автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Численное моделирование влияния миграционной влаги в промерзающем и оттаивающем глинистом грунте на прочностные характеристики основания

На правах рукописи

КАЖАРСКИЙ Алексей Витальевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИГРАЦИОННОЙ ВЛАГИ В ПРОМЕРЗАЮЩЕМ И ОТТАИВАЮЩЕМ ГЛИНИСТОМ ГРУНТЕ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВАНИЯ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005541664

Хабаровск 2013

005541664

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» на кафедре «Железнодорожный путь, основания и фундаменты»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Кудрявцев Сергей Анатольевич

Официальные оппоненты: Сахаров Игорь Игоревич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Геотехника»

Чудинов Юрий Николаевич

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», доцент кафедры «Строительство и архитектура»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный

университет» г. Хабаровск

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.092.03 при ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, проспект Ленина, 27, ауд. 201/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте: http://vak.ed.gov.ru/.

Автореферат разослан « и .» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф-м. н.

Зарубин М.М.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Одной из приоритетных задач государственной программы социально-экономического развития Дальнего Востока и Забайкалья, утвержденной распоряжением Правительства РФ 29 марта 2013г., является совершенствование транспортной и энергетической инфраструктуры региона. Предусматривается увеличение пропускной способности Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей, расширение портовой и аэродромной сетей, увеличение объемов строительства автомобильных и железных дорог, развитие электроэнергетики. Реализация названных задач в сложных природно-климатических условиях Дальневосточного федерального округа во многом определяется эффективностью методов проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации сооружений в сезоннопромерзаю-щих и вечномерзлых грунтах, позволяющих прогнозировать все возможные неблагоприятные состояния оснований с учетом меняющихся свойств грунтов.

Строительство и эксплуатация сооружений в условиях Дальневосточного региона связаны со сложными природно-климатическими и инженерно-геологическими условиями. В этом случае, при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, необходимо выполнять многофакторную оценку, позволяющую расчетным путем прогнозировать все возможные неблагоприятные воздействия и предусматривать эффективные конструктивные мероприятия, исключающие их.

В настоящее время процессы, происходящие непосредственно в природном массиве грунта, мало изучены. Современные программные комплексы расчета промораживаемых и оттаивающих оснований направлены, в основном, на решение либо теплофизических, либо влагопроводных задач и не учитывают совместную оценку напряженно-деформированного состояния грунта под сооружением и окружающего массива от сил, возникающих в процессе промерзания, морозного пучения и оттаивания.

В настоящей работе проведено исследование влияния температурно-влаж-ностного режима промораживаемого и оттаивающего грунта на напряжено-деформированное состояние сооружения и его основания.

Численное моделирование температурно-влажностного режима, напряженно-деформированного состояния основания проведено с использованием метода конечных элементов, что позволяет произвести количественный и качественный анализ напряженно-деформированного состояния сооружения и его основания, а так же решить ряд теплотехнических задач.

В настоящей работе предложена математическая модель грунта, адекватно описывающая совместное решение температурной и влагоповодной задач и позволяющая произвести совместную оценку напряженно-деформированного состояния основания и сооружения в процессе оттаивания.

Степень разработанности темы исследования.

В настоящее время накоплен обширный материал об изменении влажности в промерзающих грунтах и обусловленных ею деформациях и силах пучения.

Обобщенные результаты исследований данного направления приведены в отечественной и зарубежной литературе (Ершов Э.Д., Иванов Н.С., Порхаев Г.В., Пчелинцев А.М., Тютюнов И.А., Орлов В.О., Фельдман Г.М., Федоров В.И, Чеверев В.Г., Corte А.Е., Xu X., и др.).

Ввиду чрезвычайной сложности процесса миграции влажности и влияния на нее множества внешних факторов (градиентов давления, температуры, влагосо-держания) и физических свойств грунтов (дисперсности, пористости, плотности, минерального состава и т.д.) физика этого явления недостаточно раскрыта. Существует более тридцати теорий процесса миграции влаги при промерзании грунтов, в разработку которых значительный вклад внесли русские ученые: Ершов Э.Д., Далматов Б.И., Крылов М.М., Кудрявцев В.А., Кудрявцев С.А., Лукьянов В. С., Мельников П.И., Нерсесова З.А., Орлов В.О., Сахаров И.И., Сумгин М.И., Тютюнов И.А., Фадеев А.Б., Фельдман Г.М., Цытович H.A., Чеверев В.Г., Чистотинов JI.B., Шимановский С. В. и др.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка математической модели глинистого грунта, которая позволяет учитывать изменение прочностных характеристик оттаивающего основания из-за изменения влажности в процессе промерзания.

Объект исследования — напряженно-деформированное состояние оттаивающего глинистого грунта при увеличении влажности в процессе промерзания.

Предмет исследования - изменение прочностных характеристик оттаивающего глинистого грунта в условиях температурно-влажностного воздействия.

Задачи исследования:

1. Выполнить анализ основных направлений исследований по оценке миграции грунтовой влаги и процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания;

2. Разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния глинистого грунта в условиях температурно-влажностного воздействия, позволяющую учитывать влияние накопленной миграционной влаги в оттаивающих глинистых грунтах, на прочностные характеристики грунтов основания;

3. Исследовать экспериментальным путем влияние изменения влажности на прочностные характеристики глинистого фунта в приборе трехосного сжатия;

4. Установить зависимость изменения прочностных характеристик фунта от изменения влажности в глинистых фунтах на основе экспериментальных данных;

5. Разработать устойчивый алгоритм численного моделирования, позволяющий исследовать влияние температуры и влажности на прочностные характеристики глинистого фунта в процессе промерзания и оттаивания;

6. Выполнить численную оценку эффектов, проявляющихся при оттаивании переувлажненного основания в процессе промерзания, в связи со снижением прочностных показателей глинистых фунтов;

7. Провести оценку адекватности разработанной модели путем сопоставления результатов численных и натурных экспериментов по исследованию влияния температуры и влажности на напряженно-деформированное состояние фунтов.

Научная новизна исследования:

- результаты экспериментального исследования влияния влажности на прочностные характеристики глинистого грунта при трехосном сжатии;

- математическая модель грунта, учитывающая влияние миграционной влаги в промерзающих и оттаивающих глинистых грунтах на изменение прочностных характеристик грунтов основания, реализованная методом конечных элементов;

- зависимости и конструктивные решения для исследуемых процессов и объектов, полученные с помощью разработанной математической модели.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработанная математическая модель позволяет учитывать изменение прочностных свойств глинистых грунтов в широком диапазоне температурно-влажностного воздействия;

- результаты численного моделирования основания в условиях взаимодействия с надземными конструкциями позволяют локализовать опасные участки, разработать конструктивные мероприятия, уменьшить материалоёмкость проектируемых сооружений, их трудозатраты и стоимость.

