5. Расчет свайного ростверка с учетом ползучих свойств основания

5.1. Основные положения реолгическх свойств грунта

Глинистые грунты – сложная дисперсная среда, имеющая частицы с внутренними жесткими (цементо – кристализационными) и вязкими (водно-коллоидными) связями, изменение которых во времени вызывает проявление реологических свойств (ползучесть, релаксация, длительная прочность).

Ползучесть. Представляет непрерывную деформацию среды во времени при постоянно действующей нагрузке. Полагают, что в основе процесса ползу-чести грунтов лежат два взаимно противоположных явления – упрочнение (уве-личение вязких связей между частицами при уплотнении) и расслабление (разрушение жестких связей) грунта. При небольших нагрузках деформации затухают с упрочнением грунта (рис. 5.1, кривая I). При значительных нагруз-ках имеет место или равенство двух явлений, или превалирует расслабление, а в грунте развивается незатухающая (установившаяся) ползучесть (вторая ста-дия), переходящая в прогрессирующую (третья стадия), (рис. 5.1, кривая II).

В процессе ползучести микро и макротрещины трещины из хаотичных получают ориентированное направление (рис. 5.1а ÷ г).

При проектировании причальных сооружений допускается только первая стадия ползучести основания, при которой контактные напряжения в грунте σ ≤ (0,45÷0,8)σ_п , где меньшее значение относится к слабым грунтам.

Р ис. 5.1. Схема изменений микроструктуры грунта в процессе ползучести:

а – исходная стадия; б, в, г – I – III стадии ползучести; 1 – микроблоки глинистых частиц; 2 – пустоты; 3 – цементирующая глина; 4 – микро - и макротрещины.

Зафиксируем на кривой связи (рис.1.3) два порога ползучести. Первый порог фиксирующий начало ползучести примем λ_{1п (1пс)} = ( 0.2- 0.4)λ_{п (пс)}, (1.1), , где меньшие значения относятся к слабым грунтам.

Второй порог, разграничивающий затухающую ползучесть от незатухаю-щей λ_{2п (2пс)} зависит от консистенции глин:_. λ_{2п (2пс)} = ( 0.7 - 0.8)λ_п(пс) – твердые и полутвердые; λ_{2п (2пс)} = (0.6 - 0.7)λ_{п (пс)} – тугопластичные и пластич-ные; λ_2п(2пс) = ( 0.4- 0.6)λ_{п (пс)} – текучепластичные и текучие. Этот порог есть критерий безопасной работы сооружения.

Величина деформации стабилизации затухающей ползучести грунта

Δ_{ст. п} = АΔ_уп ехрК_пз = АΔ_упехр(Е/Е_¥ – 1), (5.1)

где А = 0.6 – 0.8 – коэффициент, зависящий от значения ФБД; Δ_уп – смещения низа стенки (1.10); К_пз – коэффициент ползучести: К_пз,1 = (0,25 ¸ 0,5) – твёрдые и полутвёрдые глины; К_пз,2 = (0,6 ¸ 1.0) – тугопластичные и пластичные; К_пз,3 = (1,1 ¸ 1.5) – текучепластичные – текучие; Е_¥ = (0,3¸0,8)Е – длительный модуль деформации грунта, большее значение Е относиться к твёрдым глинам, мень-шее – к текучим, промежуточные значения принимаются по интерполяции.

Поскольку релаксация есть разновидность процесса ползучести, то при-мем равными периоды времени стабилизации затухающей ползучести и рела-ксации напряжений

t_п.ст = t_рел = ŋ_с/Е_(р), (5.2)

где ŋ_с = 3ŋ – линейный коэффициент вязкости сжатия (растяжения) (сила трения при сжатии (растяжения) площадки при единичном градиенте скорости), приближенно определенный через коэффициент вязкости при сдвиге ŋ; Е_(р) – модули деформации при сжатии (Е) и «растяжении» (Е_р = 0,1Е);

Принята следующая сдвиговая вязкость ŋ от консистенции глинистых грунтов: 10¹⁰ – 10¹¹ П – мягкопластичная; 10¹² – 10¹³ П – тугопластичная; 10¹⁴ – 10¹⁵ П – полутвердая; 10¹⁵ – 10¹⁷ П – твердая. В системе CГC единицей вяз-кости служит пуаз (П) равный: 1 П = 10^-1 Н∙с/м² = 0,012 г∙с /см².

