Продолжаем публиковать переводы серии статей известного ученого Рональда Бринкгреве, опубликованных в начале 2021 года в блоге Infrastructure Insights на сайте VIRTUOSITY, A BENTLEY COMPANY (дочерней компании BENTLEY SYSTEMS – мирового лидера в области разработки и внедрения программного обеспечения для проектирования, строительства и эксплуатации инфраструктуры). Сегодня предлагаем вниманию читателей адаптированный перевод статьи «Модель слабого грунта и ее модификация с учетом ползучести» [6], которая появилась на указанном сайте 3 марта 2021 года. Рональд Бринкгреве является одним из разработчиков программного комплекса PLAXIS, доцентом Делфтского технологического университета и руководителем отдела научных исследований и новых разработок Экспертно-консультационного центра по геотехнике компании PLAXIS bv (Нидерланды). Его научные интересы включают прежде всего комплексные геомеханические модели грунта и численные методы исследований грунтовых оснований и их взаимодействий с инженерными сооружениями [3].
Перевод подготовлен при поддержке компании «НИП-Информатика» – партнера журнала «ГеоИнфо».
Термин «слабый грунт» ассоциируется с пылевато-глинистыми отложениями (в основном с нормально уплотненными глинами). В Нидерландах глины часто содержат органические вещества, а также торф, который еще слабее. В других странах глины могут сильно отличаться от голландских слабых грунтов, например норвежские плывунные глины с очень высокой чувствительностью. Существуют также природные глины с высокой степенью «структурности» и анизотропии, которые тоже ведут себя по-другому, или глины, которые очень чувствительны к набуханию (набухающие глины). Следовательно, надо быть осторожными при выборе правильной геомеханической модели для конкретного слабого грунта при работе в компьютерных программах на основе метода конечных элементов.
Рис. 1. Модель слабого грунта: поверхность текучести в пространстве главных напряжений
Как упоминалось в моих предыдущих статьях в этом блоге [1, 2, 4, 5], точность геомеханической модели зависит от учитываемых в ней характеристик поведения грунта. В этом отношении модель SS включает некоторые особенности, которые актуальны при практическом использовании для слабых грунтов:
По сравнению с моделью Мора – Кулона модель слабого грунта (SS) учитывает больше особенностей его поведения и намного более реалистична. Однако по сравнению с моделью упрочняющегося грунта (Hardening Soil – HS), описанной в моей предыдущей статье в этом блоге [2, 5], модель SS имеет меньше функций, но она была разработана специально для слабых грунтов (о чем говорит и ее название).
Модель слабого грунта включает два параметра, характеризующих поведение его жесткости при первичном нагружении и при разгрузке или повторном нагружении. Эти параметры могут быть легко получены с помощью стандартных компрессионных испытаний в одометре (в России – по ГОСТ 12248, но с альтернативной интерпретацией. – Ред.). При этих испытаниях также можно определить начальное давление предуплотнения (в России – по ГОСТ Р 58326. – Ред.), которое используется для инициализации напряженного состояния модели. В качестве альтернативы можно использовать корреляции для получения этих параметров по данным полевых испытаний.
Помимо параметров сжатия модель слабого грунта (SS) имеет в основном те же параметры, что и простая модель Мора – Кулона. Это делает модель SS, вероятно, более легкой в использовании, чем модель упрочняющегося грунта (HS) [2, 5], по крайней мере для слабых грунтов.
Слабые грунты известны своей низкой водопроницаемостью (коэффициентом фильтрации). При быстром нагружении слабого грунта поровое давление увеличивается в результате недренированного поведения. Следовательно, эффективное напряжение уменьшается, а не увеличивается, что имеет последствия для максимального сопротивления сдвигу, которое может быть получено.
Правильный прогноз развития порового давления, снижение среднего эффективного напряжения и, следовательно, недренированной прочности на сдвиг важны в расчетах, когда устойчивость является проблемой. Такую простую модель, как модель Мора – Кулона, опасно использовать для слабых грунтов, поскольку она может значительно завысить сопротивление недренированному сдвигу. Модель SS в этих случаях является предпочтительной, поскольку она обеспечивает гораздо более реалистичное поведение в отношении напряжения и прочности при нагружении в недренированных условиях (рис. 2).
Рис. 2. Моделирование недренированных трехосных испытаний с использованием модели слабого грунта в подпрограмме SoilTest (виртуальной лаборатории), встроенной в PLAXIS
Хотя порядок и сроки этапов строительства (или схем нагружения) актуальны для всех нелинейных упругопластических моделей, большинство моделей грунта не зависят от времени. Однако время может играть важную роль в случае слабых грунтов. При непродолжительном нагружении поведение слабого грунта является недренированным и создается поровое давление, в то время как за более длинный промежуток времени это (избыточное) поровое давление рассеивается, вызывая осадку. После того как все избыточное поровое давление рассеялось, слабый грунт может продолжать деформироваться в результате ползучести, которую часто называют вторичным сжатием (secondary compression). В модели слабого грунта (SS) ползучесть не учитывается, но имеется модификация этой модели, которая учитывает указанный фактор (Soft Soil Creep – SSC).
Модель SSC учитывает не только объемную ползучесть (сжатие, зависящее от времени), но и девиаторную ползучесть (сдвиг, зависящий от времени). (Отметим, что многие пользователи задают вопрос, учитывается ли в модели сдвиговая ползучесть. Теперь ответ получен от разработчика модели. – Ред.). Следовательно, она может использоваться для слабых грунтов, когда важно долгосрочное поведение, зависящее от времени, например при проектировании строительства или укрепления насыпей, свалок, дамб, откосов и склонов.
Модель SSC имеет в основном те же параметры, что и модель SS. Единственным дополнительным параметром является индекс ползучести, который также можно получить по результатам испытаний грунта методом компрессионного сжатия, когда приложенное напряжение сохраняется постоянным в течение более длительного времени (в России – по данным консолидационных испытаний по ГОСТ 12248 с натуральным, а не десятичным логарифмом времени. – Ред.).
Я надеюсь, что с помощью представленной информации побудил вас использовать модель слабого грунта (SS) и ее модификацию с учетом ползучести (SSC) в ваших геотехнических работах для нормально уплотненных глин. Их параметры могут быть легко получены по данным стандартных инженерных изысканий на площадке будущей реализации того или иного проекта. Анализ методом конечных элементов с применением моделей SS или SSC является более точным и реалистичным, чем при использовании какой-либо более простой модели, по крайней мере для слабых грунтов. И, что более важно, это дает безопасные решения, когда на карту поставлена устойчивость объекта.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку