Несущая способность и осадки глинистых оснований при блочных циклических нагружениях
Мирсаяпов И.Т., Шараф Х.М.А. Несущая способность и осадки глинистых оснований при блочных циклических нагружениях // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. Вып. 5. С. 789–799. DOI: 10.22227/19970935.2024.5.789799
ВВЕДЕНИЕ
Циклические нагружения имеют практическое значение для решения многих задач инженерной геотехники. Некоторые примеры циклических нагрузок не эндогенного характера [1, 2]. Циклическая нагрузка может быть вызвана движением транспорта (скоростные поезда, поезда с магнитной левитацией), промышленными источниками (рельсы кранов, фундаменты машин), ветром и волнами (береговые и вне береговые ветрогенераторы, береговые сооружения) или повторяющимися процессами наполнения и опорожнения (шлюзы, резервуары и силосные ямы) [3‒5]. Кроме того, циклические нагрузки в грунте вызывают строительные процессы (например, вибрация шпунтовых свай) и механическое уплотнение (например, виброуплотнение) [6, 7]. Циклическая нагрузка может быть обусловлена и эндогенными источниками. К примеру, землетрясения приводят к распространению сдвиговых волн в грунте, вызывающих циклическое поведение [8‒10].
Основная тема инженерной геотехники — поведение грунта, связанное с фундаментом. Предельная несущая способность, связанная с фундаментом, рассматривается инженерами-геотехниками и исследователями как сложная задача. Собственный вес конструкции, а также приложенная нагрузка, включая циклическую, должны быть экономично и безопасно переданы на грунт [11‒13]. Предельная несущая способность фундамента может быть определена как нагрузка, при которой происходит разрушение сдвига, связанное с грунтом под фундаментом. До настоящего времени было проведено большое количество численных и экспериментальных исследований для установления несущей способности фундаментов на глинистых грунтах [14‒16]. В большинстве случаев расчеты несущей способности оснований фундаментов оценивались с помощью традиционной теории, в которой использовались коэффициенты несущей способности.
Также в анализе применялась теория упругости, в которой грунт считался жестким, однородным и изотропным для упрощения инженерно-геологической практики [17‒19]. Однако грунты имеют различные пласты в земле, они не являются слоистыми грунтами с различной глубиной залегания и обладают разными свойствами. Следовательно, учет воздействия режимного блочного циклического нагружения и его последствий играет важную роль в геотехнических проектах, где поведение глинистых грунтов при циклическом нагружении — главная проблема [20, 21]. Таким образом, возникает вопрос о необходимости разработки метода расчета осадки и несущей способности глинистых оснований при режимном блочном циклическом нагружении.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для определения механических свойств грунтов выполняется ряд испытаний. Известные методики связаны с работами профессора И.Т. Мирсаяпова, его учеников и др. Анализ возможностей известных устройств для циклических испытаний привел к идее разработки устройства, позволяющего определять механические свойства в зависимости от циклической нагрузки. Выбор вида нагрузки был сделан на основе анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) грунта при циклическом воздействии. Грунты в природе подвергаются многокомпонентному воздействию, причем направление главных напряжений в процессе нагружения непостоянно. Для изучения влияния режима нагружения и вида напряженного состояния на прочностные и деформационные свойства глинистых оснований проведены экспериментальные исследования в устройствах трехосного сжатия и лотковых испытаний в режиме блочного циклического нагружения [22, 23]. Экспериментальные исследования выполнены по программе, представленной на рис. 1.
Для учета влияния режимного нагружения на глинистые основания были приняты режимы нагружения, приведенные на рис. 2.
В качестве грунта для испытаний использовалась полутвердая глина. Этот материал обладает следующими характеристиками: ρ = 1,9 г/см3; W = 23 %; WL = 38 %; WP = 21 %; число пластичности JP = 0,17 д. ед.; JL = 0,117 д. ед.; j = 20 град.; C = 63 кПа.
Методика проведения экспериментальных исследований и процедура подготовки грунтового основания разработаны на кафедре оснований фундаментов динамики и инженерной геологии КГАСУ профессором И.Т. Мирсаяповым и его учениками [24].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Реакция грунтов на циклические нагрузки в значительной степени определяется механическими свойствами грунта, при этом уровень реакции на деформацию зависит от прочности и демпфирования. Более того, при высоких уровнях деформации, помимо уровня деформации, необходимо учитывать и другие параметры, такие как скорость и количество циклов, скорость и количество циклов циклического нагружения; также оказывает существенное влияние на прочность грунта скорость деформации грунтов под действием циклической нагрузки (в основном для глинистых грунтов) [25].
