Меню

  • На главную

Поиск

  • Динамика грунтов

    Posted 5/4/2010 в 3:48:08 ПП

    В механике грунтов динамические задачи возникли первоначально-в связи с необходимостью расчета оснований под фундаментами крупных машин, возбуждающих вибрации фундаментов и грунтовых оснований, и вопросами расчета погружения свай. Задачи, связанные с забивкой свай в грунт, рассматривались еще Н. М. Герсевановым (1932), который ввел в расчетную схему волновые процессы в забиваемой свае. Впоследствии исследования в этом направлении были развиты в работах Б. П. Попова (1949), В. Н. Голубкова (1950) и др.
    Расчет колебаний фундаментов основывается на сведении задачи тем или иным способом (например, с использованием упругих, упруго-вязких и иных схематизации основания) к задаче о колебаниях системы с конечным числом степеней свободы (Н. П. Павлюк, 1933; О. А. Савинов, 1940,. 1960; Д. Д. Баркан, 1948, 1956; О. Я. Шехтер, 1948, 1955, 1961; Н. М. Бо-^одачев, 1964, 1966; В. М. Сеймов, 1967, и др.).
    К проблеме расчета колебаний оснований близки задачи о вибрационном погружении свай в грунты и вибрационном уплотнении грунтов. Эксперименты по определению механических характеристик грунтов првг вибрационных воздействиях, выполнявшиеся в связи с этим направлением исследований, обнаружили определенные зависимости указанных характеристик от параметров вибрационного воздействия (Д. Д. Баркан, 1943,. 1959, и др.)- Полученные сведения позволили использовать эти зависимости для разработки инженерных методов расчета вибропогружения (Д. Д. Баркан, 1943, 1959; Ю. И. Неймарк, 1953; О. А. Савинов, и А. Я. Лускин, 1960; О. Я. Шехтер, 1961, и др.) и в задачах о колебаниях оснований.
    Основные экспериментально установленные факты, выявившие характер влияния вибраций на механические свойства грунтов (в основном песчаных), сводятся к следующему. Вибрация вызывает изменение-деформационных и прочностных свойств грунта (существенно возрастает сжимаемость и резко падает сопротивление сдвигу). Кроме того, грунт приобретает свойства вязкой жидкости. Особенность рассматриваемых эффектов состоит в том, что они оказываются обусловленными только-ускорениями колебаний, и зависимость механических характеристик от ускорения носит четко выраженный пороговый характер — влияние колебаний на механические характеристики (сжимаемость, коэффициент вибровязкости и т. д.) начинает сказываться лишь после достижения амплитудой вибрационного ускорения некоторого порогового значения. Проведенные эксперименты позволили выявить как сами пороговые значения ускорения, так и конкретный вид указанных зависимостей (Н. А. Преображенская, 1958; И. А. Савченко, 1958; Д. Д. Баркан, 1959, и др.). Д. Д. Барканом, О. Я. Шехтер, О. А. Савиновым и другими с учетом полученных в опытах данных были разработаны методы теоретического решения задач о вибропогружении свай и иных конструкций в грунт и о глубинном и поверхностном уплотнении грунтов вибраторами. Полученные при этом результаты позволили разработать, рациональные инженерные методы расчета и проектирования как вибровозбудителей, так и самих процессов вибропогружения и виброуплотнения.
    Следует отметить, что наличие упомянутых выше порогов важно-не только в принципиальном отношении, оно существенно и в чисто прикладном асненте проблемы, ибо приводит к локализации проявления виброэффектов в некоторой области вблизи источника вибраций и количественно* определяет размеры этой области.
    В последнее время делались попытки построить общие математические модели для описания механического поведения грунтов с учетом описанных выше зависимостей механических характеристик среды от вибрационных ускорений (Н. Н. Ермолаев, 1963, 1967; Б. И. Дидух, 1967, и др.).
    К рассмотренной проблеме близко примыкает задача количественного-описания явлений разжижения и консолидации грунтов (песчаных) при динамических воздействиях. Проведенные экспериментальные исследования показали, что разжижение песков, по-видимому, также обусловлено в основном амплитудой ускорений динамического воздействия (М. Н. Гольд-штейн, 1953; Н. Н. Маслов, 1957, 1959; П. Л. Иванов, 1962, и др.). С другой стороны, имеются экспериментальные свидетельства того, что при прохождении ударных волн разжижение песчаного грунта определяется интенсивностью скачка давлений на фронте волны (Г. М. Ляхов, 1961, 1964). Вопрос о природе разжижения в настоящее время нельзя считать окончательно решенным.
