CC BY
54
ш
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 624.131
Мирсаяпов И.Т. - доктор технических наук, профессор E-mail: mirsayapov@kgasu.ru
Королева И.В. - кандидат технических наук, доцент E-mail: koroleva@kgasu.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1
Оценка сейсмостойкости слоистых грунтовых оснований, сложенных глинами и водонасыщенными песчаниками
Аннотация
Для исследования динамической устойчивости слоев глин и водонасыщенных песчаников с позиции оценки возможности их разжижения при сейсмических воздействиях, соответствующих проектной (прогнозной) сейсмической активности площадки, в лаборатории кафедры Оснований, фундаментов, динамики сооружений и инженерной геологии проведены испытания грунтов на эквивалентные в силовом отношении сейсмическому воздействию трехосные циклические нагружения. Полученные результаты были использованы при разработке рекомендаций по устройству оснований и фундаментов с учетом влияния сейсмических нагрузок на изменение механических свойств грунтов основания и как следствие возможного виброразжижения грунтов.
Ключевые слова: водонасыщенные песчаники, глина, динамическое нагружение, трехосное сжатие, сейсмическое воздействие, деформации грунта, виброразжижение, поровое давление, акселерограмма.
Введение
В результате строительства Нижнекамского водохранилища в Республике Татарстан произошло поднятие уровня грунтовых вод и подтопление ряда территорий побережья реки Кама. Это поднятие уровня грунтовых вод и наличие тектонических разломов в районе г. Камские Поляны спровоцировали увеличение уровня сейсмической активности рассматриваемых территорий побережья реки Кама на территории Республики Татарстан. В соответствии с новой картой сейсмического районирования ОСР-97 на территории Республики Татарстан прогнозируются землетрясения с интенсивностью 7,0 баллов на средних грунтах, и, как результат, требуется оценка динамических свойств грунтов оснований при изысканиях и применение антисейсмического усиления при проектировании и возведении сооружений.
Учитывая выше изложенное, при проектировании оснований фундаментов ответственных сооружений необходимо учитывать влияние сейсмической нагрузки от возможного землетрясения на изменение физико-механических свойств грунтов [1-8].
Общие сведения о площадке строительства
Исследуемая площадка расположена на акватории реки Кама на северо-востоке Республики Татарстан. Результаты работ по сейсмическому микрорайонированию площадки строительства показывают, что сейсмическая активность площадки при данных грунтах основания оценивается как 6,5 баллов по шкале МСК64 с ускорением 113 см2/сек при коротких и средних периодах колебаний. Расчетные акселерограммы сценарных землетрясений и соответствующие им спектры реакции представлены на рис. 1.
Рассматриваемая территория сложена послойно чередующимися слоями глин и водонасыщенных песчаников на глубину до 28 м. Инженерно-геологический разрез площадки строительства представлен на рис. 2.
В геоморфологическом отношении площадка изысканий приурочена к водораздельному плато рек Кама и Степной Зай, осложненному долиной ручья Тунгуча (Иныш), правого притока реки Авлашка (бассейн реки Степной Зай).
0.1 —
-0.1 —
004 — - 0-| -0.04 —
0.1
I 001 1 I 0.001
1 0.0001 1
I1Е-005 -|
^ 1Е-006 -1
1Е-007 --
0.01
Рис. 1. Расчетные акселерограммы сценарных землетрясений и, соответствующие им, спектры реакции
Техногенно созданный рельеф площадки относительно ровный, с пологим уклоном в северо-западном направлении, в пределах абсолютных отметок 205,32-202,97 м.
В геологическом строении площадки изысканий принимают участие переслаивающиеся среднепермские элювиальные глины, песчаники, а также алевролиты и известняки. На некоторых участках среднепермские аллювиальные отложения перекрыты маломощным чехлом четвертичных элювиально-делювиальных суглинков. С поверхности четвертичные элювиально-делювиальные и среднепермские элювиальные отложения перекрыты насыпными грунтами мощностью от 0,2 до 4,0 м. С поверхности земли до глубины изучения 30 м на площадке выделяются следующие инженерно-геологические элементы:
ИГЭ-1а - Техногенные отложения - Насыпной грунт, представленный разнородной смесью глины, песчаника, алевролита, суглинка и чернозема с включением обломков песчаника крепкого, с примесью щебня, дресвы и строительного мусора Распространен повсеместно. Мощность 0,2...4,0 м.
