Оценка влияния повторных нагружений на ползучесть полускальных грунтов в условиях их естественного состояния Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

I УД К 624.121.54

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОВТОРНЫХ 1 НАГРУЖЕНИЙ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ I ПОЛУСКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ В УСЛОВИЯХ ИХ ЕСТЕСТВЕННОГО СОСТОЯНИЯ

В.А. Козионов

Павлодарский государственный университет | им. С. Торайгырова

|§ Толтыру, ipiKmey жэне толтыру режимшде олардыц табиги

||¡1 эюагдайдагы жартылай жартасты топырацтьщ ipi масштабты !!! монолитпйц жылжуьшыц экспериментпи зерттеуд'щ нэтижеЫ '¡§¡¡1 царастырылып жатыр. Сациналы толтыру эЫстен зерттелген топырак, §§§§ cenin жатцан жылэ/су параметрмщ аныцтау adici жат нэтижеЫ берйгген.

Рассматриваются результаты экспериментальных исследований ползучести крупномасштабных монолитов полускального грунта в условиях их естественного состояния в рео/симах погружения, разгрузки и повторного нагружения. Приводится методика и результаты определения параметров затухающей ползучести испытанных грунтов методом кольцевого нагруясения.

The article dwells on the results of experimental research of creep of large-scale monoliths of semi-rock soil in condition of their natural state under loading, unloading and iterated loading. The author gives the technology and the results of parameters identification offading creep of tested soils by the method of circular loading.

\

ВВЕДЕНИЕ

Для решения ряда задач подземного строительства возникает необходимость определения реологических характеристик полускальных грунтов при повторных приложениях эксплуатационной нагрузки. К числу таких задач следует отнесли: проектирование напорных подземных и заглубленных сооружений для хранения нефти и нефтепродуктов, углеводородных газов под высоким давлением, сжиженных газов, подхмных гидротехнических туннелей и др. Подавляющее большинство исследований реологических свойств полускальных грунтов выполнено на образцах

небольших размеров однородного строения, изготошгенных по ГОСТ [1]. Такой подход вполне приемлем при проектирования сооружений на больших глубинах в хорошо сохранном массиве окружающих грунтов. В то же время для решения задач строительства сооружений в приповерхностной зоне массива необходимо иметь данные о реологических свойствах грунтов в условиях их естественного состояния, характеризуемых трещиноватостью, неоднородностью и анизотропией. Рассмотрению массива пород в такой постановке посвящены работы Ж.С. Ержанова, Ш.М. Айтаяиева, Ж.К. Масанова, М.Т. Тусупова и др. [2], [3], Н.А. Цытовича, З.Г. Тер-Мартиросяна. В.Л. Кубецкого, С.Б. Ухова [4].

Естественная трещиноватость и неоднородность полускальных грунтов затрудняют, а в ряде случаев делают невозможным отбор представительных образцов для стандартных испытаний. Этим объясняется, по-видимому, сравнительное небольшое число экспериментальных данных о ползучести таких грунтов в условиях их естественного залегания, в том числе при переменных нагрузках.

Цель настоящих исследований - оценка влияния повторных нагрузок на ползучесть полускальных грунтов в условиях их естественного состояния. Для решения этой задачи использовался метод кольцевого нагружения (МКН) [5]. Некоторые данные испытаний грунтов этим методом представлены в работе [6].

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Существо метода заключается в приложении к поверхности основания через кольцевой штамп-целик грунта вертикальной нагрузки и последующего ступенчатого приложения крутящего момента вплоть до разрушения грунта путем сдвига. Схема к испытанию грунтов МКН приведена на рис. 1.

1-1

Рис.1. Принципиальная схема испытания грунтов МКН Определение характеристик гр)гнтов выполняется на основе соответствующих решений пространственных задач теории ползучести.

Опытные исследования проводились на крупномасштабных монолитах полускальных грунтов естественного состояния с размером стороны до 0.5 м.

