CC BY
94
УДК 624.131.371
МЕЛЬНИКОВ Р. В. КОТО В А А. В.
Отличие использования параметров OCR и POP на напряженное состояние и деформирование переуплотненного грунта
Мельников
Роман
Викторович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Геотехника». ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» (ФГБОУ ВО «ТИУ»)
e-mail: [email protected]
Котова
Анастасия
Владимировна
магистр ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» (ФГБОУ ВО «ТИУ»)
e-mail: [email protected]
В работе рассматриваются различия применения параметров OCR и POP для описания напряженного состояния переуплотненного грунта в модели Hardening Soil, используемой в программном комплексе Plaxis. Установлено, что использование давления предварительного уплотнения POP более достоверно описывает поведение предварительно уплотненного грунта под нагрузкой, чем параметр OCR.
Ключевые слова: Plaxis, коэффициент переуплотнения OCR, давление предварительного уплотнения POP, модель грунтового основания Hardening Soil, коэффициент бокового давления k0, численное моделирование, моделирование компрессионных испытаний.
MELNIKOV R. V., KOTOVA A. V.
DIEFERENCE BETWEEN THE USE OF OCR AND POP PARAMETRS ON THE STRESS STATE AND DEFORMATION OF SOIL COMPACTION
The article presents the differences applying OCR and POP settings to describe the initial stress state of the over-consolidated soil in the Hardening Soil model used in software Plaxis. Author fixes that the use of POPpre-compaction pressure describes thepre-compacted soil behavior under load more relevant than the OCR option.
Keywords: Plaxis, over-consolidation ratio OCR, pre-overburdenpressure POP, the Hardening Soil model, lateral pressure coefficient k0, numerical analysis, analysis of oedometer test.
егодня строительная отрасль бурно развивается. Каждый инженер знает и понимает, что фундамент — это самая важная часть любого здания или сооружения, ведь проблемы с подземной частью здания или сооружения могут привести к еще большим проблемам для надземных конструкций [1]. Грамотное проектирование и конструирование фундаментов напрямую зависит от знания геологических условий, которые складываются на территории строительства. Неверная их оценка может привести к неоправданному удорожанию стоимости возведения подземной части здания и сооружения, либо, наоборот, к опасному ее занижению. При проведении инженерно-геологических изысканий важно не только достоверно определить необходимые физико-механические и прочностные свойства грунтов, но и правильно оценить условия формирования грунтового массива [2].
Около трети территории России находилось под воздействием древнего оледенения, что привело к возникновению так называемых переуплотненных грунтов [3]. Переуплотненным называется грунт, который при своем формировании находился под действием эффективных природных давлений, больших, чем те, которые действуют на него в настоящее время. Основными параметрами, характеризующими такого вида грунты, являются давление предварительного уплотнения a'p и коэффициент переуплотнения OCR. При решении задач методом конечных элементов для описания начального напряженного состояния переуплотненных грунтов используется как коэффициент переуплотнения OCR, так и давление покрывающих пластов POP. Историю нагружения массивов грунта принято оценивать, используя значение коэффициента переуплотнения OCR. Коэффициент переуплотнения вычисляется из следу-
ющего условия OCR = —p. Из дан-
ayy
ного условия видно, что для нормально уплотненных грунтов, у которых отсутствовало давление предварительного уплотнения, коэффициент OCR < 1, у переуплотненных грунтов получаем OCR > 1.
Давление покрывающих пластов POP определяется из условия POP = Y'p — a-y^l и не используется в классификации грунтов.
В настоящее время решение сложных геотехнических задач реализуется при помощи современных программных комплексов (Plaxis, ANSYS, FEM models, Midas и т. д.) [4—7] с широким набором моделей грунтов. Часто применяемая для этих целей программа Plaxis [8] позволяет использовать оба параметра, и OCR и POP, для описания работы переуплотненных грунтов.
Решению данных вопросов при проведении численных моделирований посвящены работы [9—12].
В данной статье исследуется отличие в формировании начального напряженного состояния переуплотненного грунта при использовании параметров модели OCR и POP. В качестве модели грунта используется модель уплотняющегося грунта Hardening Soil, реализуемая с помощью программного комплекса Plaxis.
