авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Напряженно-деформированное состояние системы основание-сооружение при неодномерном промерзании грунтов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПАРАМОНОВ Максим Владимирович

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ «ОСНОВАНИЕ-СООРУЖЕНИЕ» ПРИ НЕОДНОМЕРНОМ ПРОМЕРЗАНИИ ГРУНТОВ

Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре геотехники

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сахаров Игорь Игоревич
Официальные оппоненты: Кудрявцев Сергей Анатольевич доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», г. Хабаровск, профессор кафедры «Железнодорожный путь, основания и фундаменты»;
Городнова Елена Владимировна кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Петербургский университет путей сообщения», доцент кафедры «Основания и фундаменты»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно- строительный университет»,

Защита состоится «10» октября 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-ая Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний (ауд. 219).

Телефакс (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан « ___ » _____________ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д. т. н., проф. Казаков Юрий Николаевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Сезонное промерзание и оттаивание грунтов имеет место практически на всей территории Российской Федерации, а также во многих странах мира. При этом повреждения зданий и сооружений вследствие действия сил и деформаций морозного пучения достаточно многочисленны.

Особую группу объектов, возводимых в последние десятилетия, составляют глубокие котлованы. Ввиду длительности строительства котлованных сооружений, составляющих иногда не менее нескольких лет, крепления котлованов и грунт с тыльной стороны выработок подвергаются замерзанию и сопровождающему его морозному пучению. Учет таких сил и деформаций требует изучения их проявления при неодномерном промерзании. Это заставляет рассматривать эволюцию температурных полей в 2-х – 3-х мерной постановке.

Заметим, что, строго говоря, любое присутствие зданий и сооружений, ввиду разницы в теплопроводности материалов конструкций и грунтов, наличия подвалов и приямков и т.п., всегда ведет к неоднородности распределения температурных полей. При этом вследствие сложности геометрии рассматриваемых областей, разнородности материалов и грунтов, решение температурных задач возможно только численными методами.

Принято считать, что деформации морозного пучения развиваются перпендикулярно фронту промерзания. Вместе с тем, при строго одномерном промерзании различные исследователи отмечают развитие горизонтальных напряжений в грунте, что свидетельствует о наличии потенциальных деформаций, перпендикулярных фронту. Такое явление получило название «анизотропии морозного пучения». В случае присутствия нескольких фронтов промерзания следует ожидать проявления деформаций пучения соответствующих направлений и сопутствующих им деформаций, обусловленных анизотропией. Очевидно, проявление этих деформаций будет ощутимо влиять на напряженно-деформированное состояние (НДС) системы «неодномерно промерзающее основание – сооружение».

Степень разработанности темы исследования

Расчетная оценка сил и деформаций морозного пучения развивалась с начала ХХ столетия усилиями Войслава С.Г., Вялова С.С., Голли О.Р., Гольдштейна М.Н., Далматова Б.И., Ершова Э.Д., Зайцева В.Н., Карлова В.Д., Кима В.Х., Киселева М.Ф., Кудрявцева С.А., Мельникова А.В., Морарескула Н.Н., Невзорова А.Л., Орлова В.О., Перетрухина Н.А., Полянкина Г.Н., Пускова В.И., Роман Л.Т., Сахарова И.И., Толкачева Н.А., Улицкого В.М., Хачикянц Е.И., Цытовича Н.А., Штукенберга В.И., Anderson D.M., Teber S., Beskow G., Penner E. и др.

В СССР, а затем и в России, для анализа НДС промерзающих грунтов с начала 80-х годов ХХ века используются расчетные аналитические методы (Рекомендации НИИОСП 1985 г.). С 1982 г. в расчетной практике для решения отмеченных задач достаточно успешно используется метод конечных элементов (Полянкин Г.Н.). Развитием численного подхода к моделированию процессов промерзания и пучения являлась программа FREEZE (авторы Фадеев А.Б., Сахаров И.И., Репина П.И.), разработанная в 90-х годах 20-ого столетия. На качественно новой основе в 2002 г. в Санкт-Петербурге была разработана программа Termoground, которая эффективно используется по настоящее время при совместном расчете системы «промерзающее (оттаивающее) основание – сооружение». В аналитических и численных оценках НДС в последних работах фигурирует параметр , называемый коэффициентом анизотропии пучения. Однако методика его установления и влияние на НДС промерзающего грунта не исследовано.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы являлось установление закономерностей проявления явления анизотропии морозного пучения грунтов при различных температурных воздействиях и учет его при моделировании НДС в системе «промерзающее основание – сооружение».

Объект исследования – напряженно-деформированное состояние промерзающего грунта в неодномерной постановке.

Предмет исследования – явление анизотропии морозного пучения глинистого грунта.

Задачи исследования:

1. Экспериментально изучить развитие явления анизотропии морозного пучения при вариации грансостава грунтов, их влажности и действующих отрицательных температур.

2. Выразить показатели анизотропии в математической форме.

3. Разработать программу, позволяющую ввести полученное формульное выражение коэффициента анизотропии в программный модуль Termoground.

