Delist.ru

Формирование методики оптимизации телематического комплекса технических средств интеллектуальной системы маршрутного ориентирования (09.11.2010)

Автор: Воробьев Андрей Игоревич

Используя далее методы математического моделирования (МКЭ) в условиях плоской задачи (рис.4а), было выявлено, что для получения равномерной деформации поверхности грунтового элемента при выбранном соотношении модулей упругости слабого грунта и сваи-дрены, на слабый грунт требуется удельная нагрузка на 5% меньше, чем на песчаную сваю, что подтверждает правомочность исходных положений, заложенных в основу формул (1) и (2).

В случае, если внешняя нагрузка остается постоянной Р0=const, то поверхность элемента деформируется неравномерно.

В этом случае осадка над сваей меньше, а над слабым грунтом она постепенно возрастает по мере удаления от боковой поверхности сваи (рис.4б). Однако, и в этом случае осредненная осадка поверхности элемента оказывается меньше, нежели в случае отсутствия сваи-дрены, что также позволяет трактовать этот результат как некоторое возрастание модуля деформации слабого основания, в целом.

Рис.5. Элемент слабого основания с песчаной сваей-дреной:

а) ориентация осей эллипсов главных напряжений;

б) зоны развития максимальных касательных напряжений.

Оси эллипсов напряжений в слабом грунте испытывают значительное влияние песчаной сваи и отклоняются от своих начальных положений. Эти отклонения можно объяснить влиянием на них сил трения, возникающих между грунтом сваи и слабым грунтом (рис.5а). При этом максимальный уровень относительных максимальных касательных напряжений приходится (рис.5б) на песчаную сваю-дрену (вся она окрашена в красный цвет), которая находится в предельном состоянии. Слабый грунт работает в этом смысле в более благоприятных условиях за счет его дополнительного горизонтального обжатия грунтом сваи-дрены.

Анализ показывает, что увеличение диаметра сваи не изменяет её напряжённого состояния, в том и другом случае она находится в предельном состоянии, но при постепенном повышении диаметра песчаной сваи постепенно уменьшается осадка элемента слабого грунта (рис.6).

В случае, если аналогичный элемент включает не одну, а две сваи-дрены, то на величину максимальных касательных напряжений в межсвайной зоне и на величину осадки поверхности слабого грунта определяющее влияние оказывает коэффициент сближения свай m=D/L и соотношение площадей (или объемов), занятых грунтом сваи-дрены и слабым грунтом (рис.7).

На основании полученных результатов сделан вывод, что при малом коэффициента сближения свай (m < 0.30), или незначительном содержании песка (песка < 30%) влияние песчаных свай на слабое основание не велико. Однако, если величина m > 0.30 (и соответственно песка > 30%), то это изменение идёт в гораздо более быстром темпе и песчаные сваи заметно влияют на уменьшение главных напряжений в слабом основании. Исследования также показали, что применение песчаной сваи с большим углом внутреннего трения песка и повышенным модулем деформации способствует повышению эффективности конструкции за счет возможности передачи на сваи большей части внешнего давления.

При моделировании условий совместной работы элемента слабого основания, усиленного сваями-дренами, и слоя насыпного грунта hн – рис.8 оказалось, что грунт песчаной сваи, а также грунт, расположенный непосредственно над песчаной сваей, находится в предельном (пластичном) состоянии (рис.8,г). При этом, состояние пластичности сыпучего грунта сваи (темно красная окраска) в свою очередь способствует процессу перераспределения напряжений в пределах зоны слабого грунта путём некоторого увеличения главных напряжений (1 и (2 и уменьшения за счёт этого величины максимальных касательных напряжений (мах.

Наличие пластичной зоны над песчаной сваей (рис.8,г) свидетельствуют о значительной концентрации локальных напряжений, обусловленных повышенной жёсткостью песчаной сваи и её меньшей деформативностью по сравнению с деформативностью слабого грунта.

Выполненный теоретический анализ условий формирования зоны концентрации напряжений с использованием критерия прочности грунта Н.П. Пузыревского показал, что условия ее формирования несколько отличаются от условий развития аналогичных зон в основаниях сооружений, а результаты математического моделирования с помощью МКЭ позволили выявить, что по мере увеличения диаметра сваи происходит рост объёма зоны предельного состояния и глубина её захождения в толщу насыпного грунта при сохранении постоянной его мощности hн = 0,4м. Очевидно, что зона предельного состояния, которая развивается над оголовком сваи, является некоторой переходной зоной для НДС от песчаной сваи-дрены к насыпному слою.

