Ещё раз о модуле деформации грунта и динамическом зондировании
Генеральный директор ООО «Экспресстест» и разработчик технологии динамического зондирования грунтов Анатолий Ким вновь вернулся к обсуждению несостоятельности классической механики грунтов. «В настоящее время почти все, кто занимается инженерно-геологическими изысканиями, являются приверженцами использования модуля деформации грунтов. Но если их попросить привести хотя бы один физически обоснованный аргумент в пользу применения модуля деформации грунтов, то окажется, что такого аргумента не существует», - констатирует автор статьи.
Дискуссия о достоверности определения модуля деформации грунта идёт постоянно с того момента, как в середине прошлого века сформировалась классическая механика грунтов в ее современном понимании.
На сегодняшний день точно ясно, что модуль деформации грунта не имеет под собой никаких физических и математических оснований. При расчёте деформации основания, например, при определении осадок фундаментов, необходимо решать сложную систему уравнений равновесия, описывающих напряжённо-деформированное взаимодействие любых точек основания. В середине прошлого века решать такие уравнения без применения ЭВМ было возможно только в квадратурах. Приведенная ниже система уравнений имела решение, но только в том случае, если описываемая среда была идеально упругой. А так как грунт не является упругим материалом, был принят постулат, что деформируемость грунта можно характеризовать «модулем деформации». При этом совместно учитываются как упругие, так и пластические деформации.
В прошлом веке это было суровой необходимостью. Только так можно было рассчитать деформации оснований. С сегодняшних же позиций модуль деформации грунта – это несуразица, абсурд. Дело в том, что при пластическом деформировании грунта требуется на порядок меньшее усилие, чем при упругом деформировании. Поэтому при расчёте деформации грунтового основания в пластических зонах деформации грунта рассчитываются не по упругим правилам, а посредством нелинейных пластических законов деформировании, как это принято в PLAXIS.
На рисунке 1 приведены экспериментальный и расчётный графики осадки штампа. Здесь кривая – это график действительной осадки штампа. Прямая, проходящая через точку В, обозначает модуль деформации, который определяется посредством штампового испытания.
Теперь представим себе, что мы рассчитываем осадку этого же штампа, используя экспериментально полученное значение модуля деформации. Здесь мы получим график в виде прямой, которая обозначена красной линией. При нагружении штампа до нагрузки в точке А, отрезок АВ – это действительная осадка штампа, а отрезок АС – это величина расчётной осадки штампа. Почему мы получили такую разницу между действительной и расчётной осадкой штампа? Всё очень просто. Это произошло потому, что при определении штампового модуля деформации мы определяем его уже при пластическом деформировании грунта под штампом. А, как было отмечено выше, при пластическом деформировании грунта требуется на порядок меньшее усилие, чем при его упругом деформировании. А осадку штампа мы определяем как при упругом деформировании без учёта зон пластического деформирования.
Теперь давайте зададимся вопросом. Что же это? Те, кто занимается расчётом деформации оснований посредством программного комплекса PLAXIS по какому-то недомыслию многократно усложняет свою жизнь? Во-первых, программный комплекс довольно сложный. Для работы с ним требуется обучение и соответствующая квалификация. Во-вторых, в PLAXIS используются не упругие линейные модели грунтов, а нелинейные модели грунтов с количеством параметров деформирования не менее пяти, которые определяются достаточно трудоёмким стабилометрическим способом испытания грунтов.
На самом деле, они отказываются от классической механики грунтов, в которой в середине прошлого века был узаконен модуль деформации грунтов, и переходят к современной механике грунтов. Следует отметить, что приверженцев PLAXIS с каждым годом становится всё больше.
Основным препятствием к массовому переходу к нелинейным методам расчёта является определение нелинейных параметров грунтов. Это сложная проблема. Но пути её решения известны. Для этого уже созданы экспериментальные средства. Например, разработанная нами технология динамического зондирования грунтов. По данным динамического зондирования грунтов, полученных в виде графиков осадок и лобового сопротивления, путём решения обратной задачи возможно определить все требуемые параметры грунтов. И это проще, чем выполнить компрессионное испытание. Тем более, в результате последнего получается сомнительный параметр – модуль деформации грунта.
Важно понимать одно: все параметры, которые используются в различных технологиях, должны иметь чёткое физическое объяснение и математическое подтверждение. У модуля деформации нет ни того, ни другого.
В качестве примера можно рассмотреть процесс тарировки наконечника зонда динамического зондирования. В школьном учебнике физики имеется задача. Иллюстрация к ней показана на рисунке 2. На пружину сбрасывается металлический шарик. Если известны масса шарика, высота, с которой он падает, и жёсткость пружины, то можно определить максимальную величину силы удара и осадку пружины. По образу и подобию этой задачи мы устроили специальный стенд (рис. 3). Только мы сбрасываем не шарик, а наконечник зонда с отрезком штанги. Масса груза нам известна, высота падения и жёсткость пружины тоже. В нашем эксперименте нас интересует максимальная сила соударения наконечника зонда и пружины. Электронные датчики, которые находятся в наконечнике зонда, фиксируют силу удара в виде электронного сигнала в миллиамперах. Далее мы, решая арифметическую задачу, определяем максимальную силу соударения наконечника зонда и пружины. И это значение силы удара наконечника зонда делим на максимальную величину сигнала в миллиамперах и получаем практический коэффициент К, используя который в реальном эксперименте, определяется сила удара наконечника зонда путём умножения коэффициента К на показание электронного датчика в миллиамперах.
Каждая установка динамического зондирования комплектуется двумя наконечниками зонда. На каждом наконечнике выгравировано численное значение коэффициента зонда К.
Таким образом, предлагаемый нами метод определения лобового сопротивления зонда при динамическом зондировании имеет фундаментальное физическое подтверждение и математическое описание. И мы определяем не какое-то мифическое значение «условного лобового сопротивления», а адекватное и достаточно точное значение действительного лобового сопротивления.
В настоящее время почти все, кто занимается инженерно-геологическими изысканиями, являются приверженцами использования модуля деформации грунтов. Но если их попросить привести хотя бы один физически обоснованный аргумент в пользу применения модуля деформации грунтов, как это сделано в вышеприведённом примере тарирования наконечника зонда, то окажется, что такого аргумента не существует. Единственное оправдание, которое приводят в таких ситуациях, это то, что модуль деформации применяется давно, с середины прошлого века. Да, это так. Но в прошлом веке это была суровая необходимость. Тогда ещё не было компьютеров с программами типа PLAXIS, и модуль деформации был единственной возможностью как-то выполнять расчёты осадок фундаментов.
В тоже время контраргументов о некорректности применения модуля деформации сколько угодно. Главным из них является то, что грунт не является линейно деформируемым материалом. При деформировании грунта преобладают пластические деформации, поэтому расчёты деформирования грунтовых массивов должны выполняться с применением нелинейных моделей грунтов.
Журнал остается бесплатным и продолжает развиваться.
Нам очень нужна поддержка читателей.
Поддержите нас один раз за год
Поддерживайте нас каждый месяц