4. Выполнить цикл температурных расчетов и расчетов НДС в системе «промерзающее основание – надземная часть сооружения» для реального объекта с учетом полученного выражения для коэффициента анизотропии и показать их эффективность по сравнению с расчетами, существовавшими ранее.

Научная новизна исследования:

– теоретически обоснована необходимость учета коэффициента анизотропии морозного пучения при промерзании грунтов;

– на основе экспериментальных данных установлена зависимость коэффициента анизотропии морозного пучения от температуры, влажности и числа пластичности грунта;

– доказано влияние коэффициента анизотропии на НДС наземных конструкций при промерзании основания, установленного при численном обсчете малых лабораторных образцов и на примере крупномасштабного объекта.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

– установлены закономерности развития деформаций морозного пучения в неодномерной постановке, определяющих характер развития и величину коэффициента анизотропии морозного пучения;

– предложена новая методика расчета напряженно-деформированного состояния основания зданий и сооружений в неодномерной постановке при учете коэффициента анизотропии морозного пучения.

Методология и методы исследования

– теоретические исследования влияния коэффициента анизотропии на НДС грунтового массива и конструкций ограждения котлована методом конечных элементов;

– экспериментальные лабораторные исследования коэффициента анизотропии морозного пучения на малых образцах в зависимости от влажности, числа пластичности и температуры;

– анализ и обобщение полученных экспериментальных результатов и определение формульной зависимости для определения коэффициента анизотропии морозного пучения;

– корректировка существующего программного модуля Termoground для решения задач неодномерного промерзания с учетом коэффициента анизотропии морозного пучения.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения, п.5 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструкций и способов устройства оснований и фундаментов в особых инженерно-геологических условиях: на слабых, насыпных, просадочных, засоленных, набухающих, закарстованных, вечномерзлых, пучинистых и других грунтах».

Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается:

– применением основных положений и моделей механики деформированного твердого тела и мерзлых грунтов;

– корректностью постановки и достаточным объемом экспериментальных исследований (50 экспериментов);

– сравнением рассчитанных и экспериментальных данных на крупногабаритном реальном объекте.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на научных форумах: Конференция, посвященная памяти профессора СПбГАСУ Александра Борисовича Фадеева «Численные методы расчётов в практической геотехнике» (СПбГАСУ, 2012г.); Международный научно-практический семинар по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (ПГУПС, 2012г.); 63-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства» (СПбГАСУ, 2010г.); 64-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых (СПбГАСУ, 2011г.); Международный конгресс, посвященный 180-летию СПбГАСУ, «Наука и инновации в современном строительстве – 2012» (СПбГАСУ, 2012г.); Международная конференция «Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства в условиях Крайнего Севера» (Якутск, 2012г.).

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 130 страниц текста, 71 рисунок, 13 таблиц; список литературы содержит 115 источников.

II. ОСНОВНые положения диссертации,

выносимые на защиту

  1. Теоретически обоснована необходимость учета коэффициента анизотропии морозного пучения при промерзании грунтов

Грунты представляют собой дисперсные образования, поровое пространство которых в природных условиях в той или иной степени заполнено водой. При промерзании грунтов объем их увеличивается ввиду перехода в лед воды, заполняющей поры до начала промерзания и подтянутой к фронту промерзания при миграции. Расчетная оценка НДС промерзающего основания должна учитывать особенности развития деформаций и вызванных этими деформациями напряжений.

В отличие от идеализированных сред, описываемых аппаратом термоупругости, объемные деформации грунтов, обусловленные морозным пучением, существенно зависят от направления теплоотвода. При этом многие наблюдения и некоторые эксперименты показывают, что деформации пучения максимальны в направлении фронта промерзания и минимальны (но, как правило, не равны нулю) в направлении, перпендикулярном фронту. Это явление получило название анизотропии морозного пучения. Его мерой является коэффициент анизотропии пучения, вычисляемый по выражению:

(1)

где гор и верт - горизонтальная и вертикальная составляющая деформаций пучения.

Явление анизотропии морозного пучения специально не изучалось. Значения этого коэффициента, полученного из опытов, приводится в работах Кима В.Х., Мельникова А.В. и некоторых других. Учет коэффициента анизотропии предусмотрен в конечноэлементных программах Полянкина Г.Н.; Фадеева А.Б., Сахарова И.И., Репиной П.И. (в программе FREEZE); в программе Тermoground, разработанной специалистами СПбГАСУ, ПГУПС и ПИ «Геореконструкция». Однако в указанные программы коэффициент анизотропии вводится в виде конкретных, полученных в ходе частных определений, значений, а методика его использования и влияние на конечное НДС неизвестно.

С целью выяснения влияния коэффициента анизотропии пучения на НДС промерзающих оснований в рамках программы Тermoground был выполнен ряд тестовых расчетов. Программа Тermoground была разработана в 2002 г. Кудрявцевым C.А., Сахаровым И.И., Парамоновым В.Н. и Шашкиным К.Г. Эта программа позволяет решать задачи теплопроводности и НДС в пространственной постановке.