Размер кольцевой нагрузки составлял: г2 - 0.1 м; е = )\ / г2 - 0.6. В ходе опытов осуществлялось измерение вертикальных и горизонтальных перемещений поверхности основания, как на участке приложения нагрузки, так и за ее пределами. Проведено восемь испытаний трех типов полускальных грунтов. Продолжительность отдельных опытов составляла более 8 месяцев.

Программы нагружения включали несколько циклов вертикальной нагрузки и последующей разгрузки грунтов. Во всех опытах проводилось также приложение к основанию горизонтальной нагрузки (крутящего момента).

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ Показатели физических характеристик грунтов приведены в таблице 1. Таблица 1

Физические характеристики грунтов

Тип грунта Удельный вес Удельный вес, Влажность Коэффициент

частиц, кН/м3 кН/м3 % пористости

1 Мергель 21,2 22,5 1,430 0,23

2 Известняк 27,0 24.4 0,002 0,13

зтуФ 26,6 18,4 0,003 0,45

При подготовке опытов производилась тщательная документация трещин на поверхности монолитов грунта (рис. 2).

Как видно из рис.2 на поверхности выделяются системы сомкнутых трещин с шириной раскрытия менее 1 мм. Общая протяженность трещин в основании целика составляет свыше 70 см. Отношение размера штампа к среднему расстоянию между трещинами составляет 4...5, что позволяет считать данный грунт квазисплошным и квазиоднородным.

Рис. 2. Зарисовка трепщнв основании штампа-целика (мергель)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ На рис. 3 приведены характерные огибающие зависимости осредненных вертикальных перемещений штампа-целика и фиксированных точек поверхности основания, а также серии кривых ползучести и изохронные графики 5 = / (сг, по результатам испытаний сжимающей нагрузкой мергеля.

а)-график 5 = /(с); 1—пр реперам на штампе; 2-по реперам на поверхности;

б)-кривые ползучести и изохронные зависимости 5 = /(сг, /).

Рис.3. Кривые ползучести мергеля

Анализ данных показывает, что все исследованные грунты обладают свойством ползучести. В раде случаев величина стабилизированной деформации ползучести достигает 50... 70% от общей деформации при нагрузке. В интервале исследованных нормальных нагрузок деформации ползучести имеют затухающий во времени характер. Как следует из рис. 3 зависимость осадки штампа-целика и реперов на поверхности основания от приложенной нагрузки в интервале а- 0...1,25 МПа близка к линейной. При испытаниях известняка и туфа фиксировалась сравнительно малая сжимаемость грунта на первой ступени приложения нагрузки. Возникающие здесь небольшие деформации имеют местный характер и развиваются преимущественно под штампом-целиком. С увеличением внешней нагрузки перемещения возрастают, что свидетельствует о повышении распределительной способности грунта и превращении его в квазишлошную среду.

Анализ данных позволяет также отметить, что осадка поверхности основания по мере удаления от участка приложения нагрузки уменьшается, образуя чашу

прогиба, определенной для различных моментов времени кривизны (рис. 4а). Сопоставление чаши прогиба с теоретическими решениями (рис. 46) показало, что модель однородного линейно-деформируемого полупространства не отражает. в достаточной мере, экспериментальные данные. Как показал анализ лучшее соогветствие опытных и теоретических результатов достигается при использовании модели основания в виде слоя ограниченной сжимаемой толщины.

а)-Мергель; б)- Туф

Рис.4. Воронки осадок поверхности грунта во времени

Характерным является и то, что относительная кривизна эпюр перемещений верхней границы основания /50 - г /г2 для различных моментов времени (рис. 46) остается практически неизменной на каждой постоянной ступени приложения нормальной нагрузки.

Рассмотрим основные закономерности исследованных пород в режиме разгрузки. Характерные графики кривых ползучести при разгрузке и зависимости деформаций восстановления от величины снятого давления сс, доя различ-

•ч

ных моментов времени 5„ = /(сс,0 приведены на рис.5.

