Влияние механизма упрочнения на результаты расчета ограждений котлована в условиях Санкт-Петербурга

Введение. Исследование посвящено вопросам моделирования и расчета процесса разработки котлованов в условиях г. Санкт-Петербурга, где распространены слабые глинистые грунты различного генезиса. Актуальность рассматриваемой темы обусловлена необходимостью повышения точности и надежности расчетов грунтовых оснований в условиях плотной городской застройки. Особенно важно учитывать специфические свойства слабых глинистых грунтов, такие как их недренированное поведение и преимущественно сдвиговое деформирование. Акцентируется внимание на механизме сдвигового упрочнения — критически важном для предсказания пластических деформаций глинистых грунтов в допредельной стадии нагружения.

Материалы и методы. Представлены ключевые положения ранее предложенной авторами нелинейной математической модели, описывающей поведение слабых глинистых отложений на основании механизма сдвигового упрочнения. Недренированное поведение описывается на базе модифицированной теории мгновенной прочности Ю.К. Соловьева с учетом образования избыточных поровых давлений при девиаторном нагружении в условиях плоского напряженно-деформированного состояния. Модель была численно реализована в разрабатываемом авторами специализированном программном комплексе, реализующем метод конечных элементов на основе метода перемещений.

Результаты. Проведен численный расчет разработки котлована под защитой консольного шпунтового ограждения в условиях плотной городской застройки в Центральном районе Санкт-Петербурга. Приведено подробное сравнение результатов численных расчетов с данными геотехнического мониторинга, включающего измерения деформаций шпунтового ограждения котлована и фундаментов окружающей застройки.

Выводы. Сделаны выводы о прогностических возможностях моделей с механизмом сдвигового упрочнения для расчетов котлованов в условиях слабых глинистых грунтов. Даны рекомендации о дальнейшем развитии предложенной модели, включая улучшения в учете эффекта разгрузки основания и изменения параметров жесткости при деформировании.

1. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в гео-механике. М. : Недра, 1987. 221 с.

2. Колюкаев И.С. Численное решение задачи о напряженно-деформированном состоянии склона в упругой и упругопластической постановке // Серия «Строительство» : сб. ст. магистрантов и аспирантов. 2023. Т. 1. № 6. С. 439–451.

3. Полунин В.М., Колюкаев И.С., Кораблев Д.С., Паскачева Д.А. Реализация идеальной упругопластической модели грунта в деформационной постановке // Геотехника. 2023. Т. 15. № 3. С. 26–42. DOI: 10.25296/2221-5514-2023-15-3-26-42

4. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г., Шашкин В.А. Основы совместные расчетов зданий и оснований. СПб. : Институт «Геореконструкция», 2014. 328 с.

5. Schanz T., Vermeer P.A., Bonnier P.G. The hardening soil model: Formulation and verification // Beyond 2000 in Computational Geotechnics. 1999. 16 p.

6. Мангушев Р.А., Пеньков Д.В. Сравнение результатов численных расчетов с использованием современных моделей грунта (Hardening Soil, Hardening Soil Small и Generalized Hardening Soil) с результатами мониторинга // Вестник гражданских инженеров. 2021. Т. 85. № 2. С. 85–93. DOI: 10.23968/1999-5571-2021-18-2-85-93

7. Mussa A., Salah M., Salah L.M. Practical use of advanced constitutive laws in finite element analysis of underground structures // Scientific Papers — Journal of Civil Engineering. 2022. Т. 17. № 1. С. 1–14. DOI: 10.2478/sspjce-2022-0015

8. Шарафутдинов Р.Ф. Нормативное обеспечение определения параметров моделей нелинейного механического поведения грунтов с упрочнением // Construction and Geotechnics. 2023. Т. 14. № 1. С. 33–52. DOI: 10.15593/2224-9826/2023.1.03

9. Roscoe K., Schofield A., Wroth C. On the Yielding of Soils // Geotechnique. 1958. Vol. 8. Issue 1. Pp. 22–53. DOI: 10.1680/geot.1958.8.1.22

10. Burland J.B. The yielding and dilation of clay // Geotechnique. 1965. Vol. 15. Issue 2. Pp. 211–214. DOI: 10.1680/geot.1965.15.2.211

11. Mangushev R., Bashmakov I., Paskacheva D., Kvashuk A. Mathematical modelling of undrained behaviour of soils // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2023. Vol. 19. Issue 1. DOI: 10.22337/2587-9618-2023-19-1-97-111

12. Grimstad G., Andresen L., Jostad H.P. NGI-ADP: Anisotropic shear strength model for clay // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2012. Vol. 36. Issue 4. Pp. 483–497. DOI: 10.1002/nag.1016

13. Langford J., Karlsrud K., Bengtsson E., Hof C., Oscarsson R. Comparison between predicted and measured performance of a deep excavation in soft clay in Gothenburg, Sweden // Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground. 2021. DOI: 10.1201/9780429321559-11

14. Ter-Martirosyan A.Z., Ermoshina L.Y., Anzhelo G.O. Viscosity of Clayey Soils: Experimental Studies // Applied Sciences. 2024. Vol. 14. Issue 14. P. 5974. DOI: 10.3390/app14145974

15. Ter-Martirosyan A.Z., Manukyan A., Ermoshina L.Y. Experience of determining the parameters of the elastoviscoplastic soil model // E3S Web of Conferen-ces. 2021. Vol. 263. Issue 16. P. 02051. DOI: 10.1051/e3sconf/202126302051

16. Nieto-Leal A., Kaliakin V.N. Additional Insight into Generalized Bounding Surface Model for Saturated Cohesive Soils // International Journal of Geomechanics. 2021. Vol. 21. Issue 6. DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0002012

17. Kaliakin V.N., Anantanasakul P. Behaviour and modelling of silt-clay transition soils // Smart Geotechnics for Smart Societies. CRC Press, 2023. Pp. 253–268. DOI: 10.1201/9781003299127-22

18. Шашкин А.Г. Вязко-упругопластическая модель поведения глинистого грунта // Развитие городов и геотехническое строительство. 2011. Т. 2. С. 1–32.

19. Соловьев Ю.И., Караулов А.М., Ваганов П.С. Теория мгновенной прочности и ее применение в расчетах устойчивости консолидирующихся массивов грунта // Проектирование и исследование оснований гидротехнических сооружений : мат. конф. и совещаний по гидротехнике. Л. : Энергия, 1980. С. 104–105.

20. Kondner R.L. Hyperbolic stress-strain response: cohesive soils // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1963. Vol. 89. Issue 1. Pp. 115–143. DOI: 10.1016/0022-4898(64)90153-3

21. Боткин А.И. О прочности сыпучих и хрупких материалов // Известия НИИ гидротехники. 1940. Т. 26. С. 205–236.

22. Парамонов В.Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники. СПб. : Геореконструкция, 2012.

23. Geuzaine C., Remacle J.F. Gmsh: A 3-D finite element mesh generator with built-in pre-and post-processing facilities // International journal for numerical methods in engineering. 2009. Vol. 79. Issue 11. Pp. 1309–1331.

24. Жусупбеков А.Ж., Улицкий В.М., Дьяконов И.П., Николаева М.В. Получение физико-механических характеристик лимногляциальных отложений Санкт-Петербурга для математической модели грунта // Вестник гражданских инженеров. 2023. № 2 (97). С. 44–55. DOI: 10.23968/1999-5571-2023-20-2-44-55