Исследование влияния закрепления грунтового основания на напряженно-деформированное состояние Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 624.131.7

М. В. Соколов, С. М. Простов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ЕГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Исследование грунтовых массивов искусственных оснований как среды с заданными физико-механическими свойствами и измененным напряженно-деформированным состоянием позволяет более подробно изучить влияние техногенной деятельности при применении различных методов закрепления. В рамках изучения данной проблемы рационально использовать численные методы моделирования, популярные при решения геомеханических задач как подземной, так и открытой геотехнологии [1, 2].

Компьютерным моделирования исследовано напряженно-деформированное состояние однородного массива с вертикальным симметричным расположением зон закрепления с различной про-

дольной площадью $ и расстоянием между их осями Г (рис. 1). Данная расчётная схема реализована методом конечных элементов с использованием программного комплекса «Alterra».

Для интегральной оценки деформационных свойств массива в качестве количественного критерия принята величина вертикального смещения (осадки) фундамента, так как данный критерий является основным при расчете фундаментов согласно СП 23.13330.2011 «Основания зданий и сооружений» и приводится как эталонный в рекомендациях по применению методов закрепления.

Основные результаты обработки величин вертикального смещения Дг по данным компьютерного моделирования приведены на рис. 3, 4.

а б

Рис. 1. Схемы модели массива (а) и расположения зон укрепления (б) а б в г

Рис. 2. Результаты расчета в виде изолиний напряжений (а, б) и деформаций (в, г) при естественном и

искусственном основаниях

8

М. В. Соколов, С. М. Простов

Рис. 3. Зависимость вертикальных смещений Дг от площади зон закрепления 8 при соотношении модулей упругости укрепленной и неукрепленных зон Еу / Е:

1 - однородный, Еу / Е = 1;

2 - Еу / Е = 2; 3 - Еу / Е = 3;

4 - Еу / Е = 4; 5 - Еу / Е = 5

Рис. 4. Зависимость вертикальных смещений Дг от расстояния между зонами закрепления Г при площади зон закрепления 8: 1 - 1,2 м2; 2 - 2,4 м2; 3 - 3,6м2; 4 - 4,8 м2; 5 - 6,0м2

Л, м-10;

а, м- ю

2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

1 к

N (

1 *

т - А

X ч .1

У • > - -

>< ¿г 2

/ > ✓ • „

м ✓ У * Л \ -В -1

я 1

1

1,00

0,70

0,40

0,10

Х-- — ■ -> с

'Ч - ( ч Л X

*- - т ~ ■ Ч - - N \5 ■х

\ з > V

1, ч \ ч ч ч

у--.

* Ч ч ч ь

Ч 'ч ▲

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 5, м1

Рис. 5. Зависимость Д от площади зон закрепления 8 при величине соотношения Еу /Е: 1 - Еу / Е = 2; 2 -3;3 - 4; 4 - 5

Для дальнейшего анализа использована величина отрицательного приращения Д, характеризующего изменение деформаций грунтового основания под действием управляющего воздействия:

Д = Дг - Дгу,

где Дг - вертикальное смещение при отсутствии

зон закрепления, Дгу - вертикальное смещение при закреплении грунтов основания.

Графики зависимостей абсолютных и относи-

0;6 1,1 1,6 2,1 2,6 3,1 г, м

Рис. 6. Зависимость Д от расстояния между зонами закрепления Г при площади зон закрепления 8 : 1 - 1,2 м2; 2 - 2,4 м2; 3 - 3,6 м2;

4 - 4,8 м2; 5 - 6,0м2

тельных значений Д приведены на рис. 5, 6.

Из полученных зависимостей следует, что уменьшение деформаций основания происходит нелинейно с возрастанием 8. В частности, наибольший эффект наблюдается при наибольшей относительной жесткости зоны укрепления Еу / Е = 5. Для Еу / Е = 2 наблюдается стабилизация перемещений при 8 = 5,1 м2, таким образом, увеличение площади зоны закрепления 8 > 5,1 м2 в

, кПа 16 14 12 10 а б 4 2 о

, кПа' 2 ■ 0 ■

_2 ! -4 ■ -б ■ -8 ■ -10 ■ -12

1

< \ /

2

у /

з' ■ ..... ..... «я:

____ —ь

10

15

20

г, м.

1 Р 4 к ■2 1

У Ф /

1 э 1 5 2 0 2

3

б

Т, м.

