CC BY
10ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АНИЗОТРОПИИ ПРОЧНОСТИ В ЗАДАЧАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДПОРНЫХ СТЕН С НЕОДНОРОДНЫМИ
ОСНОВАНИЯМИ
Войтенко Инга Владимировна
кандидат технических наук, доцент, Одесская государственная академия строительства и архитектуры
ESTIMATION OF INFLUENCE OF STRENGTH ANISOTROPY IN PROBLEMS OF INTERACTION OF THE RETAINING WALL WITH HETEROGENEOUS FOUNDATIONS
Voitenko I.V. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Odessa State Academy of Building and Architecture
АННОТАЦИЯ
На основании предложенной автором методики проведено численное исследование бокового давления неоднородного грунта в условиях анизотропии характеристик прочности. Получены результаты, позво-ляющие оценить влияние прочностной анизотропии на параметры ак-тивного давления. Проведен комплексный анализ численного эксперимента и даны рекомендации по использованию разработанного метода расчета.
ABSTRACT
Numerical research of lateral pressure of heterogeneous soil in the condi-tion of anisotropy of strength characteristics, based on the methodology proposed by the author, was made. The results, that allow to estimate the effect of anisotropy on strength parameters of active pressure, are obtained. The complex analysis of the numerical experiment was carried out and recommendations by the use of the developed method of calculation, was given.
Ключевые слова: прочностная анизотропия, годографы угла внутреннего трения и сцеп-ления, боковое давление, подпорные стенки, неоднородный грунт.
Key words: strength anisotropy, hodographs of friction angle and cohesion, lateral pressure, retaining wall, heterogeneous soil.
Постановка проблемы.
Современное строительство городских объектов различного назначения достаточно часто связано с освоением подземных территорий, что обуславливает использование конструктивных решений в виде подпорных стен различной конфигурации. Проектирование таких конструкций связано с определением бокового давления грунта, взаимодействующего с боковыми гранями стенки. Развитие подземных инфраструктур предполагает строительство конструкций, контактирующих с грунтовыми основаниями значительной мощности неоднородного состава. Строительство гидротехнических сооружений в виде подпорных стен также характеризуется сложными геотехническими условиями. Актуальным в современных условиях является снижение себестоимости строительства. Опыт проектирования, строительства и реконструкции морских гидротехнических сооружений свидетельствует о том, что учет анизотропных свойств грунтовых оснований позволяет найти ресурсы при определении основных нагрузок снизить затраты на 15 и более процентов. Действующие нормативные документы не регламентируют проектирование подпорных конструкций с учетом анизотропных свойств контактирующей грунтовой среды. В связи с этим актуальной является задача по разработке методики расчета бокового давления неоднородного грунта на распорные сооружения.
Анализ последних исследований и публикаций.
Как свидетельствуют многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, неоднородным основаниям свойственна анизотропия прочностных и деформативных свойств [1,2, 3]. В качестве показателей анизотропии различные исследователи, как правило, принимают соотношение параметров, определяемых по-
перек и вдоль слоистости (плоскости изотропии) [4, с.77, 5]. Теоретические исследования несущей способности оснований с использованием анизотропной модели показали, что учет анизотропных свойств грунта позволит увеличить нагрузки на фундамент на 30 % , не прибегая к мероприятиям по усилению, что особенно важно при реконструкции существующих зданий и сооружений [6]. Ранее была разработана методика по определению бокового давления и несущей способности анизотропного грунта в теории предельного напряженного состояния [7], однако громоздкость выводов осложняла ее практическое применение. В связи с этим, в [8] была предложена методика определения бокового давления неоднородного грунта при произвольном залегании слоев с учетом прочностной анизотропии на основании приближенного метода Ш. Кулона, т.е. в предположении плоских поверхностей скольжения. Отметим, что полученные выводы позволяли учитывать также сейсмическое воздействие.
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы и цель авторского исследования.
С точки зрения практической реализации предложенной методики полезно оценить влияние анизотропии прочности на величину бокового давления грунта. Для оценки влияния анизотропии используют параметр, равный соотношению исследуемого показателя с учетом анизотропии к соответствующему изотропному показателю [9]. В современных публикациях отсутствует информация, позволяющая комплексно оценить учет влияния прочностной анизотропии при определении бокового давления неоднородного грунта. Этому вопросу посвящена настоящая работа.
Изложение основного материала.
В соответствии с разработанной методикой боковое
давление п-го грунтового слоя представляет собой сумму компонент, отражающих соответственно влияние собственного веса грунта в объеме предельной призмы, поверхностной нагрузки с учетом веса верхних слоев и сил связности, определяемых согласно теоремы Како:
Еп = + Мсог,п) + ЯрА^п + сп(а^ пМрп
где уп - удельный вес п-го грунтового слоя;
Ьп - высота слоя при ее проекции на вертикаль;
сп=спф1,п) - базовое сцепление на поверхности п-го слоя при ее ориентации ^1,п;
qn,c - равномерно распределенная нагрузка на поверхности п-го слоя, учитывающая вес верхних слоев, поверхностную нагрузку q и сейсмическое воздействие в рамках
Cn(ß), el а 100 80 60 40 20 0
35 30 25 20 15
0-n (15°)
90-n (15°)
Cn(ß), el а 100 80 60 40 20 0
ф"Ф),'
35 30 25 20 15
статической теории;
№сог,п - корректирующий коэффициент; Му,п, ^,п, №:,п - коэффициенты, отражающие соответственно весовой фактор, поверхностную нагрузку и связность грунта в пределах грунтовой призмы.
Полученные решения позволили провести численное исследование влияния анизотропии прочности на величину бокового давления грунта.
В процессе эксперимента рассматривалась вертикальная идеально гладкая стенка, взаимодействующая с неоднородным основанием из двух грунтовых слоев. Анизотропия прочностных показателей грунтовых слоев задана годографами угла внутреннего трения и сцепления 91 (в) и а (в) (рис 1.).
0-n (15°)
90-n (15°)
Cn(ß), el а 100 80 60 40 20 0
ф"Ф),'
35 30 25 20 15
0-n (15°)
90-n (15°)
Рис. 1 Кусочно-линейные годографы угла внутреннего трения и сцепления грунта, принятые в численном исследовании; п - целочисленная переменная.
Годографы прочностных характеристик слоев приняты идентичными. В базовых расчетах ориентация слоев параллельна и горизонтальна, сейсмическое воздействие и поверхностная нагрузка отсутствуют. Расчеты проводились для связных грунтов, а также рассматривались случаи отсутствия внутренних сил связности.
Численное моделирование осуществлялось для определения активного давления грунта, так как именно в этом случае бокового давления методика Кулона позволяет получить более достоверные результаты.
Влияние анизотропии прочности на величину активного давления грунта исследовалось при вращении годографов нижнего слоя с ориентацией плоскости слоистости относительно горизонтали от 00 до 1800 с шагом 150.
В результате расчета определялись характеристики активного давления:
- коэффициенты Ny,2 и Nc,2, характеризующие соответственно влияние собственного веса и связности грунтовой среды;
- составляющая активного давления нижнего слоя Ea,2;
- угол ориентации поверхности скольжения р2,2, соответствующей экстремальному давлению.
Для оценки влияния анизотропии определялся коэффициент анизотропии нижнего слоя:
ка,2=Еа2(аниз)/ Еа2(изотр) (2)
где Еа,2 (аниз.) - активное давление грунта нижнего слоя, определяемое с учетом прочностной анизотропии;
Еа,2 (из.) - активное давление грунта нижнего слоя, определяемое в условиях изотропной грунтовой среды при при ф2 = ф2,шт= const, c2 =c2,min =const.
Ниже приведены результаты численного эксперимента для связных грунтов (табл. 1, рис. 2).
Таблица 1
Таблица коэффициентов анизотропии ка,2 в зависимости от ориентации плоскости слоистости ш относительно горизонтали при заданных годографах угла внутреннего трения ф2(в) и сцепления с2(в) нижнего слоя
W Коэффициент анизотропии ка,2 при годографах угла внутреннего трения ф2(в) и сцепления с2(в)
ф = 150 - 200,с = 20 - 40 кПа ф = 200-250,с = 40 - 60 кПа ф = 250-300,с = 60 - 80 кПа ф = 300-350,с = 80 - 100 кПа
0 4,296106 1,761047 1,330706 1,163821
15 3,215837 1,525635 1,234512 1,120214
30 2,145229 1,289561 1,137137 1,075258
45 1,072729 1,051059 1,037884 1,029135
60 0,338126 0,875998 0,954241 0,983328
75 0,087917 0,825210 0,953136 0,994073
90 0,547903 0,768253 0,949031 1,005075
105 0,516574 1,000309 1,044276 1,048864
120 1,547765 1,226341 1,136907 1,091001
135 2,558024 1,447913 1,227309 1,131742
150 3,372323 1,639775 1,315395 1,171045
165 3,828687 1,700699 1,323715 1,171714
180 4,296106 1,761047 1,330706 1,163821
Рис. 2. Графики зависимостей коэффициента анизотропии ka,2 от ориентации плоскости слоистости годографов нижнего слоя ш для заданных годографов угла внутреннего трения и сцепления нижнего слоя: 1 - ф = 150 - 200, с = 20 - 40 кПа; 2 - ф = 200 - 250, с = 40 - 60 кПа; 3 - ф = 250 - 300, с = 60 - 80 кПа; 4 - ф = 300 - 350, с = 80 - 100 кПа; 5 - ф = const , с = const.