Методология и методы исследования:

- проведение натурных экспериментов с использованием типовых методик по исследованию влияния влажности и температуры на изменение прочностных свойств грунтов;

- исследование влияния влажности талых фунтов на сопротивление не-дренированнному сдвигу на базе лабораторного эксперимента;

- проведение численных экспериментов с помощью разработанной математической модели грунта, позволяющей описать деформации талого грунта с учетом влияния на его прочностные свойства температуры и влажности с последующей оценкой адекватности получаемых результатов.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, п.1 «Разработка новых математических методов моделирования объектов и явлений», п.5 «Разработка новых математических методов и алгоритмов интерпретации натурного эксперимента на основе его математической модели.», п.6 «Разработка новых математических методов и алгоритмов проверки адекватности математических моделей объектов на основе данных натурного эксперимента».

Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается:

- использованием при построении математической модели общепринятых теоретических положений механики деформированного твердого тела и механики мерзлых грунтов;

- тестированием разработанной математической модели путем сравнения результатов расчета с результатами экспериментов, выполненных при одинаковых исходных данных;

- разработанный программный модуль зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на 8 региональных, российских и 10 международных конференциях, часть из которых: научный семинар Института машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Комсомольск-на-Амуре, ноябрь 2013 г.); 1-ый Международный симпозиум по транспортным грунтовым сооружениям в холодных регионах (Синин, КНР, август 2013 г.); V Международный геотехнический симпозиум (Национальный Инчхонский университет, Республика Корея, май 2013 г.); ГУ Международный геотехнический симпозиум «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (ДВГУПС, Хабаровск, июль 2011 г.); четвертая конференция геокриологов России, посвященная 100-летаю со дня рождения основателя кафедры геокриологии В.А. Кудрявцева (МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва, июнь 2011 г.); Международная научно-практическая конференция, посвященная 45-летию Целиноградского инженерно-строительного института «Современная архитектура, строительство и транспорт: Состояние и перспективы развития» (Астана, Республика Казахстан, май 2009 г.); Международная конференция по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (ПГУПС, Санкт-Петербург, июнь 2008 г.).

Внедрение научных результатов диссертации подтверждено актом внедрения результатов исследований ОАО «Росжелдорпроект» филиал Хабаровский проектно-изыскательский институт «Дальжелдорпроект» для объектов строительства на Дальневосточной железной дороге, актом о внедрении результатов исследований ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» при выполнении научно-исследовательских работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Работа содержит 148 страниц текста, 57 рисунков, 4 таблицы; список литературы содержит 120 источников.

П. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Результаты экспериментального исследования влияния влажности на сопротивление сдвигу на приборе трехосного сжатия

Основной причиной недопустимых деформаций сооружений при оттаивании являются деформации грунтов оснований. Для определения корреляционной зависимости сопротивления недренированному сдвигу С„ пылеватых суглинков южной части Дальнего Востока от изменения влажности были проведены лабораторные исследования.

Эти исследования проводились методом трехосного сжатия по ГОСТ 12248-96.

Параметры прочности и деформативности грунтов определялись по результатам стабилометрических испытаний цилиндрических образцов грунта в камере

трехосного сжатия автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса АСИС, разработанного в ООО «НПП «Геотек».

Согласно ГОСТ 5180-84 высота образца принималась равной 76 мм, а диаметр 38 мм. Для определения сопротивления недреннированного сдвига водона-сыщенных фунтов была принята схема неконсолидированно-недренированного испытания. До и после испытаний проводилось определение влажности образца, которая является основным показателем состояния грунтов.

Испытания проводились сериями по 6 образцов с одной влажностью грунта. На рисунке 1 приведен результат испытания суглинка текучепластичного при влажности V/ = 31%.

Вертикальная нагрузка, МПа

Рисунок 1. Определение сопротивления сдвигу С„ суглинка текучепластичного при влажности XV = 31%

Было проведено более 30 испытаний пылеватых суглинков южной части Дальнего Востока. Результаты проведенных в лаборатории ДВГУПС экспериментов влияния изменения влажности на недренированное сопротивление грунта и экспериментальных исследований других авторов представлены на рисунке 2.

Результаты исследований показали, что влияние влажности на недренированное сопротивление сдвигу аппроксимируется экспоненциальным законом:

Си =2,0833 ■«?-<* и?-* > (1)

где уи - влажность грунта.

Полученная зависимость позволяет установить предел текучести глинистого грунта, его прочностные показатели в зависимости от суммарной влажности и его температуры, согласно принятому критерию прочности Кулона-Мора. В дальнейшем она использована для оценки напряженно-деформированного состояния грунтов оснований с учетом снижения прочностных характеристик грунтов из-за изменения влажности.

0,6

то 0.5

S

э

и 0,4

>

S

*

tu 0.S

2

®

а 0.2

& 0,1 -

.....О -

Л

v= 2,0833« 015Л = 0,9071

к

ч.

15 25 К

Влажность W, %

45

Рисунок 2. График зависимости недренированного сопротивления сдвига от влажности

2. Математическая модель грунта, учитывающая влияние миграционной влаги в промерзающих и оттаивающих глинистых грунтах на прочностные характеристики грунтов основания, реализованная методом конечных элементов

Для определения температурных и влажностных полей, напряженно-деформированного состояния грунта использован программный модуль «Termoground». В основу математической модели теплофизических процессов, происходящих при промерзании и оттаивании грунта в программном модуле «Termoground» заложена модель, предложенная H.A. Цытовичем и Я.А Кроником. Программный модуль «Termoground» входит в состав программного комплекса «FEM-models», разработанного в НПО «Геореконструкция». Модуль «Termoground» был разработан И.И. Сахаровым, С.А. Кудрявцевым, В.Н. Парамоновым и К.Г. Шашкиным.

В общем виде алгоритм решения задачи определения напряженно-деформированного состояния грунта при промерзании, морозном пучении и оттаивании сводится к двум этапам. Первый этап - определение температурных и влажностных полей в массиве грунта, второй - решение упругопластической задачи для определения напряжений и деформаций основания.

Решение задачи первого этапа. Процессы промерзания-оттаивания описываются уравнением теплопроводности для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве:

г

^thif) P^--^th(f)

dt

д 2Т д2Т д2Т дх2+ду2+ дz2

+ qv,

(2)

где СГйс /) - удельная теплоемкость грунтов (мерзлого или талого); р — плотность грунта; Г - температура; Г - время; у} - теплопроводность грунтов (мерзлого

или талого); х, у, г - координаты; qv - мощность внутренних источников и стоков тепла.

Приращение влажности на границе фронта промерзания описано функцией, зависящей от скорости промерзания, глубины грунтовых вод до фронта промерзания, эмпирических коэффициентов, зависящих от вида грунта, и определяется согласно экспериментальным исследованиям, выполненными Чистотиновым Л.В.:

AW^ = b ■ exp

C-Vf #

f 7 Л

J_ ¿WL

(3)

. df ,

где 0 < Zwl <df - расстояние от отметки уровня подземных вод (УПВ) до фронта промерзания в расчетный период промерзания; df - глубина промерзания на расчетный период промерзания; b и с эмпирические коэффициенты.

