АННОТАЦИЯ
Предмет исследования: в статье рассматривается взаимодействие бетонных конструкций с грунтом, выполненное на основе лабораторных испытаний и численного моделирования.
Цели: изучение прочностных характеристик на контакте 2-х разнородных материалов; сравнение полученного значения коэффициента снижения прочности с нормативным заничением, а также определение степени необходимости учета интерфейса при моделировании взаимодействия подземных конструкций с грунтовым массивом при проведении численных расчетов.
Материалы и методы: на приборе одноплоскостного среза был получен коэффициент снижения прочности (Rinter), характеризующий условия взаимодействия разнородных материалов на контакте. При помощи численного моделирования показано, как влияет учет или не учет, а также правильно заданные характеристики материала контактного элемента на внутренние усилия подземной конструкции.
Результаты: результаты испытаний показали, что диаметр частиц оказывает различное влияние на сдвиговую прочность при одном и том же уровне нормальных напряжений. С помощью численного моделирования показано, как влияет учет интерфейса на перемещения, деформации конструкций в грунте и на внутренние усилия, возникающие в их сечениях.
Выводы: по полученным результатам сделаны выводы о том, чему нужно уделить большее внимание при проведение лабораторных испытаний, насколько сильно влияет учет контактных элементов с правильным набором заданных свойств на внутренние усилия подземной конструкции в численном моделировании и перспективы дальнейшего исследования.
ОПЫТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТА В ОБЛАСТИ КОНТАКТА С ПОДЗЕМНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ
ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие между различными материалами конструкций и грунтами является важной проблемой в геотехнике. Она имеет широкое распространение при решении задач, связанных с расчетом подпорных стен, шпунтовых ограждений, «стен в грунте», опускных колодцев и т.п. На определение предельного сопротивления сдвигу влияет множество факторов, таких как вид грунта, размер частиц, влажность грунта, плотность, относительная шероховатость, материал твердой поверхности, величина нормальных напряжений, однако, по результатам многочисленных исследований наибольшее влияние на сопротивление сдвигу оказывают влажность грунта и относительная шероховатость, подразумевающая под собой отношение шероховатости твердой поверхности по длине сдвига к среднему диаметру частиц грунта.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И НОРМАТИВНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
Данная тема исследовалась в ряде других работ, в том числе и зарубежных, например, в работе Liming Hu and Jialiu Pu (2004) [1] были проведены испытания на сдвиг по стальной пластине при ее различной шероховатости. В данной работе было показано два вида разрушения, в зависимости от относительной шероховатости и визуально определена толщина зоны сдвига грунта. Mohammadi, A, Ebadi, T, Eslami, A (2017)
[6] исследовали влияние различной шероховатости бетонной поверхности на сопротивление сдвигу между песком и бетоном в приборе прямого сдвига. В работе Haeri, H ; Sarfarazi, V; Zhu, ZM (2019)
- сдвиг осуществлялся между глинистым грунтом и бетонной поверхностью, и были сделаны выводы о том, что на предельное сопротивление сдвигу оказывают влияние шероховатость бетона и прикладываемое нормальное напряжение. Кроме того, в ряде других работ определялся коэффициент снижения прочности при разных уровнях нормальных напряжений и полученные значения варьировались от 0,4 до 0,9. В таблице 9.1 СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений представлена таблица значений коэффициента снижения прочности в зависимости от вида грунта, его степени влажности и консистенции.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для испытаний использовались мелкие и крупные сухие пески, а в качестве твердой поверхности — бетонная плашка диаметром 71,4 мм и высотой 16 мм из цементно-песчаной смеси марки М300. Шлифовка бетонной поверхности крупной наждачной бумагой проводилась круговыми равномерными движениями для получения одинаковой шероховатости по всем направлениям. После испытания бетонный образец поворачивался на 30°, так как частицы песка при сдвиге могут образовывать борозды на бетонной поверхности, а также чтобы при следующем испытании частицы сдвигались не по уже сформированной траектории (борозде), а сдвигались по вновь образуемой. В противном
случае, полученные значения касательных напряжений будут занижены, так как предельное сопротивление сдвигу будет меньше.
Рис. 1. Приборы одноплоскостного среза
Всего было проведено 48 испытаний: 36 испытаний с мелкими песками и 12 испытаний с крупными. Испытания проводились на приборе одноплоскостного среза. Время предварительного уплотнения грунта составило 10 минут, скорость сдвига — 0,2 мм/мин. Для мелких песков зазор устанавливался величиной 0,2-0,4 мм, а для крупных песков
- 1 мм. Величина зазора подбиралась таким образом, чтобы исключить выпадения оттуда частиц, таким образом получаются более корректные результаты без потери материала.