ИГЭ-26 - Четвертичные элювиально-делювиальные отложения (edQn.ni) -Суглинок тугопластичный, известковистый, коричневый, с точками омарганцевания, с пятнами гумуса, местами с включением дресвы. Имеет ограниченное распространение. Мощность 0,6.3,1 м.
ИГЭ-7а - Среднепермские элювиальные отложения (еР2иг) - Глина среднепермская, элювиальная, твердая и полутвердая, иногда в кровле среднепермских отложений тугопластичная, неравномерно выветрелая, трещиноватая, комковатая, участками алевритистая, слоистая, неравномерно извесковистая, коричневая, серая, серовато- и красноватокоричневая. Распространена повсеместно в переслаивании с песчаником ИГЭ-7в, реже с алевролитом ИГЭ-7г и известняком ИГЭ-76. Мощность 0,4.12,5 м.
ИГЭ-76 - Среднепермские элювиальные отложения (еР2иг) - Известняк среднепермский, элювиальный, скрыто- и мелкокристаллический, крепкий и средней крепости, сильно трещиноватый и разборный, сильно выветрелый, местами разрушенный до дресвяно-щебенистого состояния, водоносный, белый, серовато-коричневый и серый. Мощность 0,05 .1,1 м.
ИГЭ-7в - Среднепермские элювиальные отложения (еР2иг) - Песчаник среднепермский, элювиальный, тонко- и мелкозернистый, слабый, разрушенный выветриванием до состояния песка, а также слабо цементированный на глинистом и известково-глинистом цементе, с прослойками средней крепости и крепкого на известковистом цементе, безводный и водоносный, коричневый, красновато-, желтовато-
и серовато-коричневый, темно-серый и зеленовато-серый, с прослойками глины. Распространен повсеместно в переслаивании с глиной ИГЭ-7а и алевролитом ИГЭ-7г. Мощность до 8,0 м.
ИГЭ-7г - Среднепермские элювиальные отложения (еР2иг) - Алевролит среднепермский, элювиальный, слабый, выветрелый, трещиноватый, безводный и водоносный, коричневый, красновато- и зеленовато-коричневый, зеленовато-серый и серый, с прослойками глины и песчаника. Имеет ограниченное распространение. Мощность 0,2...3,1 м.
Грунты основания находятся в зоне колебания грунтовых вод.
Рис. 2. Инженерно-геологический разрез
Лабораторные испытания грунтов
Для исследования динамической устойчивости слоев глин и водонасыщенных песчаников с позиции оценки возможности их разжижения при сейсмических воздействиях, соответствующих проектной (прогнозной) сейсмической активности площадки, проведены лабораторные испытания на эквивалентные в силовом отношении сейсмическому воздействию трехосные циклические нагружения.
При моделировании условий деформирования, в которых находится грунт при сейсмическом воздействии в реальных полевых условиях, перед циклическим нагружением проводится моделирование прогнозной сейсмической нагрузки на основании методики, предложенной Г.Б. Сидом и И. Идрисом [9].
В соответствии с этой методикой сейсмическую нагрузку можно характеризовать величиной приведенных циклических напряжений сдвига (CSR) при землетрясении заданной повторяемости и интенсивности:
т
CRS , (1)
где Tav - среднее значение ожидаемых циклических напряжений сдвига при данной магнитуде;
av - вертикальное обжимающее напряжение.
При этом принимается, что до начала землетрясения элемент грунта, находящийся под горизонтальной поверхностью, в течение длительного времени подвергается консолидации в состоянии К0 (К0 - соотношение горизонтального и вертикального напряжений при консолидации в природных условиях). Во время землетрясения на этот элемент грунта в недренированных условиях действует серия последовательных циклических касательных напряжений. Эти напряжения прикладываются при отсутствии боковой деформации, поскольку считается, что плоская земная поверхность бесконечно простирается в горизонтальном направлении.
В практических расчетах для оценки потенциала разжижения глинистого и песчаного грунтов различной степени водонасыщения средние значения сдвиговых напряжений, вызванных землетрясением на глубине к, определяется из выражения:
=
^ 1 N
у-к
(2)
пиковым
0.65 -
V 8 ,
Величина атах принимается по акселерограмме землетрясения по горизонтальным ускорениям для горизонтальных составляющих колебаний.