    Резкое повышение интереса к динамическим задачам в механике грунтов относится к сороковым годам. Оно было обусловлено возникновением практических задач, потребовавших количественной оценки результатов действия интенсивных кратковременных нагрузок на грунты (взрыв, ударное трамбование грунтов, проникание твердых тел в грунт и т. п.). Особенность этих задач состоит в том, что действующие на грунт напряяшния оказываются намного (на порядки) превосходящими уровни напряжений, характерные для традиционной инженерно-строительной практики, и меняются в широком диапазоне значений. В этих задачах, как правило, динамическое воздействие существенно отлично от вибрационного (обычно это однократное ударно-волновое воздействие) и виброэффекты описанного выше характера не имеют места. Однако кратковременность и большая скорость приложения нагрузки приводят к тому, что механические характеристики грунта оказываются, вообще говоря, отличными от статических.. Это связано, очевидно, с тем, что в рассматриваемых условиях все медленно развивающиеся во времени эффекты (фильтрация жидкости, ползучесть скелета и т. п.) оказываются «замороженными». Поэтому для получения фактических сведений о динамических характеристиках грунтов оказываются необходимыми динамические эксперименты. С другой стороны, ясно, что в целом характер зависимостей между параметрами, определяющими механические свойства грунтов, будет таким же, что и в статике. Поэтому здесь также возникают проблемы описания деформационных и прочностных свойств грунта в рамках представлений, подобных имеющимся в статике.
    Первые попытки схематического расчета действия взрыва в грунте были предприняты в работах X. А. Рахматулина (1945, 1951) и А. Ю. Иш-линского, Н. В. Зволинского и И. 3. Степаненко (1954), в которых грунт схематизировался идеальной (лишенной касательных напряжений) необратимо уплотняемой средой.
    В работах А. С. Компанейца (1956), Э. И. Андрианкина и В. П. Коря-вова (1959) и А. Я. Сагомоняна (1961) эта схема была усовершенствована введением в рассмотрение касательных напряжений, связанных с нормальными напряжениями условиями предельного состояния типа условия Кулона. В задаче о центрально симметричном взрыве этого условия достаточно для замыкания уравнений и получения расчетных соотношений.  Большое внимание в связи с проблемой оценки действия взрыва на грунт уделялось рассмотрению задачи о распространении плоской взрывной волны в грунте. Одним из первых здесь было исследование Б. А. Олисова (1953), в котором использован подход X. А. Рахматулина в задаче о волне разгрузки (1945). Впоследствии задача о плоской одномерной взрывной волне рассматривалась многими авторами. Полезные простые приближенные решения были получены Г. М. Ляховым и Н. И. Поляковой (1959). G. С. Григоряном (1958), по-видимому, впервые на основе анализа особенностей диаграммы деформируемости грунта была предсказана качественная картина развития взрывной волны в процессе ее распространения (появление упругих волн впереди фронта ударной волны сжатия). Эксперименты подтвердили существование ожидаемой картины, и впоследствии в теоретических построениях это обстоятельство было принято во внимание.
    В отмеченных выше подходах к решению простейших одномерных задач вопрос о построении общей математической модели грунтовой среды не ставился. Такая модель была предложена С. С. Григоряном (1959, 1960). В его модели учтены все основные механические свойства грунтов, существенные для динамических процессов (нелинейная и необратимая объемная деформируемость, упруго-пластический сдвиг, зависимость предела упругости при сдвиге от давления). Объемная деформация предполагается зависящей только от среднего давления (необратимым образом), тем самым игнорируются эффекты дилатансии. Сдвиговая деформируемость в допредельном состоянии описывается по линейно упругой схеме, а в предельном состоянии — по схеме Прандтля — Рейсса с условием пластичности типа Мизеса — Шлейхера — Боткина. Автором предлагается эту модель использовать как для быстрых динамических процессов, так и для статических в условиях, когда не проявляются временные эффекты, с учетом того, что для динамики и статики конкретный вид определяющих среду уравнений состояния и значения механических параметров могут быть различными.
    Впоследствии для проверки основных допущений, принятых в этой модели, и конкретизации входящих в нее функций и параметров были проведены обширные полевые динамические эксперименты, обнаружившие ее приемлемость для описания динамического поведения основных разновидностей грунтов (В. Д. Алексеенко, С. С. Григорян, Л. И. Коше-лев, Г. М. Ляхов, 3. В, Нарожная, В. В. Мельников, А. Ф. Новгородов, Г. В. Рыков, Г. М. Тавлинцев, 1960—1964).
    В рамках предложенной модели С. С. Григоряном был решен ряд задач о действии взрыва в грунтах (задача о подземном взрыве, 1964; задача о действии наземного взрыва, 1962, 1965; задачи об одномерных плоских взрывных волнах, 1965, и др.). Задача о подземном взрыве в мягком грунте рассматривалась и ранее (см. выше, а также работы В. Н. Родионова, А. Н. Ромашова и А. П. Сухотина, 1958, 1959), но в более схематизированной постановке, которая, в частности, не позволяла рассчитать параметры излучаемой взрывом упругой волны.
    На основе модели С. С. Григоряна был решен ряд других задач динамики грунтов (одномерные автомодельные и квазистатические движения — С. С. Григорян, Ф. Л. Черноусько, 1961; отражение и преломление упруго-пластических волн на границе раздела сред и от жестких преград —-Н. В. Зволинский и Г. В. Рыков, 1963; А. М. Скобеев, 1964; точные решения об одномерных автомодельных движениях с ударными волнами  применительно  к  задаче  о волнах в грунте, индуцированных воздушной ударной волной наземного взрыва,— Э. Ф. Хайретдинов, 1966, и др.).