Рис. 2. Песок крупный (слева) и песок мелкий (справа)
При численном моделировании необходимо учитывать коэффициент снижения прочности в интерфейсе, чтобы корректно моделировать подвижный контакт между конструкцией и грунтом. Для определения его влияния на усилия, возникающие в конструкциях, а также на их перемещения и деформации, была смоделирована тестовая задача, рассчитанная в PLAXIS 2D 2018. В качестве конструкции была использована ограждающая железобетонная стена котлована, представленная в модели плитным элементом. Задача рассчитывалась в 3 этапа:
- без постановки интерфейсов;
- с интерфейсом при Rinter = 1;
- с интерфейсом при Rinter = 0,6 (средние значения, полученные по результатам лабораторных испытаний).
Характеристики интерфейсам задавались не материалом прилегающего кластера грунта, а набором данных для материала интерфейса, при этом удельное сцепление равнялось 0 (с = 0), а угол внутреннего трения умножался на коэффициент Rinter.
Результаты исследования
Результаты 1-ой серии испытаний, проведенных с мелкими песками, представлены в таблице 1. Результаты 2-ой серии испытаний на крупных песках представлены в таблице 2. Коэффициент снижения прочности Rinter получен путем деления предельного сопротивления сдвигу грунта по бетону на предельное сопротивление сдвигу грунта по грунту.
Табл. 1. Результаты испытаний
По результатам 1-ой серии испытаний коэффициент снижения прочности Rinterварьируется от 0,34 до 0,8. Большинство испытаний показывают результаты значений Rinter в диапазоне от 0,52 до 0,71, что, в целом, соответствует предполагаемому диапазону значений в соответствии с актуальными нормативными документами. Однако 6 результатов сильно выбиваются из названного диапазона, что является не реалистичным с точки зрения физики процесса и для данного этапа исследования были отбракованы. Получение некорректных значений может объясняться тем, что у мелкого песка размер частиц намного меньше размера зазора. При сдвиге в зазор укладывается несколько рядов частиц, поэтому сдвиг происходит как по бетону, так и по грунту, что приводит к завышенному значению предельного сопротивления сдвигу. Отсюда возникает необходимость изучения толщины контактной зоны сдвига грунта, которая вовлекается в работу и определяет величину сопротивления. Однако при уменьшении величины зазора может произойти заклинивание частиц. В этом случае зазор будет препятствовать эффекту дилатансии, повороту и перекатыванию частиц, следовательно сдвиг будет происходить по специфическому сценарию, который будет отличаться от сдвига, имеющего некоторую рабочую толщину из нескольких слоев частиц. Также существует вероятность не корректной работы прибора из-заклинивания, поэтому результаты могут выбиваться из общего диапазона получаемых значений.
После отбраковки результатов среднее значение полученного коэффициента снижения прочности равно Rinter = 0,6, что является схожим с тем, который представлен в таблице 9.1 СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений и равен 0,67.
По результатам 2-ой серии видно, что сопротивление сдвигу между крупным песком и бетонным образцом несколько выше, чем сопротивление сдвигу по грунту. Коэффициент Rinter = 1,03, т. е. практически равен 1. Такое явление может объясняться тем, что из-за размера зазора, сопоставимого с размерами частиц песка, контакт обеспечивает непосредственное трение между частицей (отдельностью скальной породы) и бетонным камнем. Поскольку твердость частиц песка равна или превышает твердость бетона на контактной поверхности, могут образовываться характерные борозды, что делает необходимым поворачивать бетонную плашку от испытания к испытанию для обеспечения сравнимых условий экспериментов.
Рис. 4. Изгибающие момента железобетонного ограждения котлована: (а) без интерфейсов, (б) с интерфейсом (Rinter = 1), (в) с интерфейсом (Rinter =0,6)
На рисунках представлены эпюры изгибающих моментов ограждающей конструкции, полученные на момент полной откопки котлована. По ним можно видеть, что с появлением интерфейса на контакте «грунт-стена» изгибающий момент изменяется на 15%, при снижении на контакте прочностных характеристик изгибающий момент увеличивается еще на 10%. Т. е. разница между задачей без использования контактного элемента и задачей с учетом контактных элементов и с учетом сниженных прочностных характеристик достигает 25%. Кроме того, следует отметить, что изменение величины момента по стене не является равномерным. Таким образом, можно сделать вывод, что учитывать и корректно задавать интерфейсные элементы при моделировании необходимо, т. к. в реальности жесткость на контакте
«грунт-стена» будет меньше, следовательно, на контакте материалов может иметь место проскальзывание, отрыв и соответствующее параметрам контакта перемещение.
