автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние системы "основание - сооружение" при неодномерном промерзании грунтов

На правая 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

12 СЕН 2013

005532923

Санкт-Петербург 2013

005532923

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 « /О » oniufepcP 2013 г. в 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., 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 « S » cjisJ/rJbf^'J? 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета щ

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 2-3-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 XX столетия усилиями Войслава С.Г., Вялова С.С., Голли O.P., 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 A.B., Морарескула H.H., Невзорова A.JI., Орлова В.О., Перетрухина H.A., Полянкина Г.Н., Пускова В.И., Роман JI.T., Сахарова И.И., Толкачева H.A., Улицкого В.М., Хачикянц Е.И., Цытовича H.A., 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 XX 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 (Полян-кин Г.Н.). Развитием численного подхода к моделированию процессов промерзания и пучения являлась программа FREEZE (авторы Фадеев А.Б., Саха-

ров И.И., Репина П.И.), разработанная в 90-х годах 20-го столетия. На качественно новой основе в 2002 г. в Санкт-Петербурге была разработана программа Тегто%гоип&, 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 у, 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 Тегто^оипЫ.

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, закар-стованных, 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, 2010 г.); 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 фунтов 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:

где е и Етрт — 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 A.B. и некоторых других. Учет коэффициента анизотропии предусмотрен в конечноэлементных программах ПолянкинаГ.Н.; Фадеева А.Б., Сахарова И.И., Репиной П.И. (в программе FREEZE); в программе Termoground, 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 Termoground был выполнен ряд тестовых расчетов. Программа Termoground была разработана в 2002 г. Кудрявцевым С.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 го-

(1)

ризонтальных 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.

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.

При установлении НДС в задаче задавались различные значения у/. При изменении 1//наблю-дались 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 \у= 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.

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

0,875

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

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

2. 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 -25 °С. 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 1|/ 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.

-2.5

-ч,

10

емпература

1.5

—г-

------О

ф= -0.0503Т+0.9304 I?2 = 0.7833

ф = 0.0207Т2+ 0.3637Т+ 2.6554 Я1 = 0.8285

♦ Ряд1

-Полиномиальная {Ряд1|

-Линейная (Ряд1)

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

^16 -14 -12 -10 -8

_Температура

-1,2-

-ел-

0.4-

ф= -0.1028Т-0.4802 Я2 = 0.8927

ф= 0.0108Т2+0.1142Т+0.4239 И2 = 0.9756

♦ Ряд1

-Линейная (Ряд1)

-Полиномиальная (Ряд1)

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

ф= -0.1987Т- 1.9133 И2 = 0.9028 ф= -0.0158Т2- 0.4875Т- 3.0946 Н2 = 0.9816 1 ♦ Ряд1 -Линейная (Ряд1) -Полиномиальная (Ряд1)

>

|

1-16 -14 -12 -10 -6 -4 -2 ог

* 1

1 *

Температура

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

1.6

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

ф=9.2473\Л/-1.4589 Яг = 0.8414

ф = 78.667\Л/2- 30.873\Л/ + 3.5364 ^ = 0.8962

Ряд1

- Линейная(Ряд1)

- Полиномиальная (Ряд1)

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

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 о

♦

♦

ф = 0,4023\Л( + 0.2343 Я* = 0.09523 -13.078\Л/2 +6.8944- 0.548 ^ = 0.1041

♦ РЯД1

— Линейная {Ряд1}

— Полиномиальная (Ряд1)

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

ф= 0.1074|р-1.6219 (V = 0.9876 ф= 5Е-051р3 + 0.10571р- 1.6121 ^ = 0.9876

РядЗ

-Линейная (РядЗ) - Полиномиальная (РядЗ)

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

ф = 0.03541,,- 0.0337 Я1 = 0.832 ф= 0.002 Ир2 - 0.03251р + 0.3182 И2 = 0.9179

РядЗ -Линейная (РядЗ) - Полиномиальная (РядЗ}

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

10 15 20

Число пластичности

ф= 0.0661р+0.0438 = 0.9397 ф= -0.00041рг + 0.07991р- 0.0419 ^ = 0.9414

■ РядЗ

-Линейная (РядЗ}

-Полиномиальная

(РядЗ)

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

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 х1,х2, ...хп, а выход характеризуется параметрами у1,у2, ...ук. 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):

У' = К + + X V/*/

(2)

которое и является математическом моделью исследуемого технологического процесса.