15 10

5

О

6

4

2

О

а), б) - кривые ползучести известняка и мергеля;

в) - зависимость Se — f (<Уc,t) для известняка Рис.5. Деформируемость грунтов во времени при разгрузке

Из этих данных следует, что графики Se - f(o~c,t) имеют нелинейный характер как для условно-мгновенных и стабилизированных, так и развивающихся во времени деформаций. Одна из основных причин, обусловливающих указанную нелинейность, состоит в переменности вовлекаемого в деформирование при разгрузке слоя грунта и связана с трещиноватостыо основания. Следует отметить, что при испытании монолитных, т.е. хорошо сохранных образцов грунта, нелинейности изохронных графиков Se = f(<Jc, t), как правило, не наблюдается. Таким образом, степень нелинейности диаграмм Sg = f(<Jc,t) может служить косвенным показателем нарушенности строения исследованных типов грунтов.

Установленные выше закономерности ползучести исследованных грунтов могут быть распространены и на повторные нагружения поверхности основания. Характерные кривые ползучести грунтов и зависимости S = /(cr,í) для второго цикла нагружения приведены на рис.6. Их анализ показывает, что общие закономерности ползучести грунтов сохраняются, но интенсивность их снижается.

а = 0,50 о^ООШПа

Рис. 6. Кривые ползучести и изохронные зависимости Я - / (<У, во втором цикле нагружения мергеля

Деформируемость исследованных грунтов в первом цикле больше, чем во втором (рис.7). Получаемое в опытах различие в деформируемости в первом и втором циклах нагружения обусловлено, на наш взгляд, общим уплотнением массива (смыканием микротрещин, трещин и т.п.), а также увеличением дефор' мируемой зоны основания во втором цикле нагружения. С увеличением числа циклов нагрузка-разгрузка, как показали результаты исследований, изменения деформируемости грунтов становятся уже не столь существенными.

1 цикл

1 цикл

2 цикл

цикл

известняк

Рис.7. Графики зависимостей 5 - /(сг) при повторной нагрузке

Как следует из графиков, представленных на рис.7, доля остаточных деформаций в общей осадке массива достаточно велика и составляет 75-80% для туфа, 25-30% для известняка и 90-95% для мергеля. С увеличением количества

циклов нагружения - разгрузка остаточные деформации уменьшаются. ОБРАБОТКА И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для определения параметров ползучести грунтов в различных циклах нагрузки зависимость осадки поверхности основания S(r,t) от нормальной нагрузки а - consí представим в виде

S(r,t) = E?-2r2 ■(!-v02K 'О'

(1)

где Eq - условно-мгновенный модуль общей деформации грунта; v0 - условно-мгновенный коэффициент поперечной деформации; (йс~ безразмерный табличный коэффициент, определяемый по решению [7J; K(t - т) - ядро ползучести. Ядро ползучести в уравнении (1) принимается в виде

K(t -т) = Е0 -Х-9-ехр[-4 - г)]+ ~Е>

[Г+(/-г)]2

(2)

где Я, в, Т» параметры ползучести грунта.

Данный тип ядра ползучести был предложен В.Л. Кубецким. В работе [6] дано обоснование применимости этого ядра к описанию деформируемости полускальных грунтов во времени при различных напряженных состояниях. С учетом (2) зависимость (1) представляется в виде

S(r,í)-S(r,0)

UE0 .<?.(1-е-л') + (|^-£о

i +1

(3)

где 5(г,0) - условно-мгновенное перемещение поверхности основания. Основные элементы методики определения параметров ползучести грунта, с использованием уравнения (3), приведены на рис. 8.

-3 -4 -5 -6

In-

5(0

J*tm24 ~~ S

0 - О

t, час

0,5 1,0 1,5 2,0

80 100

Рис.8. Определение параметров ползучести

Вычисление параметров Я, в^^Е^ производилось по разработанной про-грамме на ПЭВМ [8]. Результаты их определений приведены в таблице 2. По результатам опытов с приложением хсрутящего момента устанавливались характеристики ползучести грунтов при сдвиге кручением. По начальным участкам горизонтальных перемещений штампа-целика S(r,t) = /(М)опреде-

лялись значения модуля сдвига грунта G. для различных моментов времени

G,=G0[l+fL(t-T))-\ (4)