Распределение температурных и влажностных полей является основой для определения напряженно-деформированного состояния при оттаивании. В зависимости от изменения влажности в осенне-весенний период изменяется также не-дренированное сопротивление сдвигу (1), что оказывает влияние на напряженно-деформированное состояние основания.

Решение задачи второго этапа. В основу математической модели учета нелинейной работы грунта принята модель, предложенная В.Н. Парамоновым, которая основывается на классической теории пластического течения.

В теории пластического течения, развитой в трудах Мизеса, Райсса, Прандтля, Ильюшина и д.р., приращения деформаций рассматриваются как сумма приращений упругих и пластических деформаций:

d£ij = dzlj + dzfj, (4)

где dEy.defj - приращения упругих и пластических деформаций элемента.

Приращение упругих деформаций определяется в соответствии с формулами обобщенного закона Гука, а приращение тензора пластических деформаций принимается пропорциональным тензору напряжений:

defj=dk^L. (5)

При решении геотехнических задач используются критерии, в которых отражается увеличение сопротивления сдвигу при увеличении гидростатического давления, Кулона-Мора:

т = с„ + о • tgcp (6)

или в главных напряжениях:

СТ! -СТ3

01 + Сз + 2 • си ■ ctg<p

= sm ср. (7)

Численная реализация модели связана с существенной физической нелинейностью, поскольку при малых нагрузках необратимые деформации грунта значительно преобладают над обратимыми. Для решения физически нелинейной задачи выбран метод «начальных напряжений».

«Упругие» напряжения вычисляются в предположении справедливости закона Гука. Дня условий плоской деформации эти зависимости записываются в виде:

Ох =

Е [е,(1-у)+е,у], (8)

(1-2УХ1 + У)

о? =7-\?-\[етО-^)+еху]. (9)

> (1-2УХ1 + У)

Уху • (Ю)

* 2(1 +у)

Алгоритм решения задачи определения напряженно-деформированного состояния грунта при промерзании, морозном пучении и оттаивании также состоит из двух этапов.

Алгоритм решения задачи первого этапа:

1. Формируется матрица жесткости системы.

2. Устанавливаются начальные и граничные условия.

Осуществляется цикл по шагам 1 = 0, К, в рамках которого:

а) Решается система уравнений, в результате чего вычисляется температура грунта, по уравнению (3) определяется приращение влажности грунта.

б) Если температура грунта меньше температуры начала замерзания (началось промерзание/оттаивание), в правую часть уравнения (2) к qv добавляется или вычитается выброс/поглощение тепла, происходит фазовый переход.

Алгоритм решения задачи второго этапа.

1. Формируются начальные поля температуры, влажности грунта, направляющих косинусов, деформации пучения с каждого шага 1 этапа.

2. Формируется матрица жесткости системы и вектор приращений узловых сил (внешние нагрузки, деформации пучения или оттаивания).

3. Обнуляется вектор накопленных напряжений {а„}.

4. Решается система уравнений, и вычисляется вектор приращений перемещений.

Далее осуществляется цикл по числу элементов / = 1, М, в рамках которого:

а) По найденным приращениям перемещений вычисляются приращения деформаций и, по закону Гука, приращения напряжений {с1ае}.

б) Вычисляются суммарные осевые напряжения {о,}:

{сЛ = К}+{ЛгЛ-{о»}

в) Вычисляются суммарные главные напряжения аь аз и угол их наклона к глобальным осям а.

г) Вычисляются инварианты напряжений т и р.

д) Вычисляются «теоретические» инварианты напряжений в соответствии с изложенной процедурой.

е) Вычисляются главные «теоретические» напряжения.

ж) Вычисляются осевые «теоретические» напряжения по формулам:

атх=а\ ■ cos2 а + О3 ■ л'л2 а;

= of • sin2 а + о[ ■ cos2 а; ттху = 0,5-оз)• sin2а.

Использование угла а обеспечивает соосность тензора приращений пластических деформаций и тензора напряжений.

з) Вычисляются приращения начальных напряжений:

{AoH}={cJ-{CTr}.

и) Вычисляются накопленные начальные напряжения:

К} = {о„}-{Аоя}-

к) Вычисляется невязка:

{AF„}=[BF{ao„}A-

л) Невязка добавляется к вектору приращений узловых сил.

м) Проверка достигнутой точности решения. Если хоть один компонент напряжений {Да„} превышает заданную допустимую величину, то вводится признак необходимости продолжения итераций.

После окончания цикла по элементам выполняются логические операции: -если напряжения больше предельно допустимых критерия Мора-Кулона (уравнение 7), то решается уравнение (1), учитывающее снижение сцепления недрени-рующему сдвигу в зависимости от влажности.

-если признак продолжения итераций введен, то выполняются операции, начиная с пункта 3 приведенного выше алгоритма.

3. Результаты численного моделирования температурных и влажност-ных режимов работы, напряженно-деформированного состояния исследуемых объектов

В Архангельском государственном техническом университете (АГТУ) разработана и успешно используется установка, позволяющая промораживать образцы грунтов с любой скоростью, определять деформации морозного пучения в различных направлениях, а также останавливать фронт промерзания для наблюдения за ростом прослоек льда. Эта установка была использована для тестирования разработанной математической модели.

Для анализа достоверности результатов численного моделирования температурных и влажностных полей был проведен численный эксперимент с исходными данными натурного эксперимента по определению влажности и глубины промерзания грунта.

Во время опыта образец, заключенный в обойму, поднимался с заданной скоростью из утепленной емкости и постепенно промораживался. Температура в холодильной камере поддерживалась равной Т = -5 °С, а в приборе Т = +4 °С. Образец диаметром D = 100 мм и высотой 150 мм промораживался до величины df = 50 мм.

Расчетная схема составлена в соответствии с экспериментом, проведенным в лаборатории кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов Архангельского государственного технического университета.

На рисунке 4 представлена расчетная схема численного эксперимента (а) и эпюра распределения температуры грунта на конечный период промерзания (б). В численном эксперименте глубина промерзания составила такую же величину, что и в опытах df - 5 см.

На рисунке 5, а представлена эпюра распределения влажности грунта в промерзшем образце, которая в период промерзания увеличилась на 79 %. Влажность до эксперимента с приращением влажности в процессе промерзания вызвала деформацию морозного пучения до 3.5 мм (рисунок 5, б).

Величина морозного пучения промерзшего образца при численном расчете равна 4.2 мм, т.е. разница в значениях численного расчета и эксперимента составляет не более 17%. В данных граничных условиях при оттаивании промороженного образца результаты эксперимента и численного расчета показали практиче-

а

Рисунок 4. Расчетная схема численного эксперимента (а) и эпюра распределения температуры грунта на конечный период промерзания (б)

-TERMOGROUND -»-ОПЫТ

ски одинаковые значения, т.е. распученный образец возвращается в свое первоначальное положение до начала процесса промерзания.

0.0045

^ 0.004 S,

^ 0.0035 =

= 0.003

а

Я

В 0.0025 я

| 0.002

* 0.0015

а*

В

f 0.001 s-

0.0005 О

Время, час

Рисунок 5. Эгаора распределения влажности в промерзающем грунте на конечный период промерзания (а) и развитие вертикальной деформации морозного пучения и оттаивания во времени (б)

Промерзание, морозное пучение и оттаивание грунта являются сложными термодинамическими процессами в промерзающих основаниях. Количественная оценка деформаций грунтов, связанных с морозным пучением и оттаиванием, является одной из сложных задач геомеханики. Основной трудностью решения указанной задачи является необходимость учета изменения состояния грунтов промерзающего и оттаивающего основания и теплофизических характеристик среды в нестационарных условиях. Это обусловлено тем фактом, что в процессе промерзания и оттаивания одновременно с изменением температурного поля имеет место миграция влаги к фронту промерзания.

При проведении исследований процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания целесообразно учитывать зависимость относительной деформации морозного пучения от скорости промерзания грунтов основания, так как процесс морозного пучения в значительной степени обусловлен миграционным подсосом влаги от уровня подземных вод к фронту промерзания.

Исследования отечественных ученых (H.A. Цытович, Я.А Кроник, В.Ф. Киселев, Б.И.Далматов, H.H. Морарескул и др.) показывают, что основным процессом в промерзающих грунтах является перераспределение в них влажности вследствие миграции воды при промерзании. При замерзании воды в грунте изменяются характеристики грунта и его физико-механические свойства. Для анализа изменения характеристик грунта при миграции влаги во время процесса промерзания-

оттаивания в работе проведены исследования и составлены уравнения зависимости сопротивления сдвигу от влажности и от скорости промерзания.

При численном моделировании процессов промерзания и оттаивания пыле-вато-глинистых грунтов г. Хабаровска проводились исследования различной скорости промерзания грунта на напряженно-деформированное состояние основания. Среднемесячная температура воздуха соответствовала интервалу перехода промерзающего грунта в мерзлое состояние от -2 до -9 сС.

Уровень грунтовых вод варьировался в интервале от 1 до 2,5 м от дневной поверхности основания.

На рисунке 6 представлен график изменения температуры в годичном цикле на глубине 0-2 м от поверхности грунта. Среднемесячная температура окружающего воздуха была принята в соответствии со СНиП 2.01.01-82 для г. Хабаровска.

25

20

15 10

а

I о

О.

о»

I -5 £

-10 -15 -20

-25

—«— Н=Ог« —«— Н--0.4М —в—- Н-0.8 м —— Н=1.2м —¡— Н-1.6м -#-Н=2»

Рисунок 6. Распределение температуры по месяцам на глубине Н1 = Ом; Н2 = 0.4м;

Н, = 0.8м; Н, =1.2м; Н5 = 1.6м; Н6 = 2.0м .

Результаты численного исследования изменения влажности в зависимости от скорости промерзания показали, что влажность увеличивается на 68%, а сопротивление сдвигу глинистого грунта снижается в 5 раз.

При увеличении скорости промерзания с 0.03 до 0.07 м/сутки влажность у фронта промерзания увеличивается почти на 50%.

Для уточнения результатов моделирования процесса промерзания с изменением влажности был уменьшен шаг-интервал по времени (временной интервал в один месяц, а один день был разбит на 4 части). Для каждых 6 часов была задана различная температура воздуха в интервале как положительных, так и отрицательных температур. Было проведено 5 серий численного моделирования процесса промерзания с миграционным имением влажности со среднесуточной температурой воздуха: Т, = -2,1 °С; Т2 = -4,2 °С; Т3 = -4,3 °С; Т4 = -6,1 °С; Т5 = -8,5 °С.

Время, месяцы

Рисунок 7. Эпюры изменения влажности грунта в зависимости от скорости промерзания со среднесуточной температурой воздуха: а - Т, = -2,1 °С; б - Тг = -4,2 °С; в - Т3 = -4,3 °С; г - Т4 =-6,1 °С; д - Т5 = -8,5 °С.

Эпюры изменения влажности грунта в зависимости от скорости промерзания представлены на рисунке 7.

Зависимость изменения влажности грунта от скорости промерзания определялась по максимальной глубине промерзания за первые 30 дней с отрицательной температурой и представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Зависимость изменения влажности глинистого грунта от скорости промерзания грунта

О.ОЬ 0.06 0.07

скорость промерканил, м/сут

Из результатов численного моделирования влажность в промерзающих грунтах в функции от скорости промерзания основания можно аппроксимировать следующим образом:

Ж =0.1204/я( V,) +0.6459, (11)

где влажность грунта; V - скорость промерзания м/сутки.

Для эффективного прогноза железнодорожных сооружений в условиях глубокого сезонного промерзания пучиноопасных грунтов и устройства эффективных конструктивных мероприятий защиты требуется совместная оценка

теплофизического и напряженно-деформированного состояния грунтов в процессе их промерзания-оттаивания.

Для численного моделирования противопучинных мероприятий при реконструкции железнодорожных насыпей Сахалина использовалась конструктивная схема земляного полотна, представленная на рисунке 9.

Исследования проводились для климатических условий северной и южной части Сахалинской железной дороги (Ног-лики и Долинск-Южно-Саха-линск). Климатические характеристики среднемесячных и годовых температур воздуха принимались по СП 131.13330.2012.

В виду симметрии насыпи и граничных условий в расчетах рассматривается половина сечения насыпи. Процесс промерзания и морозного пучения насыпей для климатических условий северной части Сахалинской железной дороги (Ноглики), как наиболее суровых.

На рисунке 10 показаны изолинии и эпюры температур в теле насыпи и основании в марте. В виду разной влажности, теплопроводности грунтов и воды в водоотводной канаве создается некоторый эффект тепловой завесы при переходе воды в лед, который объясняет различие в глубинах промерзания тела насыпи и водоотводной канавы.

Рисунок 9. Расчетная схема конструкции железнодорожной насыпи при реконструкции в условиях Сахалина: 1 - рельсы; 2 - шпалы; 3 - щебень, 4 - экс-трузионный пенополистирол, 5 - песчано-гравийная смесь, 6 - основание насыпи из пылеватого суглинка, 7 - водоотводная канава, 8 - уровень подземных вод

Рисунок 10. Изолинии и эпюры температур в теле насыпи и основании на март для условий Ноглики

Глубина промерзания в теле насыпи на данный период составляет около 1.7 метров. Глубина промерзания ниже дна канавы составляет около 1.4 м. Вследствие миграции влаги в промерзающие грунты наблюдается повышение влажности грунта до 20%, особенно в контакте подошвы насыпи и основания. В

результате миграционной влаги морозное пучение по оси пути и головке рельса за зиму составило около 27 мм, а дна водоотводной канавы - около 37 мм. В период май-июль осадка оттаивания промерзшего фунта по оси пути и головке рельса составляет порядка 38 мм, а дна водоотводной канавы - около 70 мм.