Как отмечалось выше, боковое давление представляет собой многокомпонентный фактор, поэтому представляет определенный интерес проанализировать влияние параметров N7,2 и №:,2 по результатам численного исследования.
Для этого введем коэффициенты влияния анизотропии
на соответствующие параметры:
(^2)=М2(аниз)/ М2(изотр) (3) (^>2)=Мд(аниз)/ Мд(изотр) (4) Результаты численных исследований приведены в таблицах 2 и 3, а также в виде графиков на рисунках 3 и 4.
Таблица 2
Таблица коэффициентов анизотропии ка,2 (N7,2) в зависимости от ориентации плоскости слоистости ш относительно горизонтали при заданных годографах угла внутреннего трения ф2ф) и сцепления с2ф) нижнего слоя
w Коэффициент анизотропии ка,2 (N7,2) при годографах угла внутреннего трения ф2ф) и сцепления с2ф)
ф = 150 - 200 ,с = 20 - 40 кПа ф = 200-250 , с = 40 - 60 кПа ф = 250-300 , с = 60 - 80 кПа ф = 300 -350 ,с = 80 -100 кПа
0 0,894887 0,889348 0,881004 0,869868
15 0,922683 0,917796 0,896075 0,901649
30 0,947985 0,949089 0,942551 0,933926
45 0,980652 0,979374 0,974045 0,966636
60 0,980652 0,990440 0,996230 1,000000
75 0,952534 0,961314 0,965699 0,969006
90 0,925198 0,931100 0,934919 0,937520
105 0,901175 0,903579 0,906030 0,906400
120 0,875091 0,876667 0,877694 0,876605
135 0,849650 0,850330 0,849108 0,847304
150 0,841396 0,832716 0,822595 0,818498
165 0,867808 0,861310 0,850912 0,839195
180 0,894887 0,890072 0,881004 0,869868
Рис. 3. Графики зависимостей коэффициента анизотропии ka,2 (Ny,2) от ориентации плоскости слоистости годографов нижнего слоя ш для заданных годографов угла внутреннего трения и сцепления нижнего слоя: 1 - ф = 150 - 200, с = 20 - 40 кПа; 2 - ф = 200 - 250, с = 40 - 60 кПа; 3 - ф = 250 - 300, с = 60 - 80 кПа; 4 - ф = 300 - 350, с = 80 - 100 кПа; 5 - ф = const , с = const.
Таблица 3
Таблица коэффициентов анизотропии ка,2 (Мс,2) в зависимости от ориентации плоскости слоистости ш относительно горизонтали при заданных годографах угла внутреннего трения ф2(в) и сцепления с2(в) нижнего слоя
W Коэффициент анизотропии ка,2 ( Ыс,2) при годографах угла внутреннего трения ф2(в) и сцепления с2(в)
ф = 150 - 200,с = 20 - 40кПа ф = 200-250,с = 40 - 60кПа ф = 250-300,с = 60 - 80кПа ф = 300-350,с = 80 - 100кПа
0 2,632671 1,566492 1,269842 1,136772
15 1,795134 1,283083 1,128040 1,056099
30 1,169770 1,040204 0,999721 0,980541
45 0,685131 0,828047 0,882209 0,909675
60 0,391420 0,676155 0,785393 0,844168
75 0,229602 0,603944 0,747263 0,820772
90 0,086274 0,536400 0,710341 0,799087
105 0,384366 0,690861 0,802617 0,857177
120 0,731268 0,861223 0,901493 0,918233
135 1,148339 1,051630 1,008105 0,982728
150 1,600891 1,251126 1,123829 1,051020
165 2,040521 1,396944 1,193424 1,095472
180 2,632671 1,566492 1,269842 1,136772
ay ад»
Рис. 4. Графики зависимостей коэффициента анизотропии ka,2 (Nc,2) от ориентации плоскости слоистости годографов нижнего слоя ш для заданных годографов угла внутреннего трения и сцепления нижнего слоя: 1 - ф = 150 - 200, с = 20 - 40 кПа; 2 - ф= 200 - 250, с = 40 - 60 кПа; 3 - ф = 250- 300, с = 60 - 80 кПа; 4 - ф= 300 - 350, с = 80 - 100 кПа; 5 - ф = const , с = const.