о

Ц'- где Gq - условно-мгновенный модуль сдвига; L(t - т) - ядро ползучести при сдвиге, подобное (2) для затухающей деформации сдвига. Методика определения параметров ползучести аналогична изложенной выше и представлена в [7, с. 35]. Величина коэффициентов относительной поперечной деформации грунтов определялась по зависимости (5). Результаты вычислений приведены в таблице 2.

v( ~l~S(r,tyGJr2-a)c'<7. (5)

Таблица 2

Параметры пшвучесш исследованных полускальньгс грунтов

Параметры ползучести Тип грунта

Мергель Известняк Туф

Первый цикл нагр ужения

Интервал А <Т, МПа 0,25 -1,25 0 -1,5 2,0 - 4,5

Е0 , МПа 857 5834 5943

£к,МПа 221 3294 3191

0V • 10"S, МПа*1 57,0 4,9 7,4

К . с^'5 21,7 62,4 24,2

Та , сут 3,17 0,46 0,32

- 0,27 0,20

vx 0,28 0,38 0,26

Второй цикл нагружения

Интервал А <Т, МПа 0,25-0,75 1,5-3,5 2,0-4,5

Е0 , МПа 2382 6617 6218

£„, МПа 443 5192 4323

ва • 10 5, МПа"1 4,0 2,7 2,4

К ' °УТ'! 62,4 84,0 73,2

Тс , сут 3,80 0,10 0,45

Из таблицы 2 следует, что многократное приложение внешней нагрузки приводит к уплотнению полускальных грунтов и изменению их параметров ползучести. С увеличением количества циклов нагрузка-разгрузка деформации ползучести, а также остаточные деформации уменьшаются. Наблюдаемые в опытах при втором цикле нагружения отличия поведения грунтов от модели упругой или упруго-вязкой среды обусловлены, по-нашему мнению, трещиноватосгью грунтов, их уплотнением и изменением объема деформируемой зоны в условиях краевой задачи. Различия в механическом поведении грунтов в последующих циклах нагружения уже не существенны и могут быть описаны моделью упругой или упруго-вязкой среды. Следует отметить, что закономерное изменение мощности сжимаемой зоны в различных циклах нагружения часто отмечается и при натурных испытаниях трещиноватых массивов грунтов в условиях их естественного залегания [9]. Следовательно, представленные методика и результаты исследований могут быть использованы при проектировании подземных и заглубленных сооружений в условиях изменяющихся при эксплуатации величинах нагрузок.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 30416 - 96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. -М.-.МНТКС, 1996. - 18с.

2. Ержанов Ж.С., Айталиев Ш.М., Масанов Ж.К. Устойчивость горизонтальных выработок в наклонно-слоистом массиве.-Алма-Ата: Наука, 1971. -160 с.

3. Основы расчета прочности подземных сооружений в трещиноватых скальных породах / Ержанов Ж.С. и др. - Алма-Ата: Наука, 1978. - 91 с.

4. Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. - М.: Высшая школа, 1981. - 317 с.

5. Кубецкий В.Л. Определение механических свойств трещиноватых полускальных и скальных пород для целей подземного строительства // Гидротехническое строительство. 1981. № 4. С. 27-31.

6. Kubetsky V.L., Kozionov VA Investigating rheological proper lies of fissured semirocks ,-Procecdingsofthe international symposiinnweakrock.-Tokyo: 1981,p. 111-118.

7. Рекомендации по определению характеристик реологических свойств скальных и полускальных грунтов методом кольцевого нагружения. » Л.: ВНИ-ИГ им. Б.Е. Веденеева, 1990. - 112 с.

8. Козионов В.А. Методы лабораторных испытаний грунтов. Павлодар: НИЦ ПГУ им. С. Торайгырова, 2004. - 97 с.

9. Фам Ван Нунг. Методика расчета напряженно-деформированного состояния конструкций напорных туннелей с учетом анизотропии и ползучести горных пород: Автореферат дисс. канд. техн. наук. - М.: МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1983. - 20 с.