Рис. 7. Зависимость вертикальных С (а) и горизонтальных Сх (б) напряжений от координаты 2 при

виде основания: 1 - естественном; 2 - искусственном ($ = 3,6м2, Еу /Е = 3);3 - искусственном

($ = 6,0м2, Еу/Е = 3)

данном случае экономически не целесообразно. На зависимостях Д(г) наблюдаются области

экстремальных значений Д в районе г = 1,6 м, поэтому зоны укрепления рационально располагать на расстояния в диапазоне г = 1,2-2,0 м = (2,0 -3,4)Б (Б - диаметр зон укрепления).

Второй этап моделирования направлен на изучение количественных критериев изменения напряженно-деформированного состояния закрепляемых грунтовых оснований, прилегающих к зоне закрепления. Аналогичный подход использован, например, в работе [3] для определения геометрии зоны предельно-напряженного состояния неоднородного массива вокруг подземной выработки.

Распределение нормальных вертикальных С2 и горизонтальных сх напряжений от координаты 2 модели вдоль оси симметрии фундамента приведены на рис. 7.

Результаты моделирования показывают, что при применении методов закрепления грунтовых оснований имеют место следующие характерные изменения напряженно-деформированного состояния: уменьшается концентрация напряжений под подошвой фундамента; образуются локальные зоны пониженных напряжений под зонами за-

крепления; перераспределяются вертикальные деформации под подошвой фундамента на большем интервале глубины массива.

Анализ измененного напряженного состояния закрепляемых грунтовых оснований показывает, что величина с2 уменьшается пропорционально площади $ и относительной жесткости Еу / Е зон закрепления (рис. 7, а) с образованием зоны концентрации горизонтальных сжимающих напряжений Сх (рис. 7, б). Данные изменения являются следствием перемещений зон закрепления в грунтовом массиве относительно оси конструкции.

Вместе с тем, при достижении высоты зоны закрепления 5 м и ее площади $ > 6,0 м2 горизонтальные напряжения сх распределяются более равномерно без образования четко выраженного экстремума.

Распределения вертикальных е2 и горизонтальных бх деформаций от координаты 2 приведены на рис. 8.

Анализ деформированного состояния массива показал, что появление зон закрепления с повышенной жесткостью влияет на величину вертикальных деформаций е2 и характер их распределе-

а

10

М. В. Соколов, С. М. Простов

1 0~3

2 1,5 1 0,5

■ 1

\j 2

щ ж. V / * J^k.

/ Г

г 3 —»

0

10

15

20

Z, м.

,10-4 9

5 7

6 5 4 3 2 1 0

1

Л 2 1 j

I 7w /

■L.fl r^ot

■ * а

и ■ ■ 7

l

3

ж

—pi

0 5 10 15 20 Ъ, м-

Рис. 8. Зависимость вертикальных 8г (а) и горизонтальных 8Х (б) деформаций от координаты 2 приведены при виде основания:] - естественном; 2 - искусственном ($ = 3,6м2, Еу /Е = 3); 3 - искусственном ($ =6,0 м2, Еу /Е = 3)

ния: сглаживаются пиковые деформации под подошвой фундамента по глубине модели с образованием локальных зон под областью закрепления; образовываются площадки стабилизации деформаций в области закрепленной части массива; изменение деформаций 8г по глубине модели при наличии зон закрепления имеет монотонный характер.

Анализ зависимостей ех(2) показывает наличие зоны постоянных деформаций, обусловленных сжимающими напряжениями на данном участке.

Повышенная жесткость зон закрепления является причиной уменьшения среднего уровня деформаций под подошвой фундамента, а также вдоль оси зон закрепления.

Установленные закономерности изменений напряженно-деформированного состояния закрепляемых грунтовых оснований сооружений целесообразно использовать для разработки практических рекомендаций при проектировании горностроительных работ и ликвидации аварийных состояний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курленя, М. В. Техногенные геомеханические поля напряжений / М. В. Курленя, В. М. Серяков, А. А. Еременко. - Новосибирск : Наука, 2005. - 264 с.

2. Ермакова, И. А. Численное моделирование геомеханического состояния отвала на водонасыщен-ном основании / И. А. Ермакова, С. П. Бахаева, А. В. Дягилева // Вестник КузГТУ, 2014. - № 4.. С. 11-12.

3. Черданцев, Н. В. Определение размера предельно-напряженной зоны углепородного массива в борту пластовой выработки / Н. В. Черданцев, С. В. Черданцев // Вестник КузГТУ, 2014. - № 4. С. 3-10.

Авторы статьи

Соколов Михаил Валерьевич

аспирант каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ, e-mail: [email protected] Простов Серегей Михайлович

докт. техн. наук, профессор каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ. e-mail: [email protected]

Поступило в редакцию 28.12.2014

а

б