    Соображения, принятые при построении модели для мягких грунтов, впоследствии С. С. Григоряном были использованы также при построении математической модели, предназначенной для описания динамических процессов в скальных горных породах с учетом их упруго-пластических свойств и хрупкого разрушения (1967). На этой основе была решена задача о подземном взрыве в горной породе (С. С. Григорян и А. Б. Багда-сарян, 1967). Построенное решение позволяет рассчитать процессы разрушения породы вблизи взрывного очага и излучения упругих волн взрывом. При этом оказывается, что на форму излученной волны и ее затухание с расстоянием существенно влияет протекание процесса разрушения породы вблизи очага. Подобная задача рассматривалась ранее при сильных упрощающих предположениях (В. П. Корявов, 1962; В. Н. Родионов, 1962, и др.).
    В связи с вопросом о построении динамических моделей грунтовой среды нужно отметить работы Г. М. Ляхова (1959, 1961, 1964), в которых на основе опытных данных о распространении взрывных волн в водона-сыщенных песках было предложено рассматривать такие грунты как идеальную сжимаемую жидкость с особым уравнением состояния, в котором учитывается существенное влияние защемленного в поровой воде газа. Используя эту модель, Г. М. Ляхов и Н. И. Полякова решили ряд одномерных задач о распространении и действии взрывных волн в водо-насыщенных грунтах (1959, 1962).
    Применительно к вопросу о динамическом уплотнении грунтов рассматривалась одномерная задача трамбования массивной плитой, сбрасываемой на грунт с определенной высоты (Б. И. Дидух, 1962, 1963; С. С. Григорян, 1964), и были получены простые формулы, позволяющие рассчитать остаточные уплотнения грунта и толщину уплотненного слоя.
    В связи с проблемой описания динамических процессов в грунтах необходимо отметить, что в определенных условиях даже при кратковременных воздействиях в поведении грунта проявляются временные эффекты («динамическая» вязкость). В последнее время эти свойства грунтов подвергались экспериментальному исследованию (Г. М. Ляхов, В. В. Мельников, Г. В. Рыков и др.), однако исчерпывающего решения вопроса и соответствующего количественного описания этих эффектов пока еще нет.
    Развитие исследований по динамике грунтов, кроме продвижения в области теории, сопровождалось разработкой и совершенствованием экспериментальных средств и методик, приспособленных для изучения динамических процессов в грунтах в широких масштабах.
    Для решения прикладных задач, связанных с действием взрыва на грунт, был построен ряд простых расчетных схем и сделаны соответствующие инженерные рекомендации, оказавшиеся при фактической реализации достаточно эффективными. К числу таких предлоя^ений относится идея М. А. Лаврентьева (1960) о направленном метании массы грунта при подрыве заряда специальной формы. Идея состоит в том, что если импульс, передаваемый взрывом выбрасываемой массе грунта через его поверхность, убывает по линейному закону в направлении метания, то выбрасываемая масса грунта приобретает поступательное движение, как целое, и, таким образом, при выбросе грунт не разбрасывается. Многочисленные опыты, проведенные сотрудниками М. А. Лаврентьева (В. М. Кузнецов, Е. Н. Шер и др., 1960)f подтвердили это положение — в опытах процесс выброса грунта обладает очень хорошей направленностью.
    Разработке расчетных методик для описания выброса грунта при взрыве и реализации мощных взрывов на выброс были посвящены также работы Г. И. Покровского и И. С. Федорова (1957), Г. И. Покровского и А. А. Черниговского (1957), В. Н. Родионова, А. Н. Ромашова и А. П. Сухотина (1958), Т. М. Саламахина (1958), М. М. Докучаева, В. Н. Родионова и А. Н. Ромашова (1963) и др.
    Проблема адекватного описания поведения грунтов при динамических воздействиях в настоящее время не может считаться полностью решенной. Здесь, как и в статике, дальнейшая работа должна быть направлена на совершенствование и детализацию математических моделей среды, экспериментальных методов исследования и разработку методов решения задач, необходимых для приложений, а также для проверки представительности тех или иных гипотез и моделей.
    В заключение мы считаем необходимым специально отметить, что настоящий обзор, конечно, не является исчерпывающим и не должен быть таким, по нашему мнению. Литература по механике грунтов, в частности из-за большого многообразия ее задач и объектов исследования, столь обширна, что составление исчерпывающего обзора практически невозможно.
    Авторы видели свою задачу лишь в том, чтобы по возможности полно охарактеризовать важнейшие принципиальные вопросы рассматриваемой области механики и описать главные тенденции ее развития в нашей стране за 50 лет. Мы отдаем себе отчет также и в том, что на реализацию этой программы, конечно, повлияли личные вкусы и воззрения авторов.

    Тэги: ,