В ходе испытаний в режиме трехосного блочного циклического нагружения выявлены особенности закономерности, строения и характера разрушения образцов грунтов, состоящие из следующих компонентов: при увеличении и уменьшении величины нагрузки, числа циклов нагружения на протяжении выдержки образуются замкнутые зоны пирамидальной формы в верхней части образца и его боковых поверхностях (рис. 3).
Размеры этих сжатых пирамидок могут быть разными в зависимости от режима нагружения. Поскольку эти пирамидки перемещаются как твердое тело, то происходит деформация образца. При этом массивные пирамиды формируют грунт с более плотной структурой, в межпирамидных зонах происходит сдвиг и образование отрывов, что сопровождается появлением мелких трещин. Факт образования отрыва и сдвига подтверждается резким возрастанием величины деформаций и возникновением характера звука растрескивания. При исследовании влияния напряженного пространственного состояния на физические свойства грунта из характеризующей зоны после разрушения образца были отобраны пробы [27].
Полученные характерные признаки разрушения образца в наблюдаемых зонах отбора образцов грунта различных плотностей отличаются от начальных значений. Это свидетельствует о различной степени разрушения грунта в этих зонах. На 6‒10 % возросла плотность грунта в зоне № 1, в зоне № 2 на 1‒3 % и в зоне № 3 на 3‒5 %, а также во всех трех случаях при цикличном нагружении. Согласно результатам исследований, после проведения испытаний плотность образца снизилась на 3‒6 % по сравнению с первоначальной плотностью. В условиях повторяющегося цикличного нагружения снижается влажность до 7%.
При рассмотрении циклических деформаций ползучести и прочностных характеристик грунта при режимном последовательном нагружении следует учитывать влияние вертикального давления предыдущего блока σ1 на прочностные и деформационные характеристики каждого последующего цикла (рис. 4).
Несущая способность глинистого грунта при блочном циклическом нагружении
Фундаменты являются важнейшим элементом конструкций, поскольку они надежно передают нагрузку с поверхности на подстилающую грунтовую среду, не допуская разрушения ни грунтовой среды, ни фундамента. Поэтому важно оценить несущую способность грунтового массива. Многие геотехнические исследователи проявляли интерес к теме разрушения несущей способности как в прошлом, так и в настоящее время [28]. Чрезмерная осадка и недостаточная несущая способность — общие проблемы фундаментов на глинистых грунтах. При расчете несущей способности фундаментов необходимо учесть, что фундамент должен быть устойчивым и иметь возможность выдержать смещение или опрокидывание [29]. Характер разрушения фундамента при достижении им предельного состояния должен быть статически и кинематически возможным для данного воздействия (рис. 5).
Несущая способность фундамента считается обеспеченной в случае, если будет выполнено условие по СП 22.13330:
где F — расчетная нагрузка на основание; γc — коэффициент условий работы; Fn — сила предельного сопротивления основания; γn — коэффициент надежности по ответственности.
В соответствии с нормами проектирования фундаментов расчетное сопротивление грунта (несущая способность) под основанием фундамента определяется соотношением:
где b′ и l′ — ширина и длина фундамента, м; Nγ, Nq и Nc — безразмерные коэффициенты несущей способности грунта под подошвой фундамента, зависящие от угла внутреннего трения φi; ξg, ξq, ξc — коэффициенты, зависящие от соотношения длины и ширины сечения; g1 и γ1 — удельный вес грунта над и под подошвой фундамента.
Прочностные характеристики C(N, t, τ) и φ(N) при стационарном и нестационарном циклическом нагружении определяют по формулам (3), (4), тогда значение удельного сцепления при блочном циклическом режиме нагружения представляют следующим образом:
где C0 — начальное значение удельного сцепления грунта; ∆Cdpl(t, τ) — изменение удельного сцепления на этапах всесторонних и девиаторных нагружений; ∆C(N, t) — изменение удельного сцепления под действием блочной циклической нагрузки. Таким образом, уравнение удельного сцепления при циклическом нагружении блочного режима выглядит так:
где Δεpl ij (t, τ) — прирост величины тензора деформаций ползучести на соответствующих ступенях нагружения; Δεpl vi (t, τ) — прирост величины объемных деформаций ползучести на соответствующих ступенях нагружения; δij — дельта Кронекера; Δεvpli(N, t, t0) и Δγvpli(N, t, t0) — прирост вертикальных и сдвиговых деформаций циклической ползучести в возрастающих и убывающих блоках циклической нагрузки;
Kvεpli(N, t, t0) и Kvγpli(N, t, t0) параметры пропорциональности отношения между ΔC(N, t, t0) и Δεvpli(N, t, t0) и Δγvpli(N, t, t0), определенные на основе экспериментальных исследований.