Для сравнения в работе решалась задача в упругопластической постановке с учетом снижения прочностных характеристик грунта при изменении влажности (согласно зависимости 1).

На рисунке 11 представлено решение упругой и упругопластической задачи. Как видно из рисунка, учет снижения прочностных свойств грунта из-за изменения влажности позволяет выявить возможные зоны пластических деформаций.

Рисунок 11. Изолинии максимальных перемещений в теле насыпи и основании на март для условий Ноглики

Для прогноза напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений в условиях глубокого сезонного промерзания пучиноопасных фунтов в случае устройства эффективных конструктивных мероприятий защиты оснований и фундаментов от сил морозного пучения требуется совместная оценка теп-лофизического и напряженно-деформированного состояния грунтов в процессе их промерзания-оттаивания. В случае развития сил морозного пучения в основании объемные деформации фунта различаются как по глубине, так и во времени, при этом механические характеристики различных слоев резко изменяются в ходе промерзания.

Для натурного исследования процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания была организована экспериментальная площадка на территории предприятия «Радуга-Сервис» в г. Хабаровске, выпускающего теплоизолирующий материал - пенополистирол для строительных организаций Дальнего Востока. Были оборудованы две термометрические скважины глубиной 2.5 м для регулярного замера температур грунта по глубине промерзания и оттаивания грунтов через каждые 0.5 м у металлической эстакады с буронабивными фундаментами диаметром 0.3 м и глубиной заложения 3.0 м.

Грунты экспериментальной площадки представлены сверху пылеватым суглинком мягкопластичным до глубины 2.5 м, подстилаемый пылеватым суглинком тугопластичной консистенции. Уровень подземных вод в начале зимы расположен на глубине -1.0 м.

Рисунок 12.Расчетная схема опытной площадки (а) и план расположения термоскважин с поперечным разрезом экспериментальной площадки по термометрическим скважинам 1-2 (б)

Для наблюдения за температурным режимом использована система мониторинга температуры «Термоскан» (рисунок 13), предназначенная для производства работ по измерению температуры в непрерывном и однократном режимах. Диапазон измеряемых температур от -55°С до +125°С, точность +- 0.5°С в диапазоне от -10°С до +85°С. Питание измерительного блока осуществляется от блока питания 12 Вольт или аккумулятора 12 Вольт.

Расчетная схема к численному моделированию процессов промерзания показана на рисунке 12, а, а план расположения термоскважин с поперечным разрезом по скважинам 1 и 2 представлен на рисунке 9, б.

Рисунок 13. Система мониторинга температуры «Термоскан»

Термометрическая скважина Xsl была устроена рядом с буронабивной сваей №1, а термометрическая скважина №2 рядом с буронабивной сваей №2.

Результаты наблюдений за изменением температуры грунтов в термометрических скважинах на глубине 1.0 м от устья за период с октября 2002 по февраль 2003 года показывают следующие результаты. Температура грунта на глубине 1.0 м от поверхности изменяется от +5 °С в октябре до (-2.2 ...-2) °С в феврале в термоскважине №1 и от +5 °С в октябре до (-2.7... .-2.5) °С в феврале в термоскважине №2.

Первоначально был промоделирован процесс промораживания грунтов основания и установлена история промерзания фундаментов эстакады. Численное моделирование проведено в программном модуле «Termoground». Результаты на любой момент времени сезона 2002-2003 года представлены в виде распределения эпюр температурных и влажностных полей, которые хорошо согласовываются с результатами замеров температур в специально оборудованных термоскважинах и результатами численного моделирования в программном модуле «Termoground» (рисунок 14).

Т*мпврэту>ра фунта, град

-6-4-2 0 2 4 6

Рисунок 14. Распределение температур грунта по глубине в термометрической скважине №1: 1,2 - на 01.12.2002 г. по эксперименту и по «Тегто^оипё»; 3,4 - на 15.02.2003 г. по эксперименту и по «Тегп^гоипс)»; 5,6 - на 30.03.2003 по эксперименту и по «Тегто^оип(1»; 7,8 - на 16.06.2003 г. по эксперименту и по «Тегто^ошк!»

Результаты опытных замеров температур и численного моделирования показали, что вариант использования пенополистирола толщиной 0.1 м не исключил влияние сил морозного пучения на буронабивные фундаменты. Результатом этого явились деформации морозного пучения в зимний период 2002-2003 годов величиной до 70 мм. Таким образом, снижение этого негативного влияния произошло на 40-50 % (рисунок 15).

Ч

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь

Рисунок 15. Деформации пучения и оттаивания буронабивных свай №1 и №2: 1,2- буронабивной сваи №1 - соответственно эксперимент и по «Тегто§гоипс1»; 3,4- буронабивной сваи №2 - соответственно эксперимент и по «Тегто^оипс!».

Численные исследования проведенные с помощью программы «Тегто§гоипс1» позволяют достоверно прогнозировать процесс промерзания, морозного пучения и оттаивания, контролировать по этапам ход этих процессов (температур и деформаций) и эффективно использовать современные геоматериалы и геотехнологии для снижения или исключения этого негативного явления при воздействии на сооружение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании экспериментальных исследований получено выражение для определения прочностных характеристик глинистого грунта в зависимости от изменения влажности в процессе промерзания и оттаивания.

2. Разработана математическая модель изменения напряженно-деформированного состояния глинистого грунта при оттаивании, в условиях температур-но-влажностного воздействия. Эта модель позволяет учитывать влияние накопленной миграционной влаги в процессе промерзания на снижение прочностных характеристик глинистых грунтов основания в процессе оттаивания.

3. Предложен устойчивый алгоритм решения упругопластической задачи, позволяющий учитывать физико-механические свойства грунта в условиях фазового перехода с учетом изменения прочностных характеристик от влажности, которая позволяет прогнозировать деформации сооружений при напряжениях выше предельно допустимых критерия Мора-Кулона. Решение упругопластической задачи в отличие от упругой позволяет выявить зоны возможных пластических деформаций, проявляющихся при оттаивании глинистого фунта.

4. Результаты численного исследования изменения влажности глинистых грунтов для условий г.Хабаровска в зависимости от скорости промерзания показали, что влажность увеличивается на 68%, а сопротивление сдвигу глинистого грунта снижается в 5 раз при уровне грунтовых вод 1 м. При увеличении скорости промерзания с 0.03 до 0.07 м/сутки влажность у фронта промерзания увеличивается почта на 50%. Что показывает необходимость учета снижения прочностных характеристик грунта в зависимости от изменения влажности грунта при промерзании.

5. Численное моделирование железнодорожной насыпи в условиях глубокого сезонного промерзания пучиноопастных грунтов острова Сахалин позволило установить, что наибольшее влияние на напряженно-деформированное состояние оказывает снижение прочностных характеристик грунтов при оттаивании из-за увеличения влажности во время промерзания. В связи со снижением прочностных характеристик грунтов вследствие увеличения влажности грунта за счет миграции влаги к фронту промерзания возникает напряженно-деформированное состояние, приводящее к процессу оползания откосов насыпи в весенний период. При этом максимальная величина деформаций железнодорожной насыпи при сравнении упругой и упругопла-стической задач составляет до 50%. Это позволяет разработать конструктивные мероприятия снижающее или исключающее это негативное явление.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кудрявцев, С.А. Численное моделирование процесса миграции влаги в зависимости от скорости промерзания грунтов / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарский // Инженерно-строительный журнал. - СПб., 2012. - № 4(30). - С. 33-38.