Выводы и предложения.
Анализ полученных результатов позволяет сформулировать следующие выводы:
- активное давление неоднородного основания существенным образом зависит от ориентации плоскости слоистости годографа, а, следовательно, и от показателей прочности по направлениям, в некоторых случаях в несколько раз отличаясь от изотропной среды;
- при определенных ориентациях годографов прочностной анизотропии боковое давление может превышать соответствующий показатель для изотропного грунта;
- возрастание прочностных показателей нивелирует влияние прочностной анизотропии на величину бокового давления грунта;
- проектирование ответственных подпорных конструкций без учета анизотропных свойств грунтовых оснований может привести к недооценке силового влияния. С другой стороны, учет прочностной анизотропии в ряде случаев позволит отыскать резервы несущей способности и существенно снизить экономические затраты;
- при ориентации плоскости слоистости, близкой к направлению поверхности обрушения грунтовой призмы (ш в пределах от 500 до 800) анизотропное давление всегда меньше изотропного. Таким образом, искусственное формирование годографов прочностной анизотропии с образованием грунтовых оснований послойной засыпкой или намывом позволит существенно снизить боковое давление на распорные сооружения.
Сравнительная оценка полученных результатов подтверждает влияние анизотропии как на параметр N7,2 собственного веса, так и на параметр N0,2 связности грунтовой призмы нижнего слоя.
Очевидно, что влияние анизотропии на параметр связности значительно превышает влияние на собственный вес грунта, что отражено в достаточно ровном изменении коэффициентов N7,2 в зависимости от плоскости слоистости ш/ Заметим, что максимальные коэффициенты
ka,2 (Ny,2) соответствуют ориентации ш, близкой к ориентации поверхности скольжения, что отражает физический смысл.
Таким образом, влияние связности грунта на боковое давление неоднородного анизотропного основания является преобладающим.
Приведенные результаты свидетельствуют о существенном влиянии прочностной анизотропии грунтовых оснований на боковое давление грунта. В связи с этим, необходимо учитывать присущую грунтовым основаниям анизотропию при проектировании ответственных сооружений, что рекомендуется отразить в соответствующих нормативных документах.
Список литературы:
1. Ratananikom, W. An investigation of anisotropic elastic parameters of Bangkok Clay from vertical and horizontal cut specimens [Text] / W. Ratananikom, S. Likitlersuang, S. Yimsiri // Geomechanics and Geoengineering: An International Journal. - 2013. Vol. 8. - P. 15-27.
2. The influence of stiffness anisotropy on the behaviour of a stiff natural clay [Text] / [Grammatikopoulou A., Schroeder F. C., Kovacevic N., Germano V., Gasparre A. // Proc. of the 15th European Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering "Geothechnics of Hard Soils - Weak Rocks". -Athens, 2011. - P. 545 - 550.
3. Gao, Z. Efficient Approach to Characterize Strength Anisotropy in Soil [Text] / Z. Gao, J. Zhao // Journal of Engineering Mechanics. - 2012, - Vol. 138, Issue 12. - Р. 14471456.
4. Бугров А.К. Анизотропные грунты и основания сооружений [Текст] / А.К. Бугров, А.И. Голубев. - Санкт -Петербург: Недра, 1993. - 245 с.
5. Зоценко М.Л. Аналiз пресюметричних дослщ-жень стисливост основ, закршлених грунтоцементом за бурозмшувальною технолопею [Текст] / М.Л. Зоценко, В.Г. 1ванченко. // Восточно-Европейский журнал передо-
вых технологий. - 2015. 5/5 (77). С. 24-28.
6. Баданин А.Н. Анизотропные фундаменты мелкого заложения [Текст]/ А.Н. Баданин, Ю.К. Демченко // Строительство уникальных зданий и сооружений. -2014. 3 (18). С 117-134.