При этом величина изменения угла внутреннего трения φ грунта оценивается по уравнению:
где φ(N, t, τ) и C(N, t, τ) — характеристики прочности грунта при циклической нагрузке блочного режима; τultgrt(N, t) = σ(N, t) · tgφ(N, t, τ) + C(N, t, τ) — условие прочности Кулона – Мора при циклическом нагружении блочного режима; σ(N, t) — максимальное нормальное напряжение при циклической нагрузке блочного режима.
В таком случае уравнение предельной несущей способности фундамента после трансформации записывается следующим образом:
После преобразования функция несущей способности грунта при стационарном и нестационарном циклическом нагружении принимают следующий вид:
Осадка глинистых оснований при блочном циклическом нагружении
Общий процесс геотехнического осадконакопления состоит из трех основных компонентов, происходящих на разных стадиях: мгновенная осадка (также известная как упругая осадка); консолидационная осадка (или первичная); осадка ползучести (или вторичная). Как следует из названия, мгновенная осадка происходит сразу после приложения нагрузки к грунту. При приложении нагрузки напряжения в грунте изменяются, частицы грунта перестраиваются, что приводит к уменьшению объема свободного пространства грунта. Консолидационная осадка появляется из-за того, что вода с течением времени постепенно вытесняется из промежутков между частицами грунта. В результате уменьшается свободное пространство грунта, разделяющее частицы грунта, и грунт смещается вниз.
После завершения фазы консолидирующей осадки начинается осадка ползучести. Эта часть осадки грунта продолжается в течение длительного времени под действием давления от внешней нагрузки — величина ползучести зависит от типа грунта и его анизотропии, а также от истории напряжений и уровня напряжений в грунте [30].
Расчетный метод основан на понятии послойного суммирования, учитывает объемное напряженное состояние грунта и механическое изменение его состояния в режимном нагружении. В результате расчетом производится осадка фундаментов при действительном режимном нагружении (рис. 6).
Воспринимается объемное напряженное состояние, при этом состояние грунта основания сжимаемой толщи разделяется на несколько слоев, в каждом слое по девиатору напряжений определяются деформации, соответствующие величине вертикального давления, а затем значения деформаций в пределах сжимаемой толщи суммируется [10, 11]. Прирост величины деформации в момент нагружения определяется по уравнению:
Прирост величины осевых деформаций при циклическом нагружении блочного режима устанавливается следующим образом:
где σimax(N, t, t0) — максимальные вертикальные напряжения в блоках блочного режима нагружения; kR — фактор, определяющий соотношение параметров ползучести грунта блочного режима нагружения; σ(N, t, t0) — допустимые вертикальные напряжения при режиме блочного циклического нагружения; ρcyc — асимметричность цикла вертикального напряжения; fUP(N), fdow(N), f(t), fUP(t0), fdow(t0) — функции циклических деформаций ползучести грунта в повышающих и понижающих блоках режимного блочного циклического нагружения.
При этом осадка фундамента при циклическом нагружении блочного режима выявляется по уравнению:
где n — количество слоев; εzi — прирост осевыхдеформаций i-го слоя в момент прикладывания нарузки; εvpli(N,t,t0) — прирост осевых деформаций при циклическом нагружении блочного режима; hi — толщина i-го слоя.