Цель работы заключается в выявлении отличия использования параметров OCR и POP на напряженное состояние переуплотненного грунта в программе Plaxis.
Предметом исследования являются коэффициент переуплотнения OCR и давление покрывающих пластов POP в программе Plaxis.
Новизна работы заключается в следующем:
♦ получены данные по численной модели напряженно-деформированного состояния грунтового основания с использованием коэффициента переуплотнения OCR и давления покрывающих пластов POP;
♦ выявлены закономерности использования параметров OCR и POP, участвующих в формировании начального напряженно-деформированного состояния грунтового основания из переуплотненных грунтов в численном моделировании.
Все задачи исследования решены на основе применения методов математического и численного моделирования. Для теоретических расчетов, теоретического и графического анализа результатов использовались пакеты стандартных зарубежных программ.
Иллюстрация 1. Формирование переуплотненных грунтов, где ст р — максимальное вертикальное напряжение в прошлом; ст уу — текущее бытовое напряжение
! ] 1 ] 1 \ 1 \ 1) 1 \ 1)
ее
а уу
\/ V V V \1 V V V
о УУ
(Тхх
G хх
Иллюстрация 2. Начальное напряженное состояние для грунтов одной глубины: а — нормально уплотненных грунтов; б — предварительно уплотненных грунтов, где ст'у — вертикальные напряжения в грунте от собственного веса; ст ст'хх — горизонтальные напряжения в нормально уплотненных и переуплотненных грунтах соответственно
Начальное напряженное состояние грунтового основания зависит как от вертикальных и горизонтальных напряжений собственного веса, так и от давления предварительного уплотнения (ст'р) — максимального вертикального давления, которое грунт испытывал в прошлом [13].
Грунты, у которых отсутствует давление предварительного уплотнения, называются нормально уплотненными. Если давление предварительного уплотнения превышает бытовое давление (ст^), то такой грунт называется переуплотненным. Процесс формирования переуплотненных грунтов схематично представлен на Иллюстрации 1.
Для начального напряженного состояния переуплотненных грунтов характерно то, что величина горизонтальных напряжений в них больше, чем в грунтах, предварительное уплотнение у которых отсутствует. Данное условие схематично показано на Иллюстрации 2.
Из Иллюстрации 2 видно, что ст'р, > стх , ст'уу > ст'хх , в то время как
стхх > стхх.
Программа Р1ах1з проводит расчет начального напряженного состояния грунтового основания автоматически. По умолчанию принято, что моделируемый грунт является нормально уплотненным, поэтому используется коэффициент бокового давления при нормальной консолидации. Он определяется автоматиче-
ски по формуле Jaky [14]: к^с = 1 - sin ф'.
Для реализации целей данной работы проведено численное моделирование, имитирующее условия компрессионного сжатия.
Ранее [15] были определены параметры модели Hardening Soil для образца грунта ненарушенной структуры.
Выбор данной модели основан на ее возможности учитывать историю нагружения основания, т. е. использовать параметры OCR и POP [16, 17].
Иллюстрация 3. Эпюра начальных горизонтальных напряжений
Иллюстрация 4. Эпюры начальных горизонтальных напряжений при различных значениях OCR
160
140
Напряжения, кН/м-
120 100 80
60
40
7/Л
/ / /
/ / i
// / / /
/ А
/ /Л /_/ /У.
/ ¿V Ж / S / \ Í
0,0 0,5 1.0
«* 5
F я
2.0 I
1
2Í S ■ Ü
з,о
3,5 4.0
-ннс
-РОР=1бО кПа
-РОР=ЮО кПа -POP=170 КПа
-РОР=120 кЛэ POP-ISO кПа
-ГОР=Ы0кШ -РОР=200 кПа
Иллюстрация 5. Эпюры начальных горизонтальных напряжений при различных значениях POP
Иллюстрация 6. Эпюра горизонтальных напряжений предварительно уплотненного образца грунта под нагрузкой
Иллюстрация 7. Компрессионные кривые е = f (p) моделирования № 1
В первом моделировании проводилось определение действительного начального напряженного состояния переуплотненного грунта приложением внешней нагрузки p1 = 200 кПа к поверхности образца. То есть было создано непосредственное предварительное уплотнение. После этого проводилась разгрузка образца с обнулением деформаций. В результате получена эпюра начальных горизонтальных напряжений, представленная на Иллюстрации 3.
