Реферат: Тема Напряженно-деформированное состояние (ндс) верхних горизонтов земной коры


ДИСТАНЦИОННАЯ ФОРМА КУРСА


Тема 1. Напряженно-деформированное состояние (НДС) верхних горизонтов земной коры

Напряженное состояние верхних горизонтов земной коры формируется в результате действия гравитационной (ρg) и тектонических сил (T). Для описания напряженного состояния массивов горных пород вводится понятие о напряженном состоянии в точке (рис. 1). Для характеристики напряженно-деформированного состояния массивов пород, в том числе и расположенных в пределах мегаполисов, используется механическая модель, представляющая собой полупространство, ограниченное горизонтальной поверхностью и являющееся однородным, изотропным и линейно-деформированным. Распределение напряжений в массиве горных пород подчиняется следующим закономерностям: нормальные напряжения на горизонтальных площадках (σz) возрастают с глубиной и равны весу выше залегающих пород, а нормальные напряжения на вертикальных площадках (σy=σx) составляют часть от вертикальных и определяются с помощью коэффициента бокового распора (ξ). В случае действия тектонических сил горизонтальные напряжения возрастают на величину, соответствующую интенсивности действующей тектонической силы.





Рис. 1. Распределение напряжений в однородном изотропном упругом массиве горных пород в условиях действия гравитационных и сжимающих горизонтальных тектонических сил.

Графическим изображением напряженного состояния в точке массива пород служит диаграмма Мора (рис. 2).




Рис. 2. Диаграмма Мора – графическое отображение напряжённого состояния в точке


Тема 2. Основные факторы, влияющие на перераспределение напряжений в массивах горных пород.


Основные факторы, влияющие на величины и характер распределения напряжений, могут быть глобальными, региональными и локальными. К глобальным факторам относится гравитационная сила, действующая повсеместно. К региональным – тектонические силы, действующие на значительных территориях. К локальным факторам, которые приводят к существенному перераспределению напряжений, но на ограниченных участках, относятся движущиеся подземные воды, оказывающие взвешивающее воздействие на горные породы и гидродинамическое давление, землетрясения, вызывающие знакопеременное изменение напряжений, и неровности рельефа. Большую роль в перераспределении напряжений играют строение массивов горных пород и их неоднородность по деформационным свойствам. Влияние каждого из этих факторов оценивается с помощью методов математического и физического моделирования.


^ Тема 3. Методы оценки НДС инженерно-геологических массивов.


Методы изучения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород включают геологические способы, геофизические методы, физическое и математическое моделирование и прямые полевые определения.

Тип НДС и ориентировка осей главных напряжений устанавливаются путем изучения сопряженных пар сдвиговых трещин, методами кинематического анализа плоскостей разрушения и на основе анализа микроструктурных ориентировок в кристаллах.

По выходу керна производится оценка величины напряжений, действующих перпендикулярно оси скважины,

Направление искривления скважины указывает на направление действия минимального напряжения, при максимальном вертикальном напряжении разрушаются стенки выработок.

При максимальном горизонтальном напряжении разрушения наблюдаются в кровле выработки.

Величину и направление действия минимального напряжения оценивают с помощью гидравлического разрыва.

Геофизические методы используются при изучении распределения, ориентировки главных осей и величин напряжений, для чего применяются различные модификации сейсмоакустических методик.

К прямым полевым методам определения величин напряжений относятся методы разгрузки и восстановления.

Для изучения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и прогноза его изменения под влиянием различных факторов применяются методы физического моделирования (поляризационно-оптические, эквивалентных материалов и др.) и расчетные, включающие аналитические, вариационно-разностные, методы конечных элементов и граничных элементов и др.

Для математического моделирования процессов деформирования массивов горных пород применяется модель линейно-деформируемой среды, где связь между напряжениями и деформациями выражается обобщенным законом Гука.

При изучении разрушения массивов пород используется модель предельного напряженного состояния.