Количество циклов нагружения (М) в лабораторном эксперименте, моделирующем сейсмическое воздействие, зависит от длительности землетрясения, а, следовательно, от магнитуды землетрясения.
Описанный выше расчет (подход) дает максимальную величину ожидаемых циклических напряжений сдвига при землетрясении (тау), которая, при проведении трехосных динамических испытаний, соответствует половине осевой динамической нагрузки.
Рис. 3. Напряженное состояние грунта при моделировании в лабораторных условиях эквивалентного трехосного циклического нагружения
На основании вышерассмотренной методики разработана расчетная модель напряженно-деформированного состояния слоистого основания, сложенного песчаным и глинистым грунтом различной степени водонасыщения при сценарных землетрясениях с учетом возможности ускорения массива грунта в трех направлениях, а также взаимовлияния слоев различной жесткости.
Для количественной оценки разжижаемости слоев водонасыщенных песков и глин при случайном нерегулярном разнонаправленном сейсмическом воздействии вводятся поправочные функции для корректировки циклической прочности, получаемой при стационарном циклическом нагружении с целью учета вышеназванных особенностей реального сейсмического нагружения С2 и С5 [9].
Основываясь на разработанной расчетной модели, определены эквивалентные параметры регулярного циклического нагружения для проведения лабораторных исследований сопротивляемости разжижению песчаных и глинистых грунтов оснований площадки строительства при следующих расчетных характеристиках сценарного землетрясения: бальность 6,5, ускорение А=112 см2/с, основная частота -2 Гц, основной период колебаний 0,56 сек.
Для оценки сопротивляемости виброразжижению приняты следующие критерии разрушения:
1. возникновение осевой деформации при трехосном циклическом нагружении менее 5 %;
2. коэффициент порового давления в = рвср должен быть в < 0,6;
3. ширина петли Гестерезиса на 30-м цикле нагружения должна быть меньше, чем ширина петли на 29 цикле нагружения, т.е. Де30 < Де29.
Проведены экспериментальные исследования сопротивляемости к виброразжижению 143 серии образцов грунтов ненарушенной (134 серии) и нарушенной (9 серий) структуры (по три образца - близнеца в каждой серии) в приборе трехосного сжатия (стабилометре) в условиях циклического нагружения с параметрами, эквивалентными параметрам сценарного землетрясения с интенсивностью 6,5 баллов, установленного для площадки строительства. Результаты исследования частично приводятся в таблице. В процессе экспериментальных исследований установлены основные параметры, характеризующие состояние песчаных и глинистых грунтов при
циклическом иагружении: продольные и радиальные деформации, поровое давление, эффективные и средние напряжения.
Таблица
Фрагмент сводной таблицы по оценке опасности разжижения песчаных и глинистых грунтов при эквивалентных циклических нагружениях
№ п/п Вид грунта Глубина отбора, м Критерии виброразжижения Прочность образца при девиаторном статическом нагружении, кПа
в<0,6 Л£30 < 1 Ле29 е1<5 % Не подвергшиеся сейсмическому воздействию Подвергшиеся эквивалентному сейсмическому воздействию
в Л£30 Л£29 £Ь%
1 3 4 12 13 14 15 16
1. Песчаник 2,00 0,20 0,81 1,81 38 46
2. Песчаник 4,00 0,15 0,84 1,71 58 60
3. Глина 6,00 0,09 0,91 1,30 180 220
4. Глина 8,00 0,07 0,98 1,09 228 224
5. Песчаник 10,00 0,13 0,97 1,91 60 140
6. Глина 12,00 0,21 0,95 0,70 335 288
7. Глина 14,50 0,26 0,92 1,90 135 438
8. Глина 16,50 0,41 0,82 1,54 235 165
9. Глина 18,00 0,13 0,97 2,21 390 576
10. Песчаник 20,00 0,15 0,92 1,83 40 57
11. Песчаник 22,00 0,18 0,93 1,98 56 75
12. Глина 24,00 0,10 0,98 1,12 720 710
13. Глина 17,00 0,14 0,82 1,11 217 261
14. Глина 19,00 0,23 0,69 1,54 137 250
15. Песчаник 21,00 0,21 0,71 1,81 83 89
16. Глина 23,00 0,245 0,78 1,28 302 328
17. Глина 24,77 0,28 0,84 1,34 395 399
18. Глина 4,00 0,28 0,91 1,51 48 72
19. Глина 6,00 0,31 0,67 1,45 66 111
20. Глина 8,00 0,24 0,89 1,84 190 206
21. Глина 10,00 0,18 0,75 1,51 240 238
22. Песчаник 12,50 0,14 0,84 1,79 120 160
23. Глина 14,00 0,22 0,80 2,10 209 200
24. Глина 16,00 0,20 0,91 1,93 245 371
25. Глина 18,00 0,15 0,81 2,52 193 233
26. Песчаник 20,00 0,16 0,77 2,33 70 79
27. Глина 22,00 0,25 0,69 2,62 274 318
28. Глина 24,00 0,19 0,78 1,97 370 371
Проведенные экспериментальные исследования позволили установить закономерности деформаций при эквивалентном циклическом нагружении.