2. Кудрявцев, С.А. Численное моделирование процесса морозного пучения и оттаивания в зависимости от скорости промерзания грунтов / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование - Иркутск, 2012. - № 2 (34). - С. 105-110.

3. Кудрявцев, С.А. Численное моделирование процесса промерзания и оттаивания вечномерзлого основания конструкций железнодорожного земляного полотна / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарский // Современные проблемы науки и образования -2013. -№5. URL: http.V/www.science-education.ru/111-10558

В других изданиях:

4. Кудрявцев, С.А. Исследования процессов промерзания основания столбчатых фундаментов эстакады в Хабаровске / Кажарский AB., Мокрецова Т.Ф., Харитонова Т.В. // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке : труды Третьей Международной Научной конференции творческой молодежи, 15-17 апреля 2003 - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. - Т. 2. - С. 41-44.

5. Кудрявцев, С.А. Моделирование конструкций подземного трубопроводов зонах тектонического разлома Сахалина. / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарский // Научно-техническое сотрудничество стран АТР в XXI веке : труды четвертой меж-

дународной научной конференции творческой молодежи 12-14 апреля 2005. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005. - Т. 2. - С. 138-141.

6. Кудрявцев, С.А. Исследование работы подземного трубопровода в сезон-нопромерзающих грунтах Сахалина. / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарский // Научно-техническое сотрудничество стран АТР в XXI веке : труды четвертой международной научной конференции творческой молодежи 12-14 апреля 2005. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. - Т. 2. - С. 142-143.

7. Кудрявцев, С.А. Исследование напряженно-деформированного состояния основания фундаментов 27 -этажного дома в г. Хабаровске / Кудрявцев С.А., Кажарский A.B., Симоненко Д.Д. II Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке : пятая международная научная конференция творческой молодежи. 17-19 апреля 2007 г. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2007. -С. 164-168.

8. Кудрявцев, С.А. Исследование напряженно-деформированного состояния основания и фундамента жилого здания на слабых промерзающих грунтах / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарский, K.M. Шишкина // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования, 22-24 апреля 2008 г. / под общ. ред. B.C. Шварцфельда. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. - Т. 2. - С. 180-184.

9. Кудрявцев, С.А. Современные геотехнические решения для транспортных сооружений в условиях плотной городской застройки / С.А. Кудрявцев [и др.] //. Развитие городов и геотехническое строительство : международная конф. по геотехнике. Санкт-Петербург 16-19 июня 2008 г. - СПб., 2008. - Т. 4. - С. 587-591.

10. Кудрявцев, С.А. Исследование напряженно-деформированного состояния фундаментной плиты и основания с использованием современных программных комплексов / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарский, A.A. Коршунов [и др.] // Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники. Межвузовский тематический сборник трудов. Т. 2. - СПб.: ГАСУ. 2009. - С. 36-41.

11. Кудрявцев, С.А. Исследование напряжено-деформированного состояния основания и фундамента высотного здания в г. Хабаровске / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарский, K.M. Шишкина // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 22-24 апреля 2009 г. В 6 т. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2009. - Т. 2. - С. 144-143.

12. Кудрявцев, С.А. Обеспечение надежности конструкции основания и фундамента здания на слабых неоднородных грунтах в г. Невельск острова Сахалин / С.А. Кудрявцев, A.B. Кажарсаий, Ю.Б. Берестянный [и др.] // Современная архитектура, строительство и транспорт: Состояние и перспективы развития. Международная научно-практическая конференция. Астана, 2009. - С. 26-32.

13. Кудрявцев, С.А. Анализ процесса промерзания грунта вокруг трубы/ С.А. Кудрявцев, А.В! Кажарсаий, K.M. Шишкина [и др.] // Материалы 2-й международной научно-практичекой конференции, 27-28 ноября 2009 г. ; под ред. Л.Д. Терехова. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009. - С. 112-126.

14. Кудрявцев, С.А. Исследование изменения прочностных грунтов свойств грунтов от влажности в стабилометре при оттаивании / С.А. Кудрявцев, А.В. Кажарский, В.И. Бахарев, [и др.] // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования : труды Всероссийской научно-практической конференции, 21-23 апреля 2010. В 6 т. ; под ред. О.Л. Рудых. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2010. - Т. 2. - С. 62-65.

15. Кудрявцев, С.А. Исследование стабилизации железнодорожной насыпи на вечномерзлых фунтах при оттаивании / С.А. Кудрявцев, А.Г. Полевиченко, А.В. Кажарский [и др.] // Материалы Четвертой конференции геокриологов России. МГУ имени М.В. Ломоносова, 7-9 июня 2011 г. Т. 3. - М. : Университетская книга, 2011.-С. 151-156.

16. Кудрявцев, С.А. Анализ напряженно-деформированного состояния основания и фундамента высотного здания в г. Хабаровске / С.А. Кудрявцев, А.В. Кажарский, К.М. Склярова // IV international symposium. Geotechnical engineering for disaster preventional & reduction. July 26-29, 2011. - Khabarovsk, 2011.-P. 365-372.

17. Кудрявцев, С.А. Исследование стабилизирующей дренажной конструкции железнодорожной насыпи на вечномерзлых фунтах при оттаивании / С.А. Кудрявцев, А.Г. Полевиченко, А.В. Кажарский // IV international symposium. Geotechnical engineering for disaster preventional & reduction. July 26-29, 2011. -Khabarovsk, 2011. - P. 412^16.

18. Кудрявцев, С.А. Оценка сил морозного пучения на водовод проходящий в пучиноопасных фунтах г. Хабаровска / С.А. Кудрявцев, А.В. Кажарский, О.В. Киселева [и др.] // Экология и безопасность жизнедеятельности в азиатско-тихоокеанском регионе : материалы 3-й региональной научно-практической конференции 23-24 ноября 2012 г. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2012. - С. 97-103.

19. Kudriavtcev , S.A. Numerical modeling of moisture migration process depending on velocity of soil freezing/ Kudriavtcev S.A., Kazharskyi A.V.,Shestakov I.V., Kiseleva O.V., Berezovskiy .V.I // The 5th International Geotechnical Symposium-Incheon, 22-24, May, 2013. - P. 176-180.

20. Kudriavtcev , S.A. Survey of plate foundation bases in high buildings by nu-mericalmodeling method and seismic tomography/ Kudriavtcev S.A., Kazharskyi A.V., Maleev D.Y., Sklyarova К. M., Goncharova E.D.// The 5th International Geotechnical Symposium-Incheon, 22-24, May, 2013. - P. 477-483.