^ Тема 4. Техногенные факторы, влияющие на НДС массивов пород и развитие инженерно-геологических процессов.


На территории крупных городов могут быть развиты современные геологические процессы, а под воздействием техногенных факторов формируются инженерно-геологические процессы.

Под влиянием нагрузки от многочисленных наземных сооружений происходит деформация их основания (осадка). На естественных склонах в пределах города нередки оползни (рис 3.), а подрезка склонов может привести к их активизации или вызвать новые оползневые процессы. Оползневые деформации (рис 4.) возможны на искусственных откосах строительных котлованов и дорожных выемок.

В глубоких котлованах возможен выпор дна под напором подземных вод.

Откачки подземных вод с целью водоснабжения вызывают возрастание эффективных напряжений в грунтах, что приводит к оседанию поверхности. Аналогичные деформации могут быть вызваны строительством подземных сооружений.

Изменение уровней подземных вод на территориях городов, где близко к поверхности залегают закарстованные породы, может вызвать развитие суффозии и провальных явлений.

Кроме того, массивы горных пород на территориях городов испытывают динамическое воздействие от транспортных средств, происходит изменение температурного режима грунтов, утечки из канализационных и водоводных сетей приводят к подъёму уровней грунтовых вод и обводнению оснований сооружений.

На территориях городов создаются искусственные грунты: закрепленные, бытовые и промышленные отходы и др.



Рис 3. Трещина отрыва оползня на Воробьевых горах (г. Москва)





Рис. 4 Оползневые деформации вблизи строительного котлована


Тема 5. Схематизации природных объектов для изучения их НДС.


Применение методов математического и физического моделирования при изучении геологических и инженерно-геологических процессов требует схематизации природных условий, необходимой для выбора и обоснования расчетных схем или схем моделирования природных процессов.

Схематизация осуществляется в несколько этапов. Результатом первого этапа является общий инженерно-геологический разрез изучаемого объекта. На втором этапе составляется специализированный разрез, где более подробно показываются те черты природной обстановки, от которых будет зависеть развитие изучаемых современных процессов. На последнем этапе составляются расчетные схемы или схемы для моделирования, в которых учитываются требования выбранного метода расчета или способа моделирования.

Моделируемые при инженерно-геологических исследованиях объекты обладают сложным строением и поэтому при их схематизации необходимы упрощения, которые осуществляются в результате решения следующих вопросов: 1) оценки характера изменения процесса во времени; 2) установлении пространственной структуры процесса; 3) выборе способа задания расчетных параметров.

Геологические и инженерно-геологические процессы являются нестационарными, поэтому их изучение должно осуществляться в динамической постановке. Однако многие процессы развиваются во времени очень медленно, что позволяет нестационарный процесс рассматривать как серию сменяющих друг друга стационарных состояний и решать задачу на определенный момент времени в статической постановке. Кроме того, решение статической задачи возможно, когда интересуются конечным результатом процесса, а не развитием его во времени.

Геологические и инженерно-геологические процессы развиваются не только во времени, но и происходят в трехмерном пространстве. Во многих случаях допустимо предполагать, что траектории перемещения частей массива горных пород при развитии какого-либо процесса лежат в одной плоскости, и рассматривать не объемную, а плоскую (двумерную) задачу. Если размеры площади нагружения значительно превышают мощность сжимаемой толщи, то становится возможным рассматривать процесс одномерным, как например, в случае уплотнения толщи горных пород под равномерно приложенной вертикальной нагрузкой.

Геологические объекты, как правило, отличаются пространственной изменчивостью свойств, слагающих их горных пород. При назначении расчетных параметров чаще всего используется представление массивов горных пород в виде кусочно-однородный модели.

Математическая модель для исследования напряженно-деформированного состояния массивов горных пород включает уравнения равновесия, неразрывности, состояния и начальные и граничные условия.