Первоочередной задачей было установление НДС в массиве грунта при его одномерном промерзании с поверхности. Значения коэффициента анизотропии изменялись от 1 (равнообъемное пучение) до -1 (сокращение объема по направлению, перпендикулярному теплоотводу. По результатам расчетов значения горизонтальных напряжений при равнообъемном пучении для водонасыщенного суглинка составили около 500 кПа. Очевидно, напряжения такой величины в поверхностных горизонтах способны привести к течению грунта в вертикальном направлении с соответствующим увеличением вертикальных деформаций. И, хотя равнообъемное пучение при одномерном промерзании, по-видимому, практически не достижимо, горизонтальные напряжения даже существенно меньших значений могут оказывать ощутимое влияние на НДС системы «промерзающее основание – сооружение».

Следующей тестовой задачей являлась оценка эволюции НДС при промерзании бортов котлована. Рассматриваемая задача, расчетная схема которой показана на рис. 1, является двухмерной. В тестовом примере исследовался случай 3-месячного промерзания однородного суглинка. Крепление бортов котлована было представлено шпунтовой стенкой с одной распоркой в верхнем горизонте.

 Расчетная схема задачи. Котлован-2

Рис. 1. Расчетная схема задачи. Котлован глубиной 5 м и шириной 10 м

Ввиду симметрии при решении рассматривалась половина расчетной схемы. Результаты строгого решения температурной задачи показаны на рис. 2. Как можно заметить, после 3-х месячного промерзания толщина слоя мерзлого грунта колеблется от 1.5 в верхней зоне до 0.75 м у внутреннего угла.

Рис. 2. Максимальная глубина промерзания вдоль контура выемки, м

При установлении НДС в задаче задавались различные значения . При изменении наблюдались существенные изменения всех параметров НДС системы «промерзающий грунт – раскрепленное ограждение котлована». Наиболее значительными были изменения усилий в распорке, показанные на рис. 3. Так, усилия в распорке до начала промерзания составляли около 20 кН/п.м. По мере промерзания в зависимости от значений коэффициента анизотропии наблюдается монотонное изменение усилий в ходе промерзания. Оставляя без комментариев влияние отрицательных значений , возможность существования которых встречается в единичных публикациях, следует отметить существенный рост усилий в распорке, превышающих 200 кН для равнообъемного пучения (при =1). Очевидно, эти значения являются наибольшими из всех возможных и маловероятны в реальных условиях. Однако и существенно меньшие положительные значения коэффициента анизотропии морозного пучения ведут к увеличению усилий в распорке в несколько раз.

 Графики изменения усилий в распорке-4

Рис. 3. Графики изменения усилий в распорке в ходе промерзания при различных коэффициентах анизотропии

  1. На основе экспериментальных данных установлена зависимость коэффициента анизотропии морозного пучения от температуры, влажности и числа пластичности грунта

Исследование деформаций морозного пучения проводилось на образцах грунта разного гранулометрического состава, представленных глинами, суглинками и супесями. Форма образцов была выбрана цилиндрической при отношении диаметра к высоте в пропорции 1:2, что является традиционным при исследованиях морозного пучения грунтов. Для проведения экспериментов был сконструирован лоток из оргстекла размерами 25 см на 15 см высотой 10 см. В полученную сухую массу добавлялась вода в разных пропорциях для получения определенной влажности. Влажный грунт помещался слоями по 1,5-2 см в лоток и выдерживался под нагрузкой в течение 24 часов. Процедура повторялась до полного заполнения лотка пастой. После этого режущими кольцами высотой 7,6 см диаметром 3,8 см вырезались образцы и помещались в латексную оболочку. При этом оболочка не ограничивала деформаций образца при промерзании.

Готовые образцы помещались в холодильную камеру в лаборатории СПбГАСУ партиями по 3-6 штук. Холодильная установка ИФ-56 позволяла создавать и поддерживать в климатической камере необходимую отрицательную температуру до -25оС. Хладагентом являлся фреон. Температура в камере регулировалась с помощью терморегулятора.

Образцы промораживались при отсутствии и наличии боковой теплоизоляции. В качестве теплоизолятора использовалась пластиковая оболочка и минеральная вата. После проведения замеров образца (высота и диаметры в нижней, верхней и средней частях) при помощи электронного штангенциркуля на месте замеров ставились метки. После полного промораживания по меткам на образцах повторно замерялись геометрические размеры. Время полного замерзания образца определялось экспериментально, с помощью температурных датчиков, установленных в местах, отмеченных метками. Вычислив объемы и линейные размеры образца, получали значения деформаций как отношение конечных размеров к начальным. Коэффициент анизотропии вычислялся по выражению (1).

Все опыты по промерзанию проводились по закрытой системе. Всего было проведено 50 опытов.

Зависимости значений коэффициента анизотропии пучения от различных факторов приведены на графиках рис. 4-11.

Рис. 4. График зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от температуры для глины

Рис. 5. График зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от температуры для суглинка

Рис. 6. График зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от температуры для супеси

Рис. 7. График зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от влажности для глины

Рис. 8. График зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от влажности для суглинка

Рис. 9. График зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от числа пластичности при Т=-5 0С

Рис. 10. График зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от числа пластичности при Т= -10 0С

Рис. 11. График зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от числа пластичности при Т= -15 0С



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.