21. Kudriavtcev , S.A. Predictive numerical modeling of a permafrost thermal regime in the subgrade support of a railroad section in Russia/ Kudriavtcev S.A., Kazharskyi A.V., Berestianyi Y.B., Valtseva T.Y., Goncharova E.D.// The 1st International Symposium on Transportation Soil Engineering in Cold Regions. Sciences in cold and arid regions. Xinin. China.Volume 5. Issue 4. August 2013. - P. 404—407.

22. Свидетельство о государственной регистрации профаммы для ЭВМ №2012618243 «Численное моделирование процесса морозного пучения и оттаивания» от 11.09.2012 г.

Кажарскнй Алексей Витальевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИГРАЦИОННОЙ ВЛАГИ В ПРОМЕРЗАЮЩЕМ И ОТТАИВАЮЩЕМ ГЛИНИСТОМ ГРУНТЕ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВАНИЯ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.11.2013 г. Формат 60х84'Л6. Гарнитура «Times New Roman». Уч.-изд. л. 14. Усл. печ. л. 1,4. Зах. 299. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи

04201454326

Кажарский Алексей Витальевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИГРАЦИОННОЙ ВЛАГИ В ПРОМЕРЗАЮЩЕМ И ОТТАИВАЮЩЕМ ГЛИНИСТОМ ГРУНТЕ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВАНИЯ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Кудрявцев С.А.

Хабаровск - 2013

Содержание

Введение........................................................................................................4

Глава 1. Основные направления исследования процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания грунтов..........................................................11

1.1 .Анализ существующих теорий процесса промерзания грунтов......12

1.2. Анализ существующих теорий процесса замерзания и миграции грунтовой влаги.....................................................................................................20

1.3. Анализ существующих теорий процесса оттаивания мерзлых грунтов ............................................................................................................... 30

1.4. Выводы по главе 1..............................................................................36

2. Разработка модели промерзающего и оттаивающего грунта в зависимости от миграции влаги..........................................................................38

2.1 Математическая модель теплофизических процессов с учетом фазовых переходов воды в спектре отрицательных температур.....................42

2.2. Разработка численной модели грунта в зависимости от изменения влажности в процессе промерзания и морозного пучения грунта ............................................................................................................... 50

2.3. Математическая модель процесса оттаивания промороженных грунтов ............................................................................................................... 59

2.4. Математическая модель вычисления напряжений в грунте..........62

2.5. Выводы по главе 2...............................................................................71

3. Экспериментальное обоснование численного моделирования влияния миграционной влаги в промерзающих грунтах на прочностные свойства грунтов основания.................................................................................72

3.1. Промерзание столбика грунта сверху................... ............................72

3.2. Моделирование Промерзания столбика грунта снизу и сверху.....77

3.3. Распределение температуры столбика грунта............. ....................79

3.4. Численное моделирование процесса оттаивания в сравнении с аналитическими решениями................................................................................83

3.5. Стабилометрические исследования влияния влажности на

изменение прочностых характеристик грунтов................................................88

3.6. Численное моделирование миграционного процесса......................94

3.7. Выводы по главе 3.............................................................................102

4. Примеры расчета процесса промерзания, морозного пучения и

оттаивания............................................................................................................103

4.1. Численное исследование процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания на примере натурного наблюдения............................103

4.2. Исследования процесса промерзания и морозного пучения грунта с учетом миграционной влаги...............................................................111

4.3. Исследование процессов морозного пучения и оттаивания участка земляного полотна Сахалинской железной дороги...........................118

4.4. Выводы по главе 4................................ ..............................................127

Основные выводы................................... ..................................................128

Список литературы...................................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Одной из приоритетных задач государственной программы социально-экономического развития Дальнего Востока и Забайкалья, утвержденной распоряжением Правительства РФ 29 марта 2013г., является совершенствование транспортной и энергетической инфраструктуры региона. Предусматривается увеличение пропускной способности Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей, расширение портовой и аэродромной сетей, увеличение объемов строительства автомобильных и железных дорог, развитие электроэнергетики. Реализация названных задач в сложных природно-климатических условиях Дальневосточного федерального округа во многом определяется эффективностью методов проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации сооружений в сезоннопромерзающих и вечномерзлых грунтах, позволяющих прогнозировать все возможные неблагоприятные состояния оснований с учетом меняющихся свойств грунтов.

Строительство и эксплуатация сооружений в условиях Дальневосточного региона связаны со сложными природно-климатическими и инженерно-геологическими условиями. В этом случае, при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, необходимо выполнять многофакторную оценку, позволяющую расчетным путем прогнозировать все возможные неблагоприятные воздействия и предусматривать эффективные конструктивные мероприятия, исключающие их.

В настоящее время процессы, происходящие непосредственно в природном массиве грунта, мало изучены. Современные программные комплексы расчета промораживаемых и оттаивающих оснований направлены, в основном, на решение либо теплофизических, либо влагопроводных задач и не учитывают совместную оценку напряженно-

деформированного состояния грунта под сооружением и окружающего массива от сил, возникающих в процессе промерзания, морозного пучения и оттаивания.

В настоящей работе проведено исследование влияния температурно-влажностного режима промораживаемого и оттаивающего грунта на напряжено-деформированное состояние сооружения и его основания.

Численное моделирование температурно-влажностного режима, напряженно-деформированного состояния основания проведено с использованием метода конечных элементов, что позволяет произвести количественный и качественный анализ напряженно-деформированного состояния сооружения и его основания, а так же решить ряд теплотехнических задач.

В настоящей работе предложена математическая модель грунта, адекватно описывающая совместное решение температурной и влагоповодной задач и позволяющая произвести совместную оценку напряженно-деформированного состояния основания и сооружения в процессе оттаивания.

Целью диссертационной работы является разработка математической модели глинистого грунта, которая позволяет учитывать изменение прочностных характеристик оттаивающего основания из-за изменения влажности в процессе промерзания.

Объект исследования - напряженно-деформированное состояние оттаивающего глинистого грунта при увеличении влажности в процессе промерзания.

Предмет исследования - изменение прочностных характеристик оттаивающего глинистого грунта в условиях температурно-влажностного воздействия.

Задачи исследования:

1. Выполнить анализ основных направлений исследований по оценке миграции грунтовой влаги и процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания;

2. Разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния глинистого грунта в условиях температурно-влажностного воздействия, позволяющую учитывать влияние накопленной миграционной влаги в оттаивающих глинистых грунтах, на прочностные характеристики грунтов основания;

3. Исследовать экспериментальным путем влияние изменения влажности на прочностные характеристики глинистого грунта в приборе трехосного сжатия;

4. Установить зависимость изменения прочностных характеристик грунта от изменения влажности в глинистых грунтах на основе экспериментальных данных;

5. Разработать устойчивый алгоритм численного моделирования, позволяющий исследовать влияние температуры и влажности на прочностные характеристики глинистого грунта в процессе промерзания и оттаивания;

6. Выполнить численную оценку эффектов, проявляющихся при оттаивании переувлажненного основания в процессе промерзания, в связи со снижением прочностных показателей глинистых грунтов;

7. Провести оценку адекватности разработанной модели путем сопоставления результатов численных и натурных экспериментов по исследованию влияния температуры и влажности на напряженно-деформированное состояние грунтов.