Используемая нами програма “Плаксис” позволяла представить зоны предельного состояния также в виде скопления точек пластичности – рис.1. При диаметре грунтовых свай 10 – 20см точки пластичности концентрируются в форме зон, ограниченных окружностью, но по мере увеличения диаметра сваи до 40 – 50см эти зоны начинают приобретать четко выраженную форму клина – рис.10. вершина которого, как оказалась, лежит на направляющей окружности Н.П. Пузыревского.

Выполненный анализ условий формирования НДС слоя грунта, лежащего на слабом основании, усиленном грунтовыми сваями-дренами, а также результаты моделирования этих условий по МКЭ, показывает, что однородность НДС этого слоя может существенно быть нарушена за счёт не только значительной разницы деформационных характеристик слабого грунта и грунта свай, но также и за счёт их повышенного диаметра и расстояний между осями.

Для проверки и уточнения характера деформирования слоя насыпного грунта на слабом основании с грунтовыми сваями были проведены соответствующие исследования методами математического моделирования (МКЭ), где варьировалась толщина слоя hн, диаметр свай D и расстояние L между их осями.

= nD) от степени насыщенности основания грунтовыми сваями (% для трёх их диаметров D = 10; 20 и 30см исходя из условия получения однородной осадки насыпного слоя или насыпи.

диаметра свай D и тем выше опасность проявления неравномерных деформаций насыпного грунта.

значение порядки 4 – 5D.

Четвёртая глава диссертации посвящена детальному рассмотрению результатов наших исследований в свете выводов и данных, полученных ранее в этой области А.Г. Полуновским и А.С. Мохаммедом.

В целом, мы получили достаточно близкие результаты к экспериментальным результатам А.Г. Полуновского. Некоторое расхождение объясняется тем, что математическое моделирование по МКЭ с использованием характеристик песка и слабого грунта отражают взаимодействие слабого грунта и песчаной сваи гораздо полнее, чем в случае использования моделей с дробью и губкой. Тем не менее, результаты наших исследований на математических моделях с использованием МКЭ в достаточной степени соответствуют результатам экспериментальных исследований на физических моделях.

Рассматривая схему деформирования слабого основания, усиленного сваями – дренами, под весом слоя насыпного грунта А.Г. Полуновский в конечном итоге, также как и мы, пришел к выводу, что с увеличением коэффициента бокового давления грунта (гр, или, что то же самое, с возрастанием его коэффициента бокового расширения, заметнее становится эффект от применения песчаных свай, т.е. применение песчаных свай на слабых фунтах с низким модулем деформации оказывается наиболее эффективно.

Нам представляется вполне логичным, что увеличение сближения свай m > 1 должно приводить к возрастанию площади основания, занятого песчаными сваями. В результате, устойчивость слабого основания должна повышаться и при этом, разность (max = ((1-(2)/2 должна уменьшаться. Однако, из исследований А.Г. Полуновского следует, что при m > 1 разность напряжений ((1-(2) несколько увеличивается. Этот вывод, может быть результатом того, что автор выбрал слишком большие значения угла трения слабого грунта (0 (54,9о - 22,3о), которым соответствуют малые величины коэффициента бокового давления (0. Как следствие, влияние песчаных свай на изменение НДС «слабого» грунта оказывалось незначительным.

Анализируя результаты наших исследований на математических моделях, заметим, что они почти полностью соответствуют и подтверждают результаты исследований А.Г. Полуновского. В самом деле, под влиянием песчаных свай разность (max = ((1-(2)/2 в слабом грунте монотонно уменьшается по мере сближения свай..

В отличие от А.Г. Полуновского, мы рассматривали слабое основание с величинами малых углов трения (о = 5о ; 10о и 15о (соответственно (о = 0.84 ; 0.70 и 0.59). Эти величины (о, как мы полагаем, в большей степени подходят реальным характеристикам слабого грунта. Результаты наших исследований в общем соответствуя результатам А.Г. Полуновского, тем не менее более активно способствуют уменьшению максимальных сдвигающих напряжений (max в межсвайной зоне не изменяя при этом своего знака.

Так же как и А.Г. Полуновским нами было получено, что влияние величины модуля деформации грунта на уменьшение осадки от фактора сближения свай оказывается несколько менее существенным, чем на повышение устойчивости.

В случае, если площадь свай-дрен увеличивается до 20%, то снижение относительных деформации не превышает 10 – 15%. Максимальное снижение деформируемости наблюдается в случае, если суммарная площадь скважин оказывается более 20%.

Не наблюдалось принципиальных расхождений результатов наших исследований на математических моделях также и с экспериментальными данными А.С.Мохаммеда (2002г.), полученных на губке и паралоне. Так, в качестве примера, можно отметить, что А.С. Мохаммедом и нами была выявлена роль грунтовых свай в снижении деформации и возрастании несущей способности слабого основания со сваями.

Глава завершается общими рекомендациями по практическому применению грунтовых свай-дрен в целях усиления несущей способности слабых оснований дорожных насыпей и общими выводами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполненные в прошлом веке в США и России исследования по изучению работы оснований с вертикальными песчаными дренами позволили установить, что песчаные дрены могут не только значительно ускорить процессы консолидации оснований, но и значительно повысить их устойчивость, проявляя тем самым дополнительную их способность к проявлению свайного эффекта.

2. Вместе с тем, до настоящего времени остаются до конца не выясненными особенности формирования напряженно–деформированного состояния оснований дорожных насыпей при наличии в них грунтовых дрен и степень влияния этого фактора на эффективность конструкции, особенно в части учета ее особенностей не как дренирующей системы, а как свайной конструкции. Эта проблема для ряда регионов России и Вьетнама приобретает особую актуальность, учитывая широкую распространенность слабых покровных отложений, которые часто оказываются в основании дорожных насыпей.

3.Нами, используя метод конечных элементов (МКЭ), изучены особенности формировании напряженно–деформированного состояния (НДС) элементов грунтовой толщи слабого основания с учётом различных параметров его вертикальной неоднородности по прочностным и деформационным характеристикам, моделирующих условия работы слабого грунта и грунтовой сваи-дрены.

4. Экспериментально выявлены основные особенности НДС слабых оснований при устройстве свай-дрен и получены аналитические зависимости, позволяющие оценить степень влияния их диаметра, длины, сближения, мощности слабого слоя и его прочностных и деформационных характеристик на увеличение несущей способности основания в целом.

5. Аналитически и экспериментально установлено, что чем ближе расположены грунтовые сваи-дрены и больше их диаметр (коэффициент сближения “m” и степень насыщения слабого основания грунтом свай увеличивается), а также, чем больше разница в величинах коэффициентов бокового давления слабого грунта (w и грунта сваи (св (и следовательно, в углах внутреннего трения (w и (св), тем выше будет прогнозируемая эффективность устройства свайного основания.

6. На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований по численному моделированию условий работы слоя насыпного грунта (дорожной насыпи) на слабом основании и, усиленном грунтовыми сваями, было установлено, что характер развития зон предельного состояния по критериям Н.П. Пузыревского, несколько отличается от условий их формирования в основаниях сооружений из-за иных условий проявления взаимосвязи давления от собственного веса грунта на оголовок грунтовой сваи.

7. Повышение сближения свай “m” (или степени насыщенности песком слабого основания), уменьшает как сумму главных напряжений, так и их разницу, что в свою очередь снижает уровень максимальных касательных напряжений и уменьшает возможность появления точек пластичности в межсвайном пространстве.

8. Модуль деформации грунта (песок, гравийно-песчаная смесь, щебень и т.п.) сваи и его сдвиговые характеристики играют существенную роль в факторе увеличения устойчивости и значительного уменьшении осадки слабого основании в целом.

9. Мощность насыпного слоя, диаметр грунтовых свай и расстояние между их осями должны быть согласованы, чтобы обеспечить однородность полей НДС в массиве грунта (слой насыпного грунта насыпи), лежащего над сваями-дренами.

их диаметра D и тем выше опасность проявления неравномерных деформаций насыпного грунта; роль диаметра нивелируется только при достижении степени насыщения основания сваями 20% - 30%.

загрузка...