При изучении условий разрушения в математическую модель необходимо добавить предельные соотношения, связывающие напряжения, действующие в массиве пород, с их прочностными свойствами.


Контрольные вопросы:

Что такое напряжение?

Что собой представляют инженерно-геологические процессы?

Какие геологические процессы происходят на территории городов?

Какими методами проводится оценка НДС инженерно-геологических массивов?

Какие Вы знаете глобальные факторы, влияющие на перераспределение напряжений в массивах горных пород

Для чего проводится схематизация природных условий?


Литература:


Калинин Э.В. Инженерно-геологические расчеты и моделирование. М.: Изд-во МГУ, 2006.

Розовский Л.Б., Зелинский И.П., Воскобойников В.М. Инженерно-геологические прогнозы и моделирование. М.;К., 1987.


Задание на практические занятия:

Расчёт оснований по деформациям.


Цель работы – знакомство с методами расчета оснований по деформациям методом послойного суммирования.

Порядок выполнения работы:

Построить в масштабе инженерно-геологический разрез (колонку) участка с фундаментом.

Выделить инженерно-геологические элементы разреза и нанести свойства грунтов их слагающих.

Указать уровни подземных вод.

Определить расчётное сопротивление грунта основания (R) и сравнить его со средним давлением по подошве фундамента (P). В случае P>R, увеличить ширину фундамента на 10-20 % или увеличить глубину заложения фундамента.

Построить эпюру начального (естественного, природного) давления в грунтовом массиве от собственного веса (от поверхности земли).

Определить дополнительное давление на основание.

Построить эпюру вертикальных дополнительных напряжений в массиве.

Определить глубину (мощность) сжимаемой толщи.

Рассчитать общую осадку фундамента.

Сравнить с допустимой для данного типа сооружения.

Методические указания по выполнению работы:

Расчет оснований и его назначение. Расчетная схема системы «сооружение - основание - или фундамент – основание» должна выбираться с учетом наиболее существенных факторов, определяющих напряженное состояние и деформации основания и конструкций сооружения.

Основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики грунтов (угол внутреннего трения , удельное сцепление с, модуль деформации грунтов Е, предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Rcи т.п.).

Все расчеты оснований должны выполняться с использованием расчетных значений характеристик грунтов ^ Х, определяемых по формуле:

Х=Хn/g, (1)

где Хn- нормативное значение данной характеристики; g - коэффициент надежности по грунту.

Коэффициент надежности по грунту g при вычислении расчетных значений прочностных характеристик (удельного сцепления с, угла внутреннего трения  нескальных грунтов и предела прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Rc, а также плотности грунта ) устанавливается в зависимости от изменчивости этих характеристик, числа определений и значения доверительной вероятности . Для прочих характеристик грунта допускается принимать g = 1.

Расчёт оснований по деформациям. Целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных или относительных перемещений фундаментов и надфундаментных конструкций такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность (вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, изменений проектных уровней и положений конструкций, расстройств их соединений и т.п.). При этом имеется в виду, что прочность и трещиностойкость фундаментов и надфундаментных конструкций проверены расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при взаимодействии сооружения с основанием.

^ Метод послойного суммирования принадлежит к наиболее общим методам расчета осадок сооружений. Он позволяет учитывать неоднородность строения и свойств основания, возможность (или невозможность) бокового расширения грунта, влияние на проектируемые, уже построенные или строящиеся сооружений, насыпей, котлованов и т. п. этим методом предлагается рассчитывать деформации основания, если последнее схематизируется в виде линейно-деформируемого полупространства с условно ограниченной глубиной сжатия.





Рис. 1. Схема расположения поперечников и вертикалей при расчете осадки сооружения


Сущность метода послойного суммирования состоит в том, что основания сооружения разбивается на ряд слоев и подсчитывается сжимаемость каждого из них. Общая осадка основания представляет сумму осадок всех слоев.