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о том, что при циклическом трехосном сжатии образцов грунта различной степени водонасыщения при параметрах, эквивалентных сейсмическому нагружению с интенсивностью 6,5 баллов, происходит развитие деформаций с различной интенсивностью (рис. 4). На начальном этапе развитие деформаций происходит более интенсивно за счет доуплотнения образца, затем деформации стабилизируются. Во всех образцах, испытанных при режиме циклического нагружения, эквивалентному расчетному сценарному землетрясению с интенсивностью 6,5 баллов, величина осевых деформаций не превышает 3,0 %, коэффициент порового давления менее 0,6, отношение Ае30/ Дв29 меньше 1. В процессе
испытаний не установлены внешние признаки достижения предельного сопротивления (образование бочки и наклонной плоскости сдвига).
После испытания на циклическое нагружение с параметрами, эквивалентными расчетному сценарному сейсмическому воздействию, образцы грунта были доведены до разрушения девиаторной статической нагрузкой по схеме «раздавливание». При этом установлено, что в основном сейсмическое воздействие на грунты не приводило к снижению предельной девиаторной нагрузки по сравнению с результатами статического нагружения.
В характере статического разрушения по траектории «раздавливание» песчаных и глинистых грунтов было отличие в том, что образцы глинистых грунтов разрушались на нисходящей ветви диаграммы деформирования «(ага3) - 81», а образцы песчаных грунтов разрушались на восходящей ветви диаграммы деформирования. Этот факт объясняется различной начальной плотностью грунтов.
Вертикальная деформация, мм
Рис. 4. Диаграммы деформирования «(а1-а3) - 81»
Заключение
На основе анализа результатов проведенных экспериментальных исследований сопротивляемости разжижению песчаных и глинистых грунтов основания различной степени водонасыщения для рассмотренной площадки строительства можно заключить, что при параметрах циклического нагружения, эквивалентных основным характеристикам сценарного землетрясения с интенсивностью 6,5 баллов, сопротивляемость песчаных и глинистых грунтов виброразжижению обеспечена.
Список библиографических ссылок
1. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Прогнозирование деформаций оснований фундаментов с учетом длительного нелинейного деформирования грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов, 2011, № 4. - С. 16-23.
2. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Ползучесть и виброползучесть грунтов // Перспективные направления развития теории и практики в реологии и механике грунтов: Труды XIV междунар. симп. по реологии грунтов, 8-11 октября 2014. - Казань: Изд-во КГАСУ, 2014. - С. 8-23.
3. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Experimental and theoretical studies of bearing capacity and deformation of reinforced soil foundations under cyclic loading // Computer Methods and Recent Advances in Geomechanics: Proc. intern. symp., Kyoto, Japan, 22-25 September, 2014. - Lieden: Balkema, 2014. - P. 742-747.
4. Tanaka T., Yoshiyuki Mohri, Zhussupbekov A. Zh. Elasto-plastic and Viscoplastic Finite Element Analysis - Direct Shear Box Test and Dynamic Deformation of Reinforced Embankment Dam // Достижения, проблемы и перспективные направления развития для теории и практики механики грунтов и фундаментостроения: Труды XIII междунар. симп. по реологии грунтов, 24-27 апреля 2012. - Казань: Изд-во КГАСУ, 2012. - С. 18-26.
5. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В., Иванова О.А. Малоцикловая выносливость и деформации глинистых грунтов при трехосном циклическом нагружении // Жилищное строительство, 2012, № 9. - С. 6-8.
6. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Динамическая устойчивость водонасыщенных грунтовых массивов намытых территорий при сейсмических воздействиях // Известия КГАСУ, 2013, № 4 (26). - С. 155-160.
7. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Особенности деформирования глинистых грунтов при режимном нагружении // Известия КГАСУ, 2012, № 4 (22). - С. 193-198.
8. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Особенности деформирования глинистых грунтов при циклическом трехосном сжатии // Международный журнал Геотехника, 2010, № 6. - С. 64-67.
9. Seed H.B. Soli liquefaction and cyclic mobility evaluation for level ground during earthquakes // Journal of ASCE, 1996, 105, T. 2. - P. 201-255.
Mirsayapov I.T. - doctor of technical sciences, professor E-mail: mirsayapov@kgasu.ru
Koroleva I.V. - candidate of technical sciences, associate professor E-mail: koroleva@kgasu.ru
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
Estimation of seismic stability of layered soil bases composed of clays and water-saturated sandstones
Resume
The raising the level of groundwater and the presence of tectonic faults provoked an increase in the level of seismic activity considered territory of the Republic of Tatarstan.
The considered territory is composed of alternating layers of clay and water-saturated sandstone at a depth of 28 m. Soils are at the base of groundwater fluctuations.
To study the dynamic stability of the layers of clay and water-saturated sandstones with the position estimate of their liquefaction at seismic impacts, relevant project (forecast) seismic activity area, conducted laboratory tests equivalent to the power relation to seismic impact triaxial cyclic loading.
Experimental studies of resistance to vibration dilution series of 143 samples of soil (three specimens - twin in each series) in the stabilometry under cyclic loading with option equivalent to the scenario earthquake with an intensity of 6,5 points established for the construction site. Results of the study are given in Table partially. During experimental studies established the basic parameters characterizing the state of sandy and clay soils under cyclic loading: longitudinal and radial deformation, pore pressure, and mean effective stress. According to the results of a series of experiments established characteristic pattern of destruction of the samples.
The authors have formulated the criteria for soil liquefaction. Analysis of the results of experimental studies concluded that when forecasting earthquakes with an intensity of 6,5 points on the MSK 64 soils of the site are considered dynamically stable.
Keywords: water-saturated sandstone, clay, dynamic loading, triaxial compression, seismic action, soil deformation, vibration liquefaction, pore pressure, accelerogram.
Reference list
1. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Prediction of deformation of the foundation with the long-term non-linear deformation of soil // Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov,
2011, № 4. - P. 16-23.
2. Ter-Martirosyan Z.G., Ter-Martirosyan A.Z., Sobolev Ye.S. Creep and vibrocreep of soils // Future directions of the theory and practice of rheology and soil mechanics: Proc. XIV intern. symp. on the rheology of soils, 8-11 October 2014. - Kazan: Publishers KGASU, 2014. - P. 8-23.
3. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Experimental and theoretical studies of bearing capacity and deformation of reinforced soil foundations under cyclic loading // Computer Methods and Recent Advances in Geomechanics: Proc. intern. symp., Kyoto, Japan, 22-25 September, 2014. - Lieden: Balkema, 2014. - P. 742-747.
4. Tanaka T., Yoshiyuki Mohri, Zhussupbekov A. Zh. Elasto-plastic and Viscoplastic Finite Element Analysis - Direct Shear Box Test and Dynamic Deformation of Reinforced Embankment Dam // Achievements, Problems and Perspective Directions of Development for the Theory and Practice of Soil Mechanics and Foundation Engineering Problems: Proc. XIII intern. symp. on the rheology of soils, 24-27 April 2012. - Kazan: Publishers KGASU, 2012. - P. 18-26.
5. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V., Ivanova O.A. Low-Cycle Endurance and Deformations of Clay Soils in the Course of Three-Axial Cyclic Loading // Zhilishchnoye stroitelstvo,
2012, № 9. - P. 6-8.
6. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Dynamic stability of water-saturated soil masses inwashed areas under seismic actions // Izvestiya KGASU, 2013, № 4 (26). - P. 155-160.
7. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Features of deformation of clay soils during loading of regime // News of the KSUAE, 2012, № 4 (22). - P. 193-198.
8. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Features of deformation of clayey soils under cyclic triaxial compression // International Journal of Geotechnics, 2010, № 6. - P. 64-67.
9. Seed H.B. Soli liquefaction and cyclic mobility evaluation for level ground during earthquakes // Journal of ASCE, 1996, 105, T. 2. - P. 201-255.