7. Школа А.В. Несущая способность оснований и боковое давление грунтов, анизотропных по сопротивлению сдвигу: учебное пособие [Текст] / А.В. Школа. - М.: Мортехинформреклама, 1991. - 52 с.
8. Школа А.В. Учет анизотропии многослойного грунта при определении активного давления на подпорные стены с учетом сейсмических воздействий [Текст] / А.В. Школа, И.В. Войтенко // Вестник Одесской государ-
ственной академии строительства и архитектуры. - Выпуск №4. - Одеса, 2001. - С. 394-407.
9. Бирюкова, О.А. Метод решения проблемы учета деформационной анизотропии грунтов в расчетах грунтовых оснований [Текст] / О.А. Бирюкова, О.А. Коробова, И. Любич // Сборник научных работ XXXII Международной научно-практической конференции «Модели и методы разрешения формально научных и прикладных проблем в физико-математических, технических и химических исследованиях». - Лондон, GISAP, - 2012. - С. 54-57.
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR RECEIPT OF FUNCTIONAL PRODUCTS OF CEREAL-BASED ENRICHED WITH PUREE MIXTURE OF PUMPKIN AND BEET
Georgieva A. V.
Doctor /professor / lecturer, Chair "Food Technology" Thracian University Stara Zagora Faculty "Engineering and Technology" Yambol - Bulgaria
ABSTRACT
The possibilities for creating of wheat flour mixtures, enriched with puree of pumpkin and beetroot have been studied.
Defined are some of the basic physical and chemical parameters.
Tested is the strength of enriched dough. Established are the regimes of the main technological processes for obtaining bread.
The recipes and technology for the preparation of high quality bread, based on wheat flour type 500 with the use of different amounts of the mixture - puree of pumpkin and beetroot (20%, 25% and 30%) as a proportion of mass the flour are been developed. Based on this have been performed test baking of bread.
Finished products are classified upon their organoleptic properties and physical quality parameters. It was proved by the results obtained. Quality of the resulting bread is very good.
The titratable acidity and humidity of the crumb of enriched bread showed that the additive can be used for to preserve the freshness of the bread for a longer period of time.
Key words: wheat flour, dough, mixture puree of pumpkin and beetroot, quality indicators, enriched bread, organoleptic assessment.
The main problem of the bakery industry remains to expand the assortment of bakery products with improved quality and increased nutritional value. It is therefore necessary to create products of mass consumption with high nutritional and biological value with simultaneous provision of the technological indicators of quality of bread.
In this situation obsolete creation of new technologies and assortments functional food products, which constitute an effective means for securing the human organism with needed quantities ingredients and micronutrients that do not require changes in the food ration and the lifestyle.
The Functional foods in its composition contain essential amino acids, essential fatty acids, vitamins, macro- and micronutrients, fiber in quantities, capable of meeting the daily needs of the body.
To determine the nutritional value of products, especially of bread, it is necessary to determine not only the protein content of the bread, but also the content of the incorporated biologically active substances contained in it, which enrich the bakery products with vitamins, macro- and microelements.
Effective tool to improve the quality of bread and prophylaxis on the given disease is the use of bio-additives.
Among the perspective types of additional unconventional materials, practical interest for the bakery industry are plant
ingredients with high nutritional value.
Bakery products have relatively low nutritional value. Increasing the nutritional value at the expense of cheap and easily available raw material is feasible.
Most bakery products contain insufficient amounts physiologically important nutrients. To increase the nutritional value may be used various kinds of vegetables rich in mono and disaccharides, including fructose, vitamins and minerals.
Pumpkin is very valuable and useful food. The Chemical composition of the gourd is unique. It is medicine, vitamin complex and indispensable food. Pumpkin is rich in vitamins. It include the vitamins B1, B2, C, K, PP. Especially high is the content of vitamin C. The composition of the gourd includes organic acids: benzoic, citric, malic, quinic and others.
In optimal doses these organic acids provide the acidity of the bread. The combination of ascorbic acid with ferment glucose oxidase helps to strengthen of the gluten skeleton in the dough, improves the relative volume, porosity and shape stability of the floor bread.
In the technology of bread can be used processed pumpkin. The pumpkin contains up to 11% easily-digestible carbohydrates such as cellulose, organic acids and oils. In 100 g. pumpkin is contains up to 25% dry substance, 2% starch, 0.15% fat, 0.95% cellulose and salts of phosphoric acid, calcium,
