границ с сохранением общих не-
Рис. 2. Варианты схематизации анализируемого массива: максимальная степень соответствия геологическому строению массива с сохранением неоднородностей (а); линейное упрощение геологических границ с сохранением общих неоднородностей геологического строения (б); переход к слоистому строению массива грунтов с линейными неровными границами (в); переход к слоистому строению массива грунтов с ровными линейными границами (г) Fig. 2. Patterning variants: a) maximal compliance with geological structure of rock mass; b) linear simplification of geological boundaries with preservation of heterogeneities; v) transition to bedded structure of soil with uneven linear boundaries; g) transition to bedded structure of rock mass with even linear boundaries
Таблица 2
Максимальная осадка фундамента моделируемого сооружения по результатам расчетных исследований
Maximum settlement of the model structure foundation according to calculation results
№ п/п Тип схематизации Осадка фундамента, см А, см А, %
1 1-тах (детальный геологический разрез) 5,4 — —
2 2-т^шт (наиболее детальные геологические границы упрощены до линий) 6,0 0,6 10,0
3 3-т^шт 2 (геологическое строение упрощено до слоистой среды с «плавными» границами) 5,7 0,3 5,3
4 4-Low (геологическое строение упрощено до слоистой среды с ровными границами с определенными углами) 5,6 0,2 3,6
однородностей геологического строения (рис. 2, б);
• переход к слоистому строению массива грунтов с линейными неровными границами (рис. 2, в);
• переход к слоистому строению массива грунтов с ровными линейными границами (рис. 2, г).
Из рис. 2 видно, что варианты схематизации значительно отличаются с точки зрения геометрического строения массива. При этом физико-механические свойства РГЭ во всех четырех вариантах оставались неизменными.
Для расчета поведения грунта использовалась модель Mohr-Coulomb.
Сооружение моделировалось следующим образом: фундамент представляет собой плитный элемент с характеристиками, соответствующими бетону марки В25. К фундаменту прикладывалась распределенная нагрузка 0,15 МПа. Расчетные исследования выполнялись с использованием программного комплекса Plaxis 2D.
Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Для каждого варианта схематизации массива в табл. 2 введены обозначения: А — отклонения в абсолютных единицах, полученные при использовании упрощений от результатов детальной схемы; А, % — отклонение в процентах.
Результаты
По результатам расчетов установлено, что максимальная осадка фундамента сооружения при наиболее детальной схематизации массива («1») составила 5,4 см. Наибольшая величина осадки соответствует типу схематизации «2» — 6,0 см. Для схематизации по вариантам «3» и «4» — 5,7 и 5,6 см соответственно. Таким образом, разница в величинах осадки фундамента, между различными вариантами схематизации, составляет не более 0,6 см или 10%. При этом, наименьшая разница в результатах характерна для варианта «4», который является наиболее грубым упрощением анализируемого массива — 3,6% (0,2 см).
Заключение
Таким образом, согласно полученным результатам, можно сделать вывод о том, что схематизация природных условий, для рассмотренного грунтового массива, оказывает влияние на получаемые результаты не более 10%. Это говорит о том, что максимальная детализация не имеет смысла и ее эффективность не подтверждается полученными результатами. Подход к схематизации грунтового массива необходимо выполнять с учетом особенностей изучаемого грунтового массива, а также с учетом конструктивных решений моделируемых сооружений.
список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wong K., Chan A. P., Yam M. C., Wong E. Y., Kenny T., Yip K. K. Findings from a research study of construction safety in Hong Kong: Accidents related to fall of person from height // Journal of Engineering,Design and Technology, 2009,no 7, pp. 130—142.
2. Chen Z., Wu Y. Explaining the causes of construction accidents and recommended solutions / Proc. of the International Conference on Management and Service Science, 2010, pp. 1—5.
3. Gibb A., Hide S., Haslam R., Hastings S., Suraji A., Duff A. Identifying root causes of construction accidents // Jornal of Construction Engineering and Management, 2001, no 127, pp. 348—349.
3. Hughes P., Fereett E. Introduction to Health and Safety in Construction. Elsevier. United Kingdom. 2007.
5. Qudsia B., Swapnil B. C. Soil structure interaction effect for a building resting on sloping ground including infill subjected to seismic analysis // International Research Journal of Engineering and Technology, 2017, Vol. 4, p. 1547.
6. Pohl C., Placzek D. Soil-Structure-Interaction of powe plant foundations —Monitoring and numerical calculation of an extensive spread foundation / The XVI European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering: Geotechnical Engineering for Infrastructure and Development (November 2015).
7. Безродный К. П., Басов А. Д. Контроль напряженно-деформированного состояния массива горных пород при строительстве тоннелей методом ЕЭМИ // Известия ТулГУ, Науки о земле. — 2011. — Вып. 1. — С. 227—234.
8. Zhiwei G., JidongZ. Efficient approach to characterize strengthanisotropy in soils // Journal of Engineering Mechanics, 2012, Vol. 138, no 12, pp. 1447—1456.
9. Строкова Л.А. Определение параметров для численного моделирования поведения грунтов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2008. — Т. 313. — № 1. — С. 69—74.
10. PonomarevA., Sychkina E. Settlement Prediction of Foundations on Argillite-Like Soils (as Exemplified by the Perm Region) // Soil Mechanics and Foundation Engineering, 2014, no 51, pp. 111—116.
11. Farrell N., Healy D., Taylor C. Anisotropy of permeability infaulted porous sandstones // Journal of Structural Geology, 2014, no 63, pp. 50—67.