Следующим расчетом сделана попытка сформировать начальное напряженное состояние, полученное непосредственным нагружени-ем нормально уплотненного образца грунта, при помощи параметров OCR и POP.
Программный комплекс Plaxis дает возможность использовать любые значения величины параметров OCR и POP для проведения вычислений. Вначале было установлено изменение величины и характера горизонтальных напряжений в грунте при различных значениях данных параметров. Полученные результаты представлены на Иллюстрациях 4 и 5.
На них видно, что характер развития горизонтальных напряжений по глубине образца, полученный в результате предварительного уплотнения, созданного при помощи непосредственного нагружения нагрузкой p1 = 200 кПа, и образцов грунта, предварительное уплотнение которых создавалось с помощью задания параметров OCR и POP, значительно отличается.
При изменении величины коэффициента OCR меняется только угол наклона эпюры напряжений, так как данная эпюра строится согласно уравнению a'xx = k0 ■ а'уу , при а'уу = 0, a'xx = 0. Эпюра горизонтальных напряжений имеет форму прямоугольного треугольника.
При исследовании влияния параметра POP, величина которого определяется как — о"Уу |, изменяется только величина «отставания» эпюры от оси ординат, в то время как угол наклона эпюры остается постоянным. Эпюра горизонтальных напряжений при этом имеет форму прямоугольной трапеции.
Установлено, что различные варианты как первых, так и вторых эпюр начальных горизонтальных напряжений, полученных при помощи параметров OCR и POP, не позволяют достоверно описать начальное напряженное состояние предварительно уплотненного грунта, в сравнении с эпюрой начальных горизонтальных напряжений, полученной в результате
непосредственного приложения нагрузки предварительного уплотнения.
Следующим этапом проведения данного численного эксперимента было установление таких величин параметров OCR и POP, которые бы в полной мере описывали как напряженное состояние грунта, так и характер его деформаций при повторном нагружении.
На Иллюстрациях 6 и 7 представлены результаты численного моделирования, в котором производилось повторное приложение нагрузки величиной p2 = 800 кПа к поверхности переуплотненного образца грунта, предварительное уплотнение которого создавалось непосредственным предуплотнением нагрузкой величиной 200 кПа. Параллельно был проведен независимый расчет, когда к образцу нормально уплотненного грунта сразу прикладывалось давление px = 800 кПа.
В результате анализа полученных результатов расчета, отраженных на Иллюстрации 7, установлено следующее. Во-первых, ветви первичного нагружения на графиках при px = 200 кПа и px = 800 кПа совпадают до давления 200 кПа. Во-вторых, в образце грунта, который был предварительно уплотнен, повторное нагружение дает перелом компрессионной кривой при нагрузке, близкой к давлению предварительного уплотнения. При ее дальнейшем росте наклон компрессионной кривой совпадает с кривой первичного нагружения (при px = 800 кПа). Это доказывает тот факт, что модель грунта Hardening Soil позволяет учитывать историю нагружения грунта.
Далее были произведены два численных расчета, имитирующие данное испытание, но уже с использованием параметров OCR (Иллюстрации 8 и 9) и POP (Иллюстрации 10 и 11). Для построения эпюр горизонтальных напряжений, возникающих в предварительно уплотненном образце грунта, и компрессионных кривых сначала использовались значения величин OCR и POP, подобранных по полученным графикам начального напряженного состояния образца грунта, наиболее близким к непосредственному уплотнению, изображенным на Иллюстрациях 4 и 5. Полученные компрессионные кривые и эпюры горизонтальных напряжений сравнивались на соответствие с исходной кривой и эпюрой, полученными из первого моделирования, в ходе которого предварительное уплотнение создавалось с помощью нагрузки 200 кПа. Далее производилась калибровка данных характери-
На грузка, кПа
200 400 600
0,0
0.1
5 0,2
= 0.3
У
О, 0.-1
0.5
0.6
0.7
-^
\N
>
\\
F
-Моделирование №1
OCR=J,J -OCR-i.O
- (XR=7,{|
-OCR=fQ.O
Иллюстрация 8. Компрессионные кривые при различных значениях OCR
Иллюстрация 9. Эпюры горизонтальных напряжений при различных значениях OCR
Иллюстрация 10. Компрессионная кривая Иллюстрация 11. Эпюра горизонтальных при POP = 200 кПа напряжений при POP = 200 кПа
стик с целью получения таких величин OCR и POP, которые бы позволили получить наиболее близкие результаты при построении компрессионной кривой и эпюр горизонтальных напряжений с наименьшей погрешностью. При этом допустимый уровень погрешности для данных численных решений был принят не более 5%.