Релаксация напряжений в глинистом грунте. Поскольку при ползучести деформация глинистых грунтов нарастает во времени, то для поддержания постоянной величины деформации требуется всё меньшая, с течением времени, величина действующих напряжений. Процесс уменьшения во времени (расслабления) действующих напряжений при постоянной деформации называется релаксацией. Полагают, что релаксация в основном обуславливается разрушением структурных связей сил сцепления в процессе ползучести.

Применительно к больверкам релаксационный процесс в полной мере возникает при основании из ползучих и не ползучих слоев грунта, создающих условия для прекращения ползучей деформации низа стенки. Уменьшение реактивного бокового давления в слое ползучего грунта за счет релаксации приводит к увеличению бокового давления в не ползучем слое грунта из условия равновесия сил на стенку.

Релаксация распорного давления основания за стенкой. Релаксация для этого вида давления, рассматривается для стенок, повидимому, впервые и по сравнению с общепринятой имеет обратный характер, то есть давление на стенку увеличивается. Распорное давление при завершении релаксацион-ного процесса переходит в бытовое давление покоя , стремясь к своему естественному состоянию (рис. 5.2, левая часть)

σ_рел = σ_а + (σ₀ – σ_а)(ехр (–3t/t_рел); σ _рел = σ₀ при t = t_рел, (5.3)

г де σ_а и σ₀ – активное и боковое давление покоя на стенку; t и t_рел – текущее время и период релаксации (5.3).

Рис. 5.2. Релаксация активного и

пассивного (реактивного) давлений

Релаксация пассивного (реактивного) давления на стенку. Величина наименьшего реактивного давления в процессе релаксации зависит от струк-туры грунта, консистенции и величины напряжения

σ_рел = σ_{п (р)} ехр(–ψt/t_рел) ≥ σ_1пор, (5.4)

где ψ показатель структуры грунта и консистенции: ψ = 0,1 – 0,2 – твердые, полутвердые глины; ψ = 0,35 – 0,9 – пластичные; ψ = 0,9 – 1,6 – текучеплас-тичные. Большее значение показателя относится к грунту меньщей плотно-сти; σ_1пор = (0,2 – 0,4) σ_н – давление отвечающее возникновению первого по-рога ползучести.

Упрочнение, разупрочнение и длительная прочность связных грунтов при ползучести. При затухающей ползучести навал нижнего конца причальной стенки на глинистый грунт основания приводит к упрочнению внутренних связей сил сцепления с увеличением прочностных характеристик. При этом величина φ, как правило, увеличивается на 20 – 30%, в то время удельное сцепление с изменяется в полтора – два раза и более (рис. 4.3, для относительного смещения δ = (0,6 – 0,8δ^*).

При значительной незатухающей ползучести навал нижнего конца причальной стенки на глинистый грунт основания приводит к расслаблению внутренних связей сил сцепления с уменьшением прочностных характеристик. При этом величина φ снижается до 20 – 30%, а удельное сцепление с уменьшается до двух и более раз (рис. 5.3, для относительного смещения δ > (0,6 – 0,8δ^*).

Влияние деформации ползучести d_tп на интенсивность бокового давления связного грунта зависит от структуры грунта, консистенции и действующего напряжения

σ_пз = σ_н ехр(± βd_tп) ≥ σ_1пор,

Рис. 5.3. Изменение прочностных характе-ристик φ(d), с(d) и предельно длительных φ_∞, с _∞ по отношению к условно мгновенным значениям φ₀ c₀ глинистого грунта плас-тичной консистенции при смещении пол-зучести d (d₀ и d^* – начальное и предельное значение смещений).

где β = 0,8 – 1.2 – коэффициент, зависящий от консистенции и величины деформации ползучести. Меньшее значение относится к твердой, полутвердой консистенции, а большее соответственно – к тугопластичной. Знак «плюс» относится к смещениям до (0,4 – 0,8)d^* (1.4). При больших смещениях используется знак «минус».