При определении осадок с помощью рассматриваемого метода необходимо знать: 1) тип, размер и конфигурация фундамента; 2) нагрузки от массы сооружения; 3) величину заглубления фундамента; 4) инженерно-геологические особенности основания, отображаемые на инженерно-геологических разрезах, содержащих данные о мощности слагающих сжимаемую толщу слоев, объемной массе и модулях деформации грунтов и сведения об уровнях и напорах подземных вод.

^ Процедура расчета осадок по методу послойного суммирования выполняется в такой последовательности.

1. В результате совместного анализа конструктивных особенностей проектируемого сооружения, строения и свойств основания намечаются поперечники и вертикали, по которым предполагается вычислять осадки. Поперечники и вертикали задаются с таким расчетом, чтобы получить осадки наибольшие как по величине, так и по неравномерности.

При небольших по площади и достаточно жестких фундаментах, а также при сравнительно однородном основании достаточно выполнить расчет осадок по вертикали, проходящей через центр загруженной площади.

Если конфигурация сооружения в плане проста, а основание однородно, то подсчет осадок ведется по трем вертикалям, которые располагаются на центральном поперечнике (рис. 1). При неоднородном основании добавляются поперечники, проходящие по контурам подошвы сооружения (см. рис. 1).

При сложном очертании фундамента, неоднородном основании, неодинаковой нагрузке от разных частей сооружения, необходимости учета влияния соседних зданий могут назначаться дополнительные поперечники и вертикали. Их располагают исходя из требований к оценке осадок и их неравномерности.

Определяется нагрузка, создаваемая массой сооружения.

3. На поперечники, по которым намечено вести расчет осадок, наносится геологическое строение основания с выделением однородных слоев и с указанием однородных слоев и с указанием положения уровня подземных вод всех вскрытых водоносных горизонтов как безнапорных, так и напорных.

Инженерно-геологический разрез должен отражать основные в отношении деформируемости черты строения основания. Прослои, линзы, гнезда, учет которых в расчете осадок несуществен, на разрезе не показывают.

3. После установления величины и положения равнодействующей нагрузки от массы сооружения и построения геологического разреза основания для слоя грунта, на котором непосредственно стоит фундамент, вычисляют так называемое расчетное давление на основания R. Расчетное давление соответствует нагрузке, при которой зоны предельного равновесия, т. е. максимально опасные участки основания, распространяются от подошвы фундамента на глубину не более четверти ширины этого фундамента. Такое давление является допустимым для промышленных и гражданских зданий и сооружений.

Строительные нормы и правила допускают применение решений линейно-деформируемой среды для установления характера распределения напряжений от внешней нагрузки на глубине основания при выполнении условия:


Pсоор  R (2).


Если же неравенство (2) не соблюдаются, то приходится прибегать к специальным мероприятиям: изменить давление от массы сооружения, уменьшив его массу или увеличив площадь фундамента, заглубить дно котлована на большую глубину, опереть фундамент на более прочный слой грунта, применить сваи, укрепить основание тем или иным способом и др.

5. Убедившись в правомерности использования формул, полученных на основе теории линейно-деформируемой среды, переходят к построению эпюры распределения по глубине напряжений, возникающих по избранной для расчета осадок вертикали при приложении нагрузки от массы сооружений. Для расчета осадок методом послойного суммирования такие построения проводятся только для вертикальной нормальной составляющей, действующей на горизонтальной площадке z. При этом принимаются во внимание форма и жесткость фундамента, его относительные размеры, эксцентриситет приложения нагрузки и др.

6. Далее строится эпюра распределения напряжений от собственной массы грунта с учетом, где это требуется, взвешивания ее водой.

Сопоставляя напряжения от массы сооружения и массы грунта, графически или аналитически определяется нижняя граница активной зоны.

7. На следующем этапе толща грунтов, слагающих основание сооружения, разделяется на расчетные слои. Решающими факторами при этом являются характер эпюры распределения вертикальной составляющей напряжения, возникающего после возведения сооружения, и границы между слоями.