12. Louis L., Baud P., Wong T. Microstructural Inhomogeneity and Mechanical Anisotropy Associated with Bedding in Rothbach Sandstone // Pure appl. Geophys, 2009, no 166, pp. 1063—1087.
13. Brinkgreve R. B.J. Selection of soil models and parameters for geotechnical engineering application // Soil Constitutive Models: Evaluation, Selection, and Calibration, 2005, Vol. 128, pp. 69—98. B3S
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шибаев Иван Александрович1 — аспирант, инженер, e-mail: mrdfyz@mail.ru, Сас Иван Евгеньевич1 — инженер, e-mail: ivan_sas@bk.ru, Черепецкая Елена Борисовна1 — главный научный сотрудник, e-mail: echerepetskaya@mail.ru,
Багрянцев Д.М1 — аспирант, e-mail: dmitry.bagryantsev@mail.ru, 1 НИТУ «МИСиС».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 9, pp. 152-157.
Substantiation of possible simplifications in soil—foundation interaction estimate
Shibaev I.A.1, Graduate Student, Engineer, e-mail: mrdfyz@mail.ru, Sas I.E.1, Engineer, e-mail: ivan_sas@bk.ru,
Cherepetskaya E.B.1, chief researcher, e-mail: echerepetskaya@mail.ru, Bagryantsev D.M.1, Graduate Student, e-mail: dmitry.bagryantsev@mail.ru, 1 National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
Abstract. Currently all modern structures are projected and constructed in accordance with the design models of soil-foundation stress state. It is of high priority to ensure fail-safe use and stability of such structures. The mathematical and physical modeling at the initial stages of geological engineering studies needs patterning of natural conditions. Patterning is carried out for selecting and substantiating design models, and represents an initial stage of numerical modeling. Thus, patterning directly influences the calculation results. Any calculations mostly use models of elastic rock mass, horizontally bedded medium, etc. However, a patterning approach is always unique in any special case, and there is no common approach to patterning of natural conditions. This article considers 4 types of patterning of a complex geological rock mass composed of a set of sandy soils. The discussed variants of patterning included: maximal compliance with geological structure of rock mass, linear simplification of geological boundaries with preservation of heterogeneities, transition to bedded structure of soil with uneven boundaries and transition to bedded structure of rock mass with even linear boundaries. During patterning and modeling, it is shown that complication of the design model with high-degree detailing of heterogeneities not always brings an accurate result. This outcome is connected with the physical and mechanical properties of soils, their behavior and features of construction solutions.
Key words: stress state, soil, Plaxis, soil mass, numerical modeling, model, foundation.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-152-157
ACKNOWLEDGEMENTS
This study was supported by the Russian Science Foundation, Grant No. 16-17-10181. REFERENCES
1. Wong K., Chan A. P., Yam M. C., Wong E. Y., Kenny T., Yip K. K. Findings from a research study of construction safety in Hong Kong: Accidents related to fall of person from height. Journal of Engineering, Design and Technology, 2009, no 7, pp. 130-142.
2. Chen Z., Wu Y. Explaining the causes of construction accidents and recommended solutions. Proc. of the International Conference on Management and Service Science, 2010, pp. 1—5.
3. Gibb A., Hide S., Haslam R., Hastings S., Suraji A., Duff A. Identifying root causes of construction accidents. Jornal of Construction Engineering and Management, 2001, no 127, pp. 348—349.
3. Hughes P., Fereett E. Introduction to health and safety in construction. Elsevier. United Kingdom. 2007.
5. Qudsia B., Swapnil B. C. Soil structure interaction effect for a building resting on sloping ground including infill subjected to seismic analysis. International Research Journal of Engineering and Technology, 2017, Vol. 4, p. 1547.
6. Pohl C., Placzek D. Soil-Structure-Interaction of powe plant foundations — Monitoring and numerical calculation of an extensive spread foundation. The XVI European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering: Geotechnical Engineering for Infrastructure and Development (November 2015).
7. Bezrodnyy K. P., Basov A. D. Kontrol' napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya massiva gornykh porod pri stroitel'stve tonneley metodom EEMI [Stress state control in rock mass during tunneling based on natural electromagnetic radiation]. Izvestiya TulGU, Nauki o zemle. 2011, issue 1, pp. 227—234. [In Russ].
8. Zhiwei G., Jidong Z. Efficient approach to characterize strengthanisotropy in soils. Journal of Engineering Mechanics, 2012, Vol. 138, no 12, pp. 1447—1456.
9. Strokova L. A. Opredelenie parametrov dlya chislennogo modelirovaniya povedeniya gruntov [Determination of parameters for numerical modeling of soil behavior. Technology and technique of geological exploration], Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2008, vol. 313, no 1, pp. 69—74. [In Russ].
10. Ponomarev A., Sychkina E. Settlement Prediction of Foundations on Argillite-Like Soils (as Exemplified by the Perm Region). Soil Mechanics and Foundation Engineering, 2014, no 51, pp. 111—116.
11. Farrell N., Healy D., Taylor C. Anisotropy of permeability infaulted porous sandstones. Journal of Structural Geology, 2014, no 63, pp. 50—67.
12. Louis L., Baud P., Wong T. Microstructural Inhomogeneity and Mechanical Anisotropy Associated with Bedding in Rothbach Sandstone. Pure appl. Geophys, 2009, no 166, pp. 1063—1087.
13. Brinkgreve R. B.J. Selection of soil models and parameters for geotechnical engineering application.
Soil Constitutive Models: Evaluation, Selection, and Calibration, 2005, Vol. 128, pp. 69—98.
_