Методика исследований включала:

- проведение натурных экспериментов с использованием типовых методик по исследованию влияния влажности и температуры на изменение прочностных свойств грунтов;

- исследование влияния влажности талых грунтов на сопротивление недренированнному сдвигу на базе лабораторного эксперимента;

- проведение численных экспериментов с помощью разработанной математической модели грунта, позволяющей описать деформации талого грунта с учетом влияния на его прочностные свойства температуры и влажности с последующей оценкой адекватности получаемых результатов.

Степень разработанности темы исследования В настоящее время накоплен обширный материал об изменении влажности в промерзающих грунтах и обусловленных ею деформациях и силах пучения. Обобщенные результаты исследований данного направления приведены в отечественной и зарубежной литературе (Ершов Э.Д., Иванов Н.С., Порхаев Г.В., Пчелинцев A.M., Тютюнов И.А., Орлов В.О., Фельдман Г.М., Федоров В.И, Чеверев В.Г., Corte А.Е., Xu X., и др.).

Ввиду чрезвычайной сложности процесса миграции влажности и влияния на нее множества внешних факторов (градиентов давления, температуры, влагосодержания) и физических свойств грунтов (дисперсности, пористости, плотности, минерального состава и т.д.) физика этого явления недостаточно раскрыта. Существует более тридцати теорий процесса миграции влаги при промерзании грунтов, в разработку которых значительный вклад внесли русские ученые: Ершов Э.Д., Далматов Б.И., Крылов М.М., Кудрявцев В.А., Кудрявцев С.А., Лукьянов В. С., Мельников П.И., Нерсесова З.А., Орлов В.О., Сахаров И.И., Сумгин М.И., Тютюнов И.А., Фадеев А.Б., Фельдман Г.М., Цытович H.A., Чеверев В.Г., Чистотинов Л.В., Шимановский С. В. и др.

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются:

- использованием при построении математической модели общепринятых теоретических положений механики деформированного твердого тела и механики мерзлых грунтов;

- тестированием разработанной математической модели путем сравнения результатов расчета с результатами экспериментов, выполненных при одинаковых исходных данных;

- разработанный программный модуль зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ.

Научная новизна работы состоит:

- результаты экспериментального исследования влияния влажности на прочностные характеристики глинистого грунта при трехосном сжатии;

- математическая модель грунта, учитывающая влияние миграционной влаги в промерзающих и оттаивающих глинистых грунтах на изменение прочностных характеристик грунтов основания, реализованная методом конечных элементов;

- зависимости и конструктивные решения для исследуемых процессов и объектов, полученные с помощью разработанной математической модели.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработанная математическая модель позволяет учитывать изменение прочностных свойств глинистых грунтов в широком диапазоне температурно-влажностного воздействия;

- результаты численного моделирования основания в условиях взаимодействия с надземными конструкциями позволяют локализовать опасные участки, разработать конструктивные мероприятия, уменьшить материалоёмкость проектируемых сооружений, их трудозатраты и стоимость.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на 8 региональных, российских и 10 международных конференциях, часть из которых: научный семинар Института машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Комсомольск-на-Амуре, ноябрь 2013г.); 1-ый Международный симпозиум по транспортным грунтовым сооружениям в холодных регионах (Синин, КНР, август 2013г.); V Международный

геотехнический симпозиум (Национальный Инчхонский университет, Республика Корея, май 2013 г.); IV Международный геотехнический симпозиум «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (ДВГУПС, Хабаровск, июль 2011 г.); четвертая конференция геокриологов России, посвященная 100-летию со дня рождения основателя кафедры геокриологии В. А. Кудрявцева (МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва, июнь 2011 г.); Международная научно-практическая конференция, посвященная 45-летию Целиноградского инженерно-строительного института «Современная архитектура, строительство и транспорт: Состояние и перспективы развития» (Астана, Республика Казахстан, май 2009 г.); Международная конференция по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (ПГУПС, Санкт-Петербург, июнь 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 3 работы в журналах, входящих в перечень ВАК, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования влияния влажности на сопротивление сдвигу на приборе трехосного сжатия;

2. Математическая модель грунта, учитывающая влияние миграционной влаги в промерзающих и оттаивающих глинистых грунтах на прочностные характеристики грунтов основания, реализованная методом конечных элементов;

3. Зависимости и конструктивные решения, полученные в результате численного моделирования температурных и влажностных режимов работы, напряженно-деформированного состояния исследуемых объектов.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, п.1 «Разработка новых математических

методов моделирования объектов и явлений», п.5 «Разработка новых математических методов и алгоритмов интерпретации натурного эксперимента на основе его математической модели.», п.6 «Разработка новых математических методов и алгоритмов проверки адекватности математических моделей объектов на основе данных натурного эксперимента».

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Работа содержит 148 страниц текста, 57 рисунков, 4 таблицы; список литературы содержит 120 источников.

Диссертация выполнена на кафедре «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» Дальневосточного государственного университета путей сообщения. Лабораторные эксперименты выполнялись в геотехнической лаборатории имени профессора А.В.Паталеева на кафедре «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» ДВГУПС.

Внедрение научных результатов диссертации. Подтверждено актом внедрения результатов исследований ОАО «Росжелдорпроект» филиал Хабаровский проектно-изыскательский институт «Дальжелдорпроект» для объектов строительства на Дальневосточной железной дороге, актом о внедрении результатов исследований ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» при выполнении научно исследовательских работ.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору С.А. Кудрявцеву и благодарит за консультации, ценные замечания и содействие в работе докторов технических наук, профессоров: В.Н. Парамонова, A.M. Харитонова; кандидата технических наук, доцента М.И. Харитонова.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ, МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ И ОТТАИВАНИЯ ГРУНТОВ

Изучение процессов проходящих при промерзании, морозном пучении, оттаивании тесно связаны с рассмотрением различных вопросов механики мерзлых грунтов. Их изучение прямо или косвенно относятся к теплопроводности грунта, учету фазового перехода его в спектре отрицательных температур, учету сил морозного пучения и деформаций грунта происходящих при промерзании или оттаивании. Поэтому в данной главе рассматриваются работы связанные не только с темой данной диссертации, но и работы, связанные со смежными темами.

Уже в первые годы при эксплуатации Транссибирской магистрали, на многих участках в зимний период времени происходило пучение грунта, вызывая деформации основной площадки земляного полотна. Силы морозного пучения, приводили к повреждению железнодорожного пути, а так же различных зданий и сооружений. Деформации верхнего строения пути приводили к повреждению подвижного состава и в некоторых случаях вызывали сход поезда с рельс.

В конце XIX века на Транссибирской магистрали пучины носили массовый характер. Более 95% железных