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:     | 1 ||

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

-- [ Страница 2 ] --

Обработка результатов лабораторных испытаний производилась на основе теории планирования многофакторных экспериментов по Нечаеву К.Н. При этом исследуемый процесс представляется в виде «чёрного» ящика, на входе которого имеется множество факторов x1,x2,…xn, а выход характеризуется параметрами y1,y2,…yk. Искомые параметры в области факторного пространства представляют в виде разложения в ряд Тейлора по степеням факторов, при этом оценки коэффициентов ряда находят в результате статистической обработки заранее спланированного и проведённого многофакторного эксперимента. В итоге получают уравнение регрессии (функцию отклика):

(2)

которое и является математической моделью исследуемого технологического процесса.

Теоретической основой для нахождения коэффициентов b0, bi, bij, bii служит метод наименьших квадратов. Были рассмотрены следующие ожидаемые виды математической модели:

1) (3)

2) (4)

Подбор коэффициентов а0, а1, а2, а3, а4, а5, а6 осуществлялся путем минимизации квадрата невязки. Таким образом для первой математической модели были получены следующие значения коэффициентов:

В данном случае выражение, связывающее коэффициент анизотропии морозного пучения с заданными в исследованиях параметрами, принимает вид:

. (5)

Выражение (5) было принято для дальнейшего анализа, так как для выражения второго вида коэффициенты а4, а5, а6 имеют значения, близкие к нулевым, и их влияние на математическую модель минимально.

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

Для решения теплофизических задач методом конечных элементов в диссертации в качестве основы использован программный модуль Termoground, разработанный в рамках комплекса FEM models.

В модуле Termoground задача промерзания и пучения (оттаивания) решается в два этапа. Первоначально решается задача распределения температур с учетом фазовых переходов «вода-лед» в спектре отрицательных температур.

Конечно-элементная система уравнений теплопроводности имеет вид:

(6)

где []– матрица теплоемкости грунта в мерзлом и талом сосотоянии; T – вектор узловых температур; t – время; – матрица теплопроводности грунта в мерзлом и талом состоянии; – вектор правых частей разрешающей системы уравнений.

В качестве модели грунта используется модель, предложенная Кроником Я.А., в которой теплофизические и термодинамические характеристики грунта являются функциями температуры.

Относительные вертикальные деформации морозного пучения, перпендикулярные фронту промерзания грунта от действия сил морозного пучения, определяются выражением:

(7)

Первая часть формулы отражает относительную деформацию за счет увеличения объема грунта при замерзании предзимней воды, первоначально находящейся в порах грунта. Вторая часть показывает величину относительной деформации за счет увеличения объема при замерзании воды, мигрирующей в промерзающую толщу грунтов. Третья часть показывает величину относительных деформаций за счет образования морозобойных трещин в грунте при промерзании.

В матричной форме вектор деформаций представлен в следующем виде:

где – коэффициент анизотропии морозного пучения; lsx, lsy, lsz – направляющие косинусы к ориентированному направлению S температурного градиента, который добавляется в виде вектора дополнительных узловых сил в систему уравнений равновесия:

(9)

где – матрица упругих свойств элемента; V – объем элемента.

В диссертации выполнено сопоставление результатов моделирования деформаций пучения грунта на примере малых образцов, испытанных в лабораторных условиях, а также проверка работоспособности формулы (5) для коэффициента анизотропии морозного пучении. Для этого по имеющимся размерам лабораторных образцом была составлена конечно-элементная модель в программном модуле Termoground.

Выполнен цикл задач с различными значениями коэффициента анизотропии, полученными расчетом по формуле (5) в зависимости от вида грунта, и проведено сравнение результатов с результатами расчетов с нулевыми значениями коэффициента анизотропии. В качестве примера на рис. 12-13 показано сопоставление горизонтальных и вертикальных перемещений при учете коэффициента анизотропии морозного пучения по аналитической зависимости (5) и без его учета, из которого следует, что опытные и расчетные данные при учете коэффициента анизотропии весьма близки друг другу. Сопоставление объемных деформаций приведено в табл. 1.

Рис. 12. Сопоставление горизонтальных перемещений, рассчитанных численным методом при коэффициентах анизотропии 1,3 и 0 (А, В), с экспериментальными данными (Б) для образцов из глины

Рис. 13. Сопоставление вертикальных перемещений, рассчитанных численным методом при коэффициентах анизотропии 1,3 и 0 (А, В), с экспериментальными данными (Б) для образцов из глины

Таблица 1.