Теоретической основой для нахождения коэффициентов Ьд, 6, Ъц, Ьи служит метод наименьших квадратов. Были рассмотрены следующие ожидаемые виды математической модели:

1) и^.х.Яр, , ¿?2 • аз = ао + а\' + а2м'+ аЗХ

(3)

2)/(1,м>,х,а^ ^ ) = £}0 + + а^м + а^х + (а^х + а^мпс + а^м) (4)

Подбор коэффициентов а(Г аг а2, ау а4, а3, а6 осуществлялся путем минимизации квадрата невязки. Таким образом для первой математической модели были получены следующие значения коэффициентов:

/ Л

Ч

а\

а

2,413Л

-0,102 3,307 ^0,063

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

у/ = -2,4 - ОДГ + 3,3W + 0,061р. (5)

Выражение (5) было принято для дальнейшего анализа, так как для выражения второго вида коэффициенты af а5, аб 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 [ Су th ]- матрица теплоемкости грунта в мерзлом и талом сосотоянии; Т - вектор узловых температур; t - время; J - матрица теплопроводности

грунта в мерзлом и талом состоянии; {F^ } - 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:

£fliL = 09(wtot +1,09С] qwfdt + есг ■ (7)

Pw "

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 промер-

12

зающую 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:

\jzdef

ау ^х Цу Т \JzdEf

Уху . = • dsf 0

Ухг 0

0

'БХ 'эу

(8)

где у- коэффициент анизотропии морозного пучения; 1$х, 1а— направляющие косинусы к ориентированному направлению Б температурного градиента, который добавляется в виде вектора дополнительных узловых сил в систему уравнений равновесия:

Ь-««}= =(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 Тегто^оипс!.

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 таблице.

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

0.62мм

0.56мм

0.15мм

19.21

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

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

Ф=1.3

11,93 %, и можно заметить, насколько точнее оказался результат. Относительная погрешность для объемной деформации при у = 1,3, составила всего 1,5 %, а при \|/ = 0 — 66%. Аналогично, для суглинка А = 13 % при у = 0,57, А = 45 % при у = 0; для супеси А = 5,5 % при у = -0,2, Д = 29 % при у = 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.

Таблица

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

Название грунта Влажность^ Температура, Т,°С Число пластичности, 1Р Коэфф. анизотропии, V Объемная деформация

Лабораторная При 1// 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

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 36x11,47 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 среднепучини-стыми грунтами. В результате промерзания и пучения грунтов основания в наружных стенах были зафиксированы трещины с раскрытием до 30 мм (рис. 14).

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 -Рис. 14. Характерная сквозная трещина в оболочечными конечными эле-

средней части здания с раскрытием до 30 мм ментами. Толщина грунтового

массива задана из расчета глубины сжимаемой толщи равной 12 м. Всего расчетная схема содержала более 100 тысяч конечных элементов.

С помощью модуля Termogrolmd, описанного выше, предварительно решалась температурная задача. В качестве граничных условий принимались условия первого рода. Для этого требовалось задать температуру на дневной

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

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.

1,45

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.

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 зда-

ния 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.

й

У

Фазовый переход

Д Темп, задача подсос воды (У Температурное расширение

Чтение температур и влажности по шагам (5 Теплообмен по треугольник ¡5 Теплообмен по четырехугольнику Д1 Точечный источник тепла (5 Заааннаятемпература Д Уровень грунтовых вод Д Температурное расширение анизотропия

Чтение температур и влажности по шагам анизотропия

Исходные элементы модели

}

Разработанные элементы

Рис. 17. Фрагмент библиотеки элементов программного модуля «Тегто§гоипс1» с указанием новых, разработанных автором элементов

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:

у/ = -2,4 - ОДГ+Ъ,Ш + 0,061р.

Данная математическая зависимость охватывает все рассмотренные параметры в пределах 1 = -5 —15 0 С.

4. Учет переменности коэффициента анизотропии морозного пучения, установленного в лабораторных условиях, при обсчете экспериментов с малыми образцами в программном модуле «Тегто|»гоипс1», 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:

4. 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.

5.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.

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 01.07.13. Формах 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 120 экз. Заказ 75. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

04201362763 Парамонов Максим Владимирович

На прав рукописи

М

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

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. И.И. Сахаров

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Глава 1. Морозное пучение грунтов при неодномