Notice: Undefined index: view in /home/geoe570621/geoenv.ru/docs/components/com_content/router.php on line 49

Notice: Undefined index: option in /home/geoe570621/geoenv.ru/docs/components/com_content/views/article/view.html.php on line 180

Notice: Undefined index: option in /home/geoe570621/geoenv.ru/docs/components/com_content/views/article/view.html.php on line 188

Notice: Undefined index: option in /home/geoe570621/geoenv.ru/docs/components/com_content/views/article/view.html.php on line 188

Notice: Undefined index: option in /home/geoe570621/geoenv.ru/docs/components/com_content/views/article/view.html.php on line 188

Notice: Undefined index: option in /home/geoe570621/geoenv.ru/docs/components/com_content/views/article/view.html.php on line 188

Notice: Undefined index: option in /home/geoe570621/geoenv.ru/docs/components/com_content/views/article/view.html.php on line 188

Environmental Geoscience journal

Методики исследования грунтов при динамических нагрузках

Испытания грунтов при динамических нагрузках являются необходимым условием для оценки возможности изменения свойств грунтов оснований сооружений в процессе их эксплуатации при приложении к ним циклических нагрузок природного и техногенного характера. Особенно важным такой прогноз является для сооружений повышенной ответственности, срок эксплуатации которых весьма значителен. Методики проведения испытаний, обработки результатов опытов и оценки поведения грунта при воздействии динамических (циклических) нагрузок в существующих нормативах отсутствуют. В лаборатории разработаны и успешно применяются методики такого рода испытаний, моделирующие циклические нагрузки, вызванные землетрясениями, ударами штормовых волн, навалами ледовых полей, технологическими вибрациями от воздействия транспорта, разного вида машин, механизмов и т.д.

Используемые методики динамических испытаний позволяют оценить:

  • динамические модули сдвига  Gd дисперсных грунтов при при различных уровнях динамических деформаций сдвига  ed (10-5 – 10-2 д.е.);

  • возможность разупрочнения связных грунтов;

  • возможность разупрочнения вплоть до разжижения несвязных и малосвязных грунтов;

  • увеличение деформируемости грунтов при нагрузках в допредельной области.

  • при моделировании воздействий штормовых волн и ледовых полей.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ


Определения прочности грунтов при динамических (циклических) нагрузках проводятся при их испытаниях методом трехосного сжатия и сдвиговых испытаниях.


ИСПЫТАНИЯ МЕТОДОМ ТРЕХОСНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО (ЦИКЛИЧЕСКОГО) СЖАТИЯ


Консолидировано-недренированные испытания (CUc) для оценки сейсмоустойчивости

Методика заключается в сопоставлении величины экспериментально задаваемого параметра SR = td / s'1 (коэффициента перегрузки Кп), приводящего к разрушению или разжижению (SR*), с величиной расчетного относительного ускорения колебаний при землетрясении.
Устойчивость грунта к разжижению определяется выполнением условия SR* > a или величиной коэффициента безопасности SF = SR*/SR > 1. Исследования проводятся с использованием динамических стабилометров СТ-70Д и Wykeham Farrance 7100 в условиях трехосного сжатия на образцах цилиндрической формы длиной до 15,0 см и диаметром 7,0 см. 

Основными критериями достижения разжижения или циклической подвижности грунта являются:
- прогрессирующий рост относительных осевых динамических деформаций ed;
- прогрессирующий рост амплитуды динамических  деформаций Aed;
- рост отношения порового давления к эффективной объемной нагрузке U / s'3 до значений 0,8 – 0,9;
- достижение амплитудных значений деформаций сдвига, характерных для разрушения данного вида грунта при статических испытаниях.

Характерные диаграммы записей результатов экспериментов

Диаграмма результатов моделирования воздействия землетрясений (уровень деформаций, соответствующих разрушению грунта при статическом нагружении и принятых соответствующим критерием разрушения для динамических опытов, показан горизонтальными пунктирными линиями)

Зависимость максимальных за время опыта относительных осевых динамических деформаций (max ed;) от коэффициентанапряжений SR для песков мелких различной степени плотности Id.  Т= 1,5 с; N = 30 циклов; K0 = 1

 

 

Пример оценки сейсмоустойчивости на основе анализа значений коэффициента опасности

№№ п/п

 

Характеристика грунтов

 

Предполагаемые для региона характеристики землетрясений

K0

 

Степень плотности песка, Id, д.е.

 

Предельный уровень SR*

 

Коэффициент опасности, SF, д.е.

 

a/g, д.е.

Частота, f, Гц

Число циклов, N

1

пески мелкие

 

0,20

 

0,667

 

30

 

1

 

0,3

0,17

0,87

2

0,5

0,19

0,95

3

0,7

0,21

1,07

4

0,9

0,38

1,89

 

 

ИСПЫТАНИЯ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО (ЦИКЛИЧЕСКОГО) СДВИГА (DSc)


Консолидировано-недренированные динамические (циклические) испытания (DSc) для оценки изменения прочности грунтов при навале ледовых полей и ударах штормовых волн

Суть методики заключается в определении количества циклов нагружения (N), необходимых для разрушения грунта при различных соотношениях статических и динамических напряжений, моделирующих воздействие штормовых волн и ледовых полей.
Предварительно определяется стандартная статическая прочность грунта Su при испытаниях по консолидированно-недренированной схеме со скоростью нагружения, позволяющей достигнуть разрушения в течение 2-х часов. Соответствующие Su относительные деформации сдвига принимаются впоследствии в циклических опытах в качестве критерия разрушения. 
Затем, в условиях действия вертикальной статической нагрузки  s'vo, при нормализованных статических напряжениях сдвига  ta / Su = var и различных значениях нормализованных динамических напряжений tcy / Su фиксируется количество циклов нагружения ( N ), достаточное для  преодоления прочности грунта.
Исследования проводятся с использованием прибора циклического сдвига ПЦС-3 по консолидированно-недренированной схеме на образцах грунтов цилиндрической формы высотой  3,5 см и диаметром 7,1 см. Изменение прочностных характеристик грунтов при циклических нагрузках, выражается в виде кривых усталостной прочности. Они представляют собой диаграммы соотношений числа циклов ( N ) или времени  t, необходимых для разрушения, и  амплитуды сдвиговых напряжений tcy / Su

 

Диаграммы циклической усталости изученных грунтов

Диаграммы изменения во времени нормированных волновых нагрузок (для оценки влияния 12-ти часового шторма)

 

Полная картина изменения динамической (циклической) прочности грунтов представляется в виде диаграмм зависимостей “ta / Su  –tcy / Su“ или “ta / Su  – tf,cy / Su“, для различного числа циклов нагружения N, где tf,cy = ta + tcy . 
Использование этих диаграмм позволяет оценить несущую способность грунтового основания для различных сценариев взаимодействия сооружения с волнами или ледовым полем на период всего срока эксплуатации объекта.

 

Соотношения статических ta и динамических tcy напряжений сдвига, вызывающих разрушение при различном количестве циклов нагружения

 

Зависимость динамической tf,су прочности от уровня статических tа напряжений сдвига дляразличного числа циклов до разрушения

 

 

Консолидировано-дренированные динамические (циклические) испытания (DScG) для оценки модуля сдвига грунтов при воздействиях с различной амплитудой деформаций

Динамический модуль сдвига  Gd при  относительных динамических деформациях сдвига в диапазоне от e= 10-5 до ed =  4 ·10-2 определяется по результатам сдвиговых динамических испытаний ( DScG ). Они проводятся при вертикальной статической уплотняющей нагрузке s'эфф и горизонтальных циклических напряжениях  td различного уровня. Результатом этих исследований является выявление зависимости  Gd = f(ed) при s'эфф, определяемой глубиной залегания рассматриваемого элемента грунта и дополнительной нагрузкой от сооружения. 
Зависимости нормализованного динамического модуля сдвига Gd/Gdmax от величины относительной деформации сдвига  используются для оценки поведения системы сооружение-грунт при различных условиях нагружения и для расчета собственных частот колебаний систем. 
Испытания грунтов проводятся в приборе циклического сдвига ПЦС-3 на образцах цилиндрической формы высотой  3,5 см и диаметром 7,1 см. 
Динамический модуль сдвига Gd грунтов рассчитывается, как отношение размаха (удвоенной амплитуды 2At) динамических напряжений сдвига td и соответствующих значений размаха (2Ae) относительных циклических сдвиговых деформаций образца ed:

Gd  =  2At /2Ae  , МПа

Основой для вычислений служат полученные в ходе экспериментальных исследований результаты, представляемые в виде диаграмм соотношений td и ed. Итогом исследований являются диаграммы зависимостей динамического модуля сдвига Gd от величины относительной динамической деформации сдвига ed для грунтов каждого инженерно-геологического элемента.

Диаграмма соотношения динамическихнапряжений сдвига и относительных динамических деформаций.

Диаграммы изменения значений относительного динамического модуля сдвига 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ


ИСПЫТАНИЯ МЕТОДОМ ТРЕХОСНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО (ЦИКЛИЧЕСКОГО) СЖАТИЯ


Консолидировано-дренированные испытания (CDc) для оценки деформируемости

Для оценки изменения деформируемости дисперсных грунтов при действии циклических нагрузок сопоставляются результаты статических консолидировано-дренированных (CDs) и консолидированно-дренированных циклических испытаний (CDc), выполняемых на образцах-близнецах в приборах трехосного сжатия СТ-70Д и Wykeham Farrance.
Используется коэффициент изменения деформируемости Кид, представляющий отношение циклического модуля Еод к статическому Еос на расчетный момент достижения условной стабилизации  деформаций или завершения опыта, и определяемый по формуле:

Кид = Еод / Еос   

Уровень динамического (циклического) воздействия задается относительной амплитудой циклических напряжений Ао = А / Рст , где A = s1d представляет собой амплитуду циклических осевых напряжений, а Рст = s1* - s1эфф  - разность предельного осевого статического напряжения  s1* и исходного осевого эффективного статического напряжения s1эфф .
Величина Ао последовательно увеличивается в опытах, вплоть до разрушения одного из образцов-близнецов. По специальной методике рассчитываются динамические (циклические) относительные осевые деформации за период времени, соответствующий длительности воздействия. 
Полученные зависимости Кид от относительной амплитуды циклических осевых напряжений Ао для грунтов изученных ИГЭ представляются в виде графиков.

Зависимости коэффициента изменения деформируемости (Кид) от уровня динамической циклической ) нагрузки (Ао)

Следует отметить, что в диапазоне высоких значений относительных амплитуд циклических осевых напряжений Ао развиваются динамические (циклические) деформации, в последующем уже приводящие к разрушению. Оценка границы этого диапазона может быть произведена на основе данных об усталостном разрушении грунтов, полученных по методике DSc. Рекомендуемым уровнем динамических напряжений, при котором производится оценка динамического (циклического) деформирования грунтов, является значение Ао =< 0,3.