Сопоставление объемных деформаций пучения, полученных лабораторными испытаниями, с численным расчетом

Название грунта Влажность,W Температура, Т,0С Число пластичности, Ip Коэфф. анизотро-пии, Объемная деформация
Лабора-торная При расчетном При =0
Глина 0.3 -10 27.7 1.3 11.93 11.75 3.91
Суглинок 0.3 -10 16.3 0.57 4.64 5.38 2.91
Супесь 0.3 -10 5.3 -0.2 3.14 3.33 2.35

Анализируя полученные данные в таблице, можно констатировать, что коэффициент анизотропии морозного пучения существенно влияет на величину объемной деформации пучения. Например, для образцов из глины при коэффициенте анизотропии, равном 1,3 (полученным численным расчетом), объемная деформация составила 11,75%, а при коэффициенте анизотропии, равном 0, только 3,91%. В лабораторных опытах объемная деформация образца составила 11,93%, и можно заметить, насколько точнее оказался результат. Относительная погрешность для объемной деформации при =1,3, составила всего 1,5%, а при =0 – 66%. Аналогично, для суглинка =13% при =0,57, =45% при =0; для супеси =5,5% при =-0,2, =29% при =0. Таким образом, доказано, что учет ненулевого, определенного по формуле (5), коэффициента анизотропии в расчетах позволяет получать более корректные результаты расчетов деформаций морозного пучения глинистых грунтов.

Как показано выше, учет коэффициента анизотропии морозного пучения по выражению (5) существенно приближает значения расчетных деформаций малых образцов при температурных воздействиях к экспериментальным данным, однако следует оценить его влияние и при анализе НДС реальных объектов. В качестве такого объекта было выбрано здание электроподстанции, строительство которого было приостановлено и здание простояло незаконсервированным в течение 2 лет. В результате морозного пучения грунтов основания здание деформировалось, а в стенах образовались трещины. Обследование здания, наблюдения за динамикой раскрытия трещин и лабораторные исследования свойств грунтов основания здания осуществлялись автором.

Двух-трех этажное здание электроподстанции в Ленинградской области представляло собой объект незавершенного строительства, начатого в 2008 году. В процессе строительства работы неоднократно приостанавливались вследствие отсутствия финансирования. Здание имеет прямоугольную форму в плане размерами 36х11,47 м. Фундаменты под стены сборные ленточные, под колонны монолитные столбчатые железобетонные. Особенностью здания является наличие внутри, вдоль наружных стен, железобетонных каналов с относительной отметкой днища -1,32 м.

Инженерно-геологические условия площадки характеризуются толщей озерно-ледниковых отложений, представленных суглинками, являющимися среднепучинистыми грунтами. В результате промерзания и пучения грунтов основания в наружных стенах были зафиксированы трещины с раскрытием до 30 мм (рис. 14).

 Характерная сквозная трещина в-28

Рис. 14. Характерная сквозная трещина в средней части здания с раскрытием до 30 мм

Для решения задачи была составлена конечно-элементная расчетная схема в базовом программном комплексе FEM Models. Расчетная схема задачи приведена на рис.15. В расчетную схему введены элементы грунта, фундаментов и наземных конструкций здания. Грунты, фундаменты, стены и пилястры моделировались объемными элементами, колонны и балки – стержневыми элементами, а перекрытия и покрытие – оболочечными конечными элементами. Толщина грунтового массива задана из расчета глубины сжимаемой толщи равной 12 м. Всего расчетная схема содержала более 100 тысяч конечных элементов.

Рис. 15. Расчетная схема задачи с разбивкой на конечные элементы (здание с основанием)

С помощью модуля Termoground, описанного выше, предварительно решалась температурная задача. В качестве граничных условий принимались условия первого рода. Для этого требовалось задать температуру на дневной поверхности, которая принималась по данным мониторинга на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области с сайта pogoda.ru.net.

Расчетный период должен был охватывать, по крайней мере, последний зимний сезон, когда возведенное здание стояло без отопления. В связи с этим расчет выполнен на период с октября 2009 г. по июнь 2010 г. Время решения температурной задачи составило около суток на компьютере последнего поколения. Некоторые результаты решения температурной задачи приведены на рис.16.

Рис. 16. Максимальная глубина промерзания основания по одному из поперечных сечений здания, м

Следующим этапом расчетов была оценка влияния учета коэффициента анизотропии морозного пучения на деформации здания. Как показано выше, мощность промерзшего слоя непостоянна на всей протяженности объекта, а температуры меняются в зависимости от рассматриваемой глубины. Влажность так же не является постоянной характеристикой. Из вышесказанного следует, что задавать для каждого слоя грунта постоянный коэффициент анизотропии некорректно, а вычисление и задание его для каждого элемента на крупногабаритных моделях без дополнительного расчетного модуля трудоемко. Поэтому автором был разработан программный модуль, который при переносе температурных данных также задает каждому элементу собственное значение коэффициента анизотропии на каждый момент времени в зависимости от температуры, влажности и числа пластичности конечного элемента (рис.17). Фрагменты кода, внесенные автором для элементов «Температурное расширение анизотропия» и «Чтение температур и влажности по шагам анизотропия» представлены в Приложении к диссертации.