Из проведенных вычислений можно сделать вывод, что из эпюры начального напряженного состояния не удается подобрать значение параметра OCR, который будет с достаточной точностью описывать напряженное и деформированное состояние образца грунта при его дальнейшем нагружении. На эпюре, изображенной на Иллюстрации 9, видно, что характер развития напряжений по глубине в переуплотненном образце грунта при OCR = 3,5 очень близок к напряжениям, полученным в результате моделирования № 1, в котором предварительное уплотнение создавалось непосредственным приложением нагрузки к нормально уплотненному образцу. Погрешности значений не превышают 5%. Однако при построении компрессионных кривых при аналогичных значениях OCR зна-
чения деформаций получаются с достаточно большими погрешностями (более 25%) и в результате завышенными, даже если значения напряжений в грунте были близки. Наиболее близкий характер кривой был получен при величине OCR = 7,0. Данное значение OCR достаточно точно описывает деформирование образца при нагрузках, превышающих значение 360 кПа, но при меньшей величине нагрузки погрешность результатов значительно возрастает. К тому же кривая имеет монотонный характер, на ней не наблюдается перелома, который бы позволил определить значение давления предварительного уплотнения ни при каких значениях коэффициента OCR.
При использовании параметра POP значения полученных горизонтальных напряжений укладываются в установленную 5% погрешность, но характер развития также немного отличается. Как видно на графике компрессионных кривых на Иллюстрации 10, параметр POP достаточно точно описывает деформирование образца предварительно уплотненного грунта под нагрузкой. Погрешность значений измерений на всем диапазоне нагру-
зок не превышает 5%. На графике имеется характерный перелом, соответствующий значению давления предварительного уплотнения грунта. Сама величина параметра POP соответствует величине давления предварительного уплотнения, равного 200 кПа.
На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1 Начальное напряженное состояние и работа под нагрузкой нормально уплотненных и переуплотненных грунтов существенно отличаются.
2 Для учета начального напряженного состояния и работы под нагрузкой переуплотненных грунтов необходимо определять давление предварительного уплотнения ст 'р, коэффициент переуплотнения OCR и давление покрывающих пластов POP.
3 В численном моделировании поведение и работа переуплотненных грунтов описываются с помощью коэффициентов OCR и POP.
4 Для таких моделей грунта, как Hardening Soil, очень важно учитывать историю прошлых нагружений, так как для переуплотненных грунтов история загружения существенно влияет на процесс деформирования и на напряженное состояние грунта.
5 Использование параметра OCR не позволяет достоверно описать процесс деформирования предварительно уплотненного грунта под нагрузкой.
6 Коэффициент предварительного уплотнения OCR достаточно точно описывает деформирование образца при нагрузках, значительно превышающих значение давления предварительного уплотнения, но при меньшей величине нагрузки имеется высокая погрешность результатов (более 25%). В то же время при описании напряженного состояния нагруженного образца предварительно уплотненного грунта значения напряжений укладываются в заданную погрешность 5%.
7 Использование давления покрывающих пластов POP, равного давлению предварительного уплотнения ст p , для описания начального напряженного состояния позволяет с достаточной точностью описать процесс деформирования грунта под нагрузкой.
Заключение
Большая часть территории нашей страны находилась под действием древнего оледенения, что привело к образованию переуплотненных грунтов. При проектировании и строительстве зданий и сооружений на такого рода основаниях нельзя не учитывать этот фактор.
Основными параметрами, описывающими переуплотненные грунты, являются коэффициент переуплотнения OCR и давление покрывающих пластов POP. С помощью данных параметров учитывается начальное напряженное состояние переуплотненных грунтов в сложных расчетных моделях. Такой моделью, к примеру, является модель уплотняющегося грунта Hardening Soil.
В ходе исследования установлено, что при моделировании работы предварительно уплотненного грунта под нагрузкой более адекватным в использовании является параметр POP, так как он более достоверно описывает напряженное и деформированное состояние переуплотненного грунта. Однако требуется проведение дальнейших исследований в этой области для определения границ применимости данных параметров OCR и POP, а также возможности или невозможности их совместного использования.
Список использованной литературы
1 Улицкий В. М., Шашкин А. Г., Шашкин К. Г. Гид по геотехнике (путеводитель по основаниям, фундаментам
и подземным сооружениям). СПб. : ПИ «Геореконструкция», 2010. 208 с.
2 Крамаренко В. В., Никитенков А. Н., Молоков В. Ю. О структурной прочности глинистых грунтов территории Томской области // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 669.
3 Болдырев Г. Г., Идрисов И. Х. Лабораторные методы определения механических свойств грунтов : информац. пособие. Пенза : ПГУАС, 2008. 40 с.
4 Шашкин А. Г., Шашкин К. Г. Расчеты взаимодействия высотного здания и основания с учетом нелинейных свойств конструкционных материалов и грунтов // Жилищное строительство. 2015. № 9. С. 30-35.
5 Киселев Н. Ю. Экспериментальное исследование работы плитного фундамента с демпфирующим слоем на грунтовом основании // Геотехника. 2016. № 1. С. 51-60.
6 Есипов А. В., Демин В. А., Ефимов А. А. Численные исследования осадок плитных фундаментов на грунтовом и армированном сваями основаниях // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 181-187.
7 Чикишев В. М., Пронозин Я. А., Мальцев Л. Е. и др. Расчетно-экспериментальное обоснование использования свайно-оболочечных фундаментов в высотном строительстве // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2012. № 1 (20). С. 37-42.
8 Мельников Р. В., Порошин О. С. Отличие использования параметров OCR и POP при деформировании переуплотненного грунта под нагрузкой в программе Plaxis // Академический вестник УралНИИПроект РААСН. 2015. № 3. С. 87-91.
9 Парамонов В. Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники. СПб. : ПИ «Геореконструкция», 2012. 264 с.
10 Строкова Л. А. Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований : дис. ... д-ра геол.-минерал. наук / ФГБОУ ВПО Нац. исслед. Томский политех. ун-т. Томск, 2011. 161 с.
11 Тер-Мартиросян З. Г., Тер-Мартиросян А. Р., Лузин И. Н., Манукян А. В. Осадки фундаментов глубокого заложения в переуплотненных грунтах // Геотехника. 2015. № 1. С. 39-43.
12 Улицкий В. М., Шашкин А. Г., Шашкин К. Г. Геотехническое сопровождение развития городов (практическое пособие по проектированию зданий и сооружений в условиях плотной застройки). СПб. : Стройиздат Северо-Запад, 2010. 552 с.
13 Засорина О. А. Исследование параметров переуплотнения глинистых грунтов // Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. 2010. Т. 257. С. 78-84.
14 Строкова Л. А. Определение параметров начального напряженного состояния грунта k0 и OCR для нелинейных упругопластических моделей // Геотехника. 2011. № 2. С. 60-70.
15 Мельников Р. В. Компрессионные испытания грунта как способ определения параметров модели Hardening Soil // Академический вестник УралНИИПроект РААСН. 2014. № 4. С. 90-94.
16 Тер-Мартиросян А. З., Лузин И. Н. Обзор методов определения OCR и его влияние на деформируемость основания // Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение : материалы междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. СПб. : СПбГАСУ, 2014. С. 505-509.
17 Сливец К. В. Определение внутренних параметров модели Hardening Soil Model // Геотехника. 2010. № 6. С. 55-59.