С целью оценки предложенных уравнений для расчета осадки фундаментов проведены штамповые исследования глинистых фундаментов (модели плитных фундаментов в лотках размером 1,0 × 1,0 × 1,0 × 1,0 м). На основе анализа полученных результатов испытаний за развитием осадок плиточного фундамента в лотках при цикличном нагружении блочного режима можно сделать вывод, что представленная зависимость изменения осадочной величины при режиме блочного циклического нагружения является полной аналогией результатам данных исследований. Расчетные значения имеют расхождения с экспериментальными в пределах 10‒20 % (рис. 7).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Согласно результатам исследований можно сделать следующие выводы:
• в результате анализа и обобщений были составлены уравнения предельной несущей способности глинистого основания при цикличном нагружении блочного режима, учитывающие одновременно изменение не только реологических, но и прочностных характеристик глинистых грунтов;
• разработан новый метод расчета осадки глинистого основания, в основу которого положен метод послойного суммирования, учитывающий одновременно изменение НДС и механических характеристик грунта при циклическом нагружении в условиях блочного режима;
• анализ полученных результатов расчетов по предлагаемой инженерной методике оценки несущей способности и осадки глинистых оснований при циклическом нагружении блочного режима соответствует экспериментальным данным по лоткам. При этом расчетные значения имеют расхождения с экспериментальными в пределах 10‒20 %.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
- Augeard E., Ferrier E., Michel L. Mechanical behavior of timberconcrete composite members under cyclic loading and creep // Engineering Structures. 2020. Vol. 210. P. 110289. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020. 110289
- Karim H.H., Samueel Z.W., Jassem A.H. Behaviour of soft clayey soil improved by fly ash and geogrid under cyclic loading // Civil Engineering Journal. 2020. Vol. 6. Issue 2. Pp. 225–237. DOI: 10.28991/ cej202003091466
- Wang Y., Wan Y., Wan E., Zhang X., Zhang B., Zhong Y. The pore pressure and deformation behavior of natural soft clay caused by longterm cyclic loads subjected to traffic loads // Marine Georesources and Geotechnology. 2021. Vol. 39. Issue 4. Pp. 398–407. DOI: 10.1080/1064119X.2019.1707915
- Fu Z., Wang G., Song W., Yu Y., Wei P., Wu T. Deformation behavior of saturated soft clay under cyclic loading with principal stress rotation // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Issue 19. P. 8987. DOI: 10.3390/ app11198987
- Wichtmann T., Tafili M., Staubach P., Machaček J. Soil behaviour under cyclic loadingexperiments, constitutive modelling and numerical applications // 10th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering. 2023. DOI: 10.53243/ NUMGE2023435
- Shah S.A., Asif A.R., Ahmed W., Islam I., Waseem M., Janjuhah H.T. et al. Determination of dynamic properties of finegrained soils at high cyclic strains // Geosciences. 2023. Vol. 13. Issue 7. P. 204. DOI: 10.3390/geosciences13070204
- Civelekler E. Using GIS for the allowable soil bearing capacity estimation according to the Terzaghi (1943) equation in Eskişehir city center, Türkiye // International Journal of Engineering and Geosciences. 2023. Vol. 8. Issue 3. Pp. 310–317. DOI: 10.26833/ijeg.1212584
- Karkush M.O., Ahmed M.D., Sheikha A.A.H., AlRumaithi A. Thematic maps for the variation of bearing capacity of soil using SPTs and MATLAB // Geo sciences. 2020. Vol. 10. Issue 9. P. 329. DOI: 10.3390/ geosciences10090329
- Cheng H., Zhang H., Liu Z., Wu Y. Prediction of undrained bearing capacity of skirted foundation in spatially variable soils based on convolutional neural network // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. Issue 11. P. 6624. DOI: 10.3390/app13116624
- Adunoye G.O., Kareem S.P., Odetola H.M. Experimental investigation on the bearing capacity of selected soils in ayedaade local government Area, Osun State, Nigeria // International Journal of Civil Engineering, Construction and Estate Management. 2023. Vol. 11. Issue 1. Pp. 45–57. DOI: 10.37745/ijcecem.14/ vol11n14557
- Dasho D.K., Aga B.B. Comprehensive characterization of soils with analytical and numerical simulation for bearing capacity and settlement requirements of the footing // Advances in Materials Science and Engineering. 2023. Vol. 2023. Pp. 1–15. DOI: 10.1155/2023/2290515
- Sychkina E.N., Ofrikhter I.V., Ponomaryov A.B. Bearing capacity equations of piles in weathered claystone and sandstone // Magazine of Civil Engineering. 2020. № 5 (97). P. 9704. DOI: 10.18720/MCE.97.4. EDN GTXKVR.