ВЫВОДЫ
- Испытания на одноплоскостной срез показали большой разброс значений для испытаний между мелким песком и бетонным образцом,так как процесс сдвига является чувствительным к величине зазора. Его величина должна выбираться в зависимости от размера зерна: если зазор меньше размера частицы, тогда будет происходить заклинивание частиц, препятствующее формированию некоторого контактного слоя, включаемого в работу, однако, если зазор будет превосходить размер частицы, тогда в зазор будет укладываться несколько рядов частиц, вследствие чего сдвиг будет происходить как по бетонной поверхности, так и по грунту.
- Испытания, проведенные с крупным песком, показали хорошую повторяемость результатов получаемых значений предельного сопротивления сдвигу и, соответственно, коэффициентов снижения прочности.
- Численное моделирование показало, что изгибающий момент в ограждающей железобетонной стене котлована увеличивается на 25% при использовании контактных элементов с определенным в лаборатории набором заданных свойств, что значительно влияет на дальнейшее проектирование этой конструкции в плане армирования и выбора материала.
- Кроме коэффициента снижения прочности необходимо также учитывать толщину зоны сдвига грунта (толщину интерфейса). Так как с уменьшением величины частиц увеличивается число рядов, вовлекаемых в процесс сдвига. Соответственно, этот фактор будет влиять на предельное сопротивление сдвигу. Однако на данный момент данный фактор имеет слабую изученность в международной научной практике, что делает его интересным для дальнейших исследований процессов, происходящих при взаимодействии строительных конструкций с грунтовым массивом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- Liming Hu, Jialiu Pu / Testing and Modeling of Soil-Structure Interface / Jornal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 130, Issue 8, August
- Hisham T. Eid, Ruslan S. Amarasinghe, Khaled H. Rabie, and Dharma Wijewickreme / Residual shear strength of fine-grained soils and soil– solid interfaces at low effective normal stresses, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 52, Issue 2, Feb
- G. Potyondy, M.Eng. / Skin friction between various soils and construction materials, géotechnique, Vol. 37, Issue 1, Mar 1987.
- Miad Saberi, Charles-Darwin Annan, Jean-Marie Konrad / On the mechanics and modeling of interfaces between granular soils and structural materials, Archives of Civil and Mechanical Engineering Journal, 18, Issue 4, Sep 2018.
- Jiang, SY (Jiang, Shouyan; Du, CB (Du, Chengbin; Sun, LG (Sun, Liguo) / Numerical analysis of sheet pile wall structure considering soil- structure interaction, Geomechanics and Engineering Journal, 16, Issue 3, Oct 2018.
- Mohammadi, A, Ebadi, T, Eslami, A / Shear strength behavior of crude oil contaminated sand-concrete, interface, Geomechanics and Engineering Journal, 12, Issue 2, Feb 2017.
- Di Donna, A; Ferrari, A; Laloui, L / Experimental investigations of the soil-concrete interface: physical mechanisms, cyclic mobilization, and behaviour at different temperatures, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 53, Issue 4, Feb
- Haeri, H ; Sarfarazi, V; Zhu, ZM; / Investigation of shear behavior of soil-concrete interface, Smart Structures and Systems Journal, Vol. 23, Issue 1, Jan
- Ilori, AO; Udoh, NE ; Umenge, JI / Determination of soil shear properties on a soil to concrete interface using a direct shear box apparatus, International Journal of geo-engineering, Vol. 8, Issue 1, Aug
- Chen, XB; Zhang, JS; Xiao, YJ; Li, J / Effect of roughness on shear behavior of red clay – concrete interface in large-scale direct shear tests, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 52, Issue 8, Aug
- Xu, ZH, Zhang, GD, Liao, W, Liao, AM and al. / Study on mechanical behaviors of interface between gravel soil and concrete with large- scale simple shear test, AER-Advances in Engineering Research, Vol. 78, 2016.
- Du, P, Liu, XL, Yang, B / Numerical Simulation Study on the Failure Mode of Soil-structure Contact Interface, AER-Advances in Engineering Research, Vol. 15