Анализ устойчивости водонасыщенных грунтов при циклическом воздействии: математические модели и прогнозы

В статье рассматривается математическое моделирование разжижения грунтов под воздействием динамических нагрузок, таких как сейсмические штормовые или техногенные циклические воздействия. Процесс разжижения, при котором грунт теряет прочность и несущую способность, имеет критическое значение для оценки безопасности строительных объектов, особенно в районах с повышенной сейсмической активностью или с водонасыщенными грунтами. Для моделирования использовались несколько подходов, включая следующие функции: экспоненциальная функция из работы H. Bilge et al. (2009), логарифмическая функция из работы V. Lentini et al. (2018), Пауэр-функция (степенная), предложенная C. Guoxing et al. (2018), дополнительная логарифмическая функция из исследования E. Meziane et al. (2021), гиперболическая функция, предложенная авторами, которые аппроксимировали устойчивость грунта к циклическим воздействиям. В исследовании были проанализированы данные лабораторных испытаний для различных типов грунтов, объединенных в инженерно-геологические элементы. Каждая функция была проанализирована с точки зрения точности аппроксимации, с использованием метода наименьших квадратов, что позволило минимизировать отклонения между экспериментальными и теоретическими значениями. При оценке функций учитывалось, как каждая из них ведет себя при большом числе циклов нагружения, что важно для прогнозирования разжижения при интенсивных и продолжительных нагрузках. Выбор оптимальной функции производился с помощью сравнения метрик MSE и R2, представленных в таблицах результатов. Применение результатов исследования имеет практическое значение в геотехническом проектировании, особенно для расчета фундаментов и подземных конструкций в условиях потенциально разжижаемых грунтов. Выбор наиболее подходящей функции для моделирования разжижения грунтов позволяет предсказать устойчивость грунтов при длительных и интенсивных циклических нагрузках, минимизируя риск деформации и разрушения конструкций.

1. Gratchev I.B., Sassa K., Osipov V.I., Sokolov V.N. The liquefaction of clayey soils under cyclic loading. Engineering Geology. 2006;86(1):70–84. https://doi.org/10.1016/J.ENGGEO.2006.04.006

2. Моргунов К.П., Колосов М.А. Проблемы разжижения грунтов в основаниях гидротехнических сооружений. Наука и техника. 2022;21(3):201–210. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2022-21-3-201-210

3. Chaloulos Y.K., Giannakou A., Drosos V., Tasiopoulou P., Chacko J., De Wit S. Liquefaction-induced settlements of residential buildings subjected to induced earthquakes. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2020;129. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2019.105880

4. Ter-Martirosyan A., Othman A. Simulation of soil liquefaction due to earthquake loading. In: E3S Web of Conferences: 22nd International Scientific Conference on Construction the Formation of Living Environment, FORM 2019: Volume 97, 18–21 April 2019, Tashkent, Uzbekistan. EDP Sciences; 2019. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199703025

5. Константинова Т.Г. Влияние разжижения грунтов на макросейсмические последствия сильных землетрясений. Инженерные изыскания. 2015;(13):28–33.

6. Yuan J., Wang Y., Zhan B., Yuan X., Wu X., Ma J. Comprehensive investigation and analysis of liquefaction damage caused by the Ms7.4 Maduo earthquake in 2021 on the Tibetan Plateau, China. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2022;155. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2022.107191

7. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Оценка сейсмостойкости слоистых грунтовых оснований, сложенных глинами и водонасыщенными песчаниками. Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2015;(1):99–106.

8. Bilge H.T., Unutmaz B., Yunatci A.A., Yunatci I., Cetin K.O. Liquefaction Triggering Response Under Wave-Induced Cyclic Loading. In: Proceedings of the ASME 2009 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering: Volume 7: Offshore Geotechnics; Petroleum Technology, 31 May – 5 June 2009, Honolulu, USA. 2009. pp. 361–366. https://doi.org/10.1115/OMAE2009-80123

9. Lentini V., Castelli F. Liquefaction Resistance of Sandy Soils from Undrained Cyclic Triaxial Tests. Geotechnical and Geological Engineering. 2019;37(1):201–216. https://doi.org/10.1007/s10706-018-0603-y

10. Guoxing C., Qi W., Tian S., Kai Z., Enquan Z., Lingyu X. Cyclic Behaviors of Saturated Sand-Gravel Mixtures under Undrained Cyclic Triaxial Loading. Journal of Earthquake Engineering. 2018;25(4). https://doi.org/10.1080/13632469.2018.1540370

11. Meziane El.H., Benessalah I., Arab A. An insight into the liquefaction resistance of sand using cyclic undrained triaxial tests: Effect of the relative density and the loading amplitude. Acta Geotechnica Slovenica. 2021;18(2).

12. Тишин Н.Р., Озмидов О.Р., Пролетарский А.В. Система комплексного хранения данных геологических лабораторных испытаний. Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2024;12(1). https://doi.org/10.26102/2310-6018/2024.44.1.007

13. Stokes Z., Mandal A., Wong W.K. Using Differential Evolution to Design Optimal Experiments. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 2020;199. https://doi.org/10.1016/j.chemolab.2020.103955

14. Liyanapathirana D.S. Numerical Modelling of Dynamic Soil Liquefaction in Sloping Ground. In: Australian Earthquake Engineering Conference. 2007.