 Фрагмент библиотеки элементов-31

Рис. 17. Фрагмент библиотеки элементов программного модуля «Termoground» с указанием новых, разработанных автором элементов

На рис. 18 приведены эпюры подъема обреза фундамента с учетом жесткости наземной конструкции. Для полной оценки влияния коэффициента анизотропии морозного пучения на результаты решения задачи совместного расчета здания с испытывающим промерзание основанием на рис. 19, также как и на рис. 20, выделены зоны, где растягивающие напряжения в кирпичной кладке превышают допустимое расчетное сопротивление 120 кПа. Заметим, что зоны сосредоточены рядом с оконными и дверными проемами, в верхней части здания, расположенной точно под максимальным подъемом основания после промерзания, и в нижней части по всему периметру.

Рис.18. Графики расчетного подъема фундаментов здания при морозном пучении и учете жесткости наземных конструкций при включении коэффициента анизотропии морозного пучения в характеристики основания

Рис.19. Зоны, в которых растягивающие напряжения больше расчетного сопротивления кладки на растяжение при учете коэффициента анизотропии морозного пучения, рассчитанного по формуле (5)

Рис. 20. Сравнение зон ожидаемых трещин, полученных расчетами, с фактическим расположением трещин в продольных наружных стенах

Таким образом, можно сделать вывод о том, что учет коэффициента анизотропии морозного пучения приближает результаты расчетов к фактически наблюдаемым значениям и расширяет картину представления о НДС основания здания при промерзании и пучении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих методов оценки деформации морозного пучения при неодномерном промерзании показывает, что в большинстве методик авторы включают в расчет коэффициент анизотропии морозного пучения, однако экспериментально этот коэффициент не исследован.

2. Лабораторные исследования, проведенные на малых образцах, показали, что на значение коэффициента анизотропии морозного пучения существенное влияние оказывают влажность, гранулометрический состав грунта (содержание глинистых частиц) и температура. При увеличении каждого из этих показателей наблюдается рост значений коэффициента анизотропии морозного пучения. Получены графические зависимости по лабораторным испытаниям.

3. Анализ и обработка данных лабораторных испытаний на основе теории планирования многофакторных экспериментов позволили определить коэффициент анизотропии морозного пучения, который в первом приближении имеет вид:

.

Данная математическая зависимость охватывает все рассмотренные параметры в пределах t= -5 – -15 0 С.

4. Учет переменности коэффициента анизотропии морозного пучения, установленного в лабораторных условиях, при обсчете экспериментов с малыми образцами в программном модуле «Termoground», позволил существенно приблизить результаты расчетов к данным экспериментов. Однако при решении задач с большим количеством конечных элементов в основании возникает сложность с заданием во входящие параметры коэффициента анизотропии из-за неравномерности промерзания, слоистости структуры основания и изменения влажности при миграции к фронту промерзания. Для решения этой задачи разработан расчетный модуль, задающий значение коэффициента анизотропии морозного пучения каждому элементу основания в зависимости от фактической температуры грунта и накопленной влажности.

5. Цикл температурных расчетов и расчетов НДС в системе «промерзающее основание – надземная часть сооружения» для реального объекта с учетом полученного выражения для коэффициента анизотропии показал эффективность его учета в сравнении с задачами, где коэффициент анизотропии морозного пучения принимал нулевые значения. Появление дополнительных зон в кирпичной кладке, в которых горизонтальные напряжения по расчету превышают 120 кПа (зоны ожидаемых трещин), в местах, соответствующих наблюдениям, в том числе и в нижней части здания, свидетельствует о том, что учет коэффициента анизотропии морозного пучения, полученного экспериментально, приближает результаты расчетов к фактически наблюдаемым значениям и расширяет картину представления о НДС основания и конструкций здания при промерзании и пучении грунта.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

  1. Парамонов, М.В. Опыт совместного расчета здания с испытывающим промерзание основанием / М.В. Парамонов, И.И. Сахаров, В.Н. Парамонов // Жилищное строительство. – М., 2011. – С. 10-14.
  2. Парамонов, М.В. Процессы промерзания и оттаивания при устройстве подземных и заглубленных сооружений / М.В. Парамонов, В.Н. Парамонов, И.И. Сахаров // Жилищное строительство. – М., 2012. – С.21-26.
  3. Парамонов, М.В. Исследование линейных и объемных деформаций морозного пучения в лабораторных условиях / М.В. Парамонов // Вестник гражданских инженеров. – СПб., 2012. – №6(35). – С.84-86.

В других изданиях:

  1. Парамонов, М.В. Численная оценка деформаций каркасного здания при промерзании и оттаивании свайного основания / М.В. Парамонов, И.И. Сахаров // Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства в условиях Крайнего Севера: материалы международной конференции. – Якутск, 2012. – С.122-128.
  2. Парамонов, М.В. Численная оценка влияния морозного пучения на НДС укрепленных стен котлованов / М.В. Парамонов, И.И. Сахаров // Численные методы расчетов в практике геотехники: сборник трудов научно-технической конференции. – СПб.: СПбГАСУ, 2012. – С.159-164.


Pages:     | 1 ||
 





 
© 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.