- Xia H., Zhou M., Niu F., Zhang X., Tian Y. Combined bearing capacity of bucket foundations in softoverstiff clay // Applied Ocean Research. 2022. Vol. 126. P. 103299. DOI: 10.1016/j.apor.2022.103299
- Yang C., Zhu Z., Xiao Y. Bearing capacity of ring foundations on sand overlying clay // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. Issue 13. P. 4675. DOI: 10.3390/ app10134675
- Zhao X., Fu Z., Yang Q., Geng D., Wang Z. Study on bearing capacity performance and influence factors of phyllite soil blended with red clay // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1637. Issue 1. P. 012033. DOI: 10.1088/17426596/1637/1/012033
- Benmoussa S., Benmebarek S., Benmebarek N. Bearing capacity factor of circular footings on two layered clay soils // Civil Engineering Journal. 2021. Vol. 7. Issue 5. Pp. 775–785. DOI: 10.28991/cej2021 03091689
- Hataf N., Nabipour N., Sadr A. Experimental and numerical study on the bearing capacity of encased stone columns // International Journal of GeoEngineering. 2020. Vol. 11. Issue 1. DOI: 10.1186/ s40703020001116
- Bhardwaj A., Sharma R.K. Bearing capacity evaluation of shallow foundations on stabilized layered soil using ABAQUS // Studia Geotechnica et Mechanica. 2023. Vol. 45. Issue 1. Pp. 55–71. DOI: 10.2478/ sgem20220026
- He P., Newson T. Undrained capacity of circular shallow foundations on twolayer clays under combined VHMT loading // Wind Engineering. 2023. Vol. 47. Issue 3. Pp. 579–596. DOI: 10.1177/0309524x 221142276
- Fadhil A., Mandeel S.A.H., Mekkiyah H.M. Bearing capacity of square footing resting on layered soil // AlQadisiyah Journal for Engineering Sciences. 2020. DOI: 10.30772/qjes.v13i4.700
- Samy M., Abdelfattah A., Fayed A., Sorour T., Elshawaf M. Prediction of the settlement associated with construction on soft clay improved using rigid inclusions considering the installation effect // Engineering Research Express. 2023. Vol. 5. Issue 1. P. 015071. DOI: 10.1088/26318695/acc3de
- Мирсаяпов И.Т., Шараф Хани Х.М. Экспериментальные исследования несущей способности и осадки оснований фундаментов глинистых грунтов при блочных режимных циклических нагружениях // Известия Казанского государственного архитектурностроительного университета. 2019. № 1 (47). С. 175–182. EDN ZCTFHN.
- Мирсаяпов И.Т., Шараф Х.М.А. Осадка оснований фундаментов глинистых грунтов при блочных циклических нагружениях // Известия Казанского государственного архитектурностроительного университета. 2023. № 3 (65). С. 18–25. DOI: 10.52409/20731523_2023_3_18. EDN BOODTM.
- Mirsayapov I.T. Method of Calculating the Strength of Clay Soils Under Triaxial Regime Loading // Lecture Notes in Civil Engineering. 2021. Pp. 150–159. DOI: 10.1007/9783030801038_16
- Mirsayapov I.T., Sharaf H.M.A. Experimental studies of bearing capacity and settlement of foundations on clays under regime block cyclic loading // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 890. P. 012134. DOI: 10.1088/1757899X/890/1/012134
- Koroleva I. Assessment of clay soils strengthening under triaxial cyclic loading // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 274. P. 03025. DOI: 10.1051/e3sconf/ 202127403025
- Mirsayapov I.T., Sharaf H.M.A. Features of clay soil deformation under triaxial block regime cyclic loading, taking into account the formation of micro and macrocracks // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1928. Issue 1. P. 012038. DOI: 10.1088/17426596/1928/1/012038
- Mirsayapov I., Sharaf H.M.A. Studies of clay soils under triaxial block cyclic loading // XV International Scientific Conference “INTERAGROMASH 2022”. 2023. Pp. 2378–2386. DOI: 10.1007/978303121432 5_259
- Mirsayapov I.T., Sharaf H.M.A. Bearing capacity and settlement of foundations on clayey soils under regime block cyclic loading // Smart Geotechnics for Smart Societies. 2023. Pp. 1345–1350. DOI: 10.1201/9781003299127197
- AlSaidi A., AlJuari K.H., Fattah M.Y. Reducing settlement of soft clay using different grouting materials // Journal of the Mechanical Behavior of Materials. 2022. Vol. 31. Issue 1. Pp. 240–247. DOI: 10.1515/ jmbm20220033
ОБ АВТОРАХ
Илизар Талгатович Мирсаяпов — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой оснований фундаментов динамики сооружений и инженерной геологии, член-корреспондент РААСН; Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КГАСУ); 420043, г. Казань, Зеленая, д. 1; Scopus: 54403302600, ResearcherID: K-6143-2018, ORCID: 0000-0002-6193-0928; mirsayapov1@mail.ru;
Шараф Хани Мохаммед Абдо — кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры оснований фундаментов динамики соружений и инженерной геологии; Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КГАСУ); 420043, г. Казань, Зеленая, д. 1; SPIN-код: 4993-7539, Scopus: 57218824686, ORCID: 0000-0001-9755-965X; hani_2012@mail.ru.