При вычислении осадок сооружений за расчетное напряжение принимается его среднее значения для данного слоя (рис. 2).



Рис. 2. Схема для расчета осадки методом послойного суммирования


В связи с тем, что эпюра распределения напряжений от внешней нагрузки имеет криволинейные очертания, желательно, чтобы среднее напряжение для каждого расчетного слоя наименее отличалось от величины напряжения в середине слоя. С уменьшением мощности расчетного слоя указанные различия становятся все более несущественными.

С другой стороны, границы расчетных слоев не должны выходить за пределы инженерно-геологических слоев. Следует подчеркнуть, что во всех случаях пески и другие хорошо фильтрующие грунты должны выделяться в самостоятельно рассматриваемые расчетные слои.

Мощность первого и второго расчетного слоев принимать равной одной четверти ширины фундаментной плиты. Третий, четвертый и пятый слои должны составлять половину от ширины фундамента каждый. Мощность всех последующих расчетных слоев увеличивается до ширины фундаментной плиты. Мощность слоя не должна быть менее 1 м.

Совершенно очевидно, что мощность расчетных слоев в каждом конкретном случае определиться самостоятельно в зависимости от ширины фундамента и особенностей инженерно-геологической обстановки. При однородном основании и широком фундаменте толщина слоев будет значительно больше, чем в случае слоистого основания и узкого фундамента.

8. Далее определяется величина осадки сооружения по формуле:

n

S =   pihi/Ei, (3)

i=1

где  - безразмерный коэффициент, принимаемый равным 0.8 для всех видов грунтов; n – число слоев, на которые разделена сжимаемая толща основания; pi – полусумма вертикальных нормальных напряжений, возникающих на верхней и нижней границах i-го слоя грунта от массы сооружения; hi – мощность i–го расчетного слоя грунта; Ei - модуль деформации i-го расчетного слоя.

Расчет деформаций основания следует, как правило, выполнять, применяя расчетную схему основания в виде линейно деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи Hcлинейно деформируемого слоя, если:

а) в пределах сжимаемой толщи основания Hc, определенной как для линейно деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации E1  100 МПа (1000 кгс/см2) и толщиной h1, удовлетворяющей условию:

(4)

где ^ Е2 - модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации Е1;

б) ширина (диаметр) фундамента b  10 м и модуль деформации грунтов основания ^ E  10 МПа (100 кгс/см2).

При расчете деформаций основания среднее давление под подошвой фундамента p не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R, кПа (тс/м2), определяемого по формуле:

(5)

где с1и с2 - коэффициенты, условий работы, принимаемые по табл. 3 (СНиП 2.02.01-83); k - коэффициент, принимаемый равным: k1=1, если прочностные характеристики грунта ( и с) определены непосредственными испытаниями, и k1=1,1, если они приняты по табл. 1-3 рекомендуемого приложения 1 (СНиП 2.02.01-83); М, Мq, Mc - коэффициенты, принимаемые по табл. 4 (СНиП 2.02.01-83); kz - коэффициент, принимаемый равным: при b  10 м - kz=1, при b  10 м - kz=z0/b+0,2 (здесь z0=8 м); b - ширина подошвы фундамента, м; II - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м3 (тс/м3); /II - то же, залегающих выше подошвы; сII - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа (тс/м2); d1 - глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле:

(6)

где hs - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м; hcf - толщина конструкции пола подвала, м; cf- расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м3 (тс/м3); db - глубина подвала - расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом шириной B  20 м и глубиной свыше 2 м принимается db= 2 м, при ширине подвала B  20 м - db= 0).

Предварительные размеры назначаются по конструктивным соображениям или исходя из табличных значений расчетного сопротивления грунтов основания R0, в соответствии с приложением 3 (СНиП 2.02.01-83). При глубине заложения d > 2 м.:

R = R0[1 + k1(b – b0)/b0] + k2/II(d - d0), (7)

где b и d – соответственно ширина и глубина заложения проектируемого фундамента, м (см); /II– расчетное значение удельного веса грунта, расположенного выше подошвы фундамента, кН/м3 (кгс/см3); k1– коэффициент, принимаемый для оснований, сложенных крупнообломочными и песчаными грунтами, кроме пылеватых песков, k1= 0,125, пылеватыми песками, супесями, суглинками и глинами k1= 0,05; k2– коэффициент, принимаемый для оснований, сложенных крупнообломочными и песчаными грунтами, k2= 0,25, супесями и суглинками k2= 0,2 и глинами k2= 0,15.

Для расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства осадка основания определяется методом послойного суммирования по формуле:

, (8)


где  - безразмерный коэффициент, равный 0,8; zp,i- среднее значение дополнительного вертикального нормального напряжения в i-м слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней zi-1и нижней ziграницах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента; hiи Еi- соответственно толщина и модуль деформации i-го слоя грунта; n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

Начальное давление в грунтовом массиве определяется для слоистого основания по формуле:

,

где γi, hi – плотность грунтов естественного сложения i – ого слоя и его мощность, n – порядковый номер. Плотность грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод, но выше водоупора, принимается с учетом взвешивающего действия воды.

5.Вертикальное напряжение от собственного веса грунта zgна границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле:

, (9)

где /- удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента; dn- обозначение – см. рис.2; iи hi- соответственно удельный вес и толщина i-го слоя грунта.

Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине z = Hc, где выполняется условие zр = 0,2 zg(здесь zр– дополнительное вертикальное напряжение на глубине по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяемое в соответствии с указаниями пп. 2 и 4; zg– вертикальное напряжение от собственного веса грунта, определяемое в соответствии с п. 5).


Если найденная по указанному выше условию нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации ^ Е < 5 МПа (50 кгс/см2) или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = Hc, нижняя граница сжимаемой толщи определяется исходя из условия zр = 0,1 zg .


^ Исходные данные к задаче по расчету осадок основания: геологический разрез: с поверхности залегают делювиальные суглинки мощностью 2,0 м; ниже – флювиогляциальные пески – 6,0 м, подстилаемые юрскими глинами мощностью более 30 м. Уровень грунтовых вод находится на глубине 4,0 м. Многоэтажного бескаркасного здание с несущими стенами из крупных блоков имеет фундамент длиной 50,0 м; шириной 2,0 м. Фундамент заглублен на 2,6 м и создает нагрузку в 2,8 кг/см2. Высота здания 24,0 м.
3.1.Вариант 1
^ Основные свойства грунтов

суглинки

пески

глины

Плотность грунта, , г/см3

2,00

1,70

2,05

Коэффициент пористости, e

0,49

0,56

0,54

Модуль деформации, E, кг/см2

60

150

120

Угол внутреннего трения, , град

18

32

16

Сцепление, c, кг/см2

0,10

0,01

0,40
3.2.Вариант 2
^ Основные свойства грунтов

суглинки

пески

глины

Плотность грунта, , г/см3

2,10

1,80

2,15

Коэффициент пористости, e

0,49

0,56

0,54

Модуль деформации, E, кг/см2

70

160

130

Угол внутреннего трения, , град

19

32

18

Сцепление, c, кг/см2

0,10

0,01

0,40
3.3.Вариант 3
^ Основные свойства грунтов

суглинки

пески

глины

Плотность грунта, , г/см3

1,80

1,80

2,00

Коэффициент пористости, e

0,49

0,56

0,54

Модуль деформации, E, кг/см2

60

170

150

Угол внутреннего трения, , град

18

34

16

Сцепление, c, кг/см2

0,10

0,01

0,40
еще рефераты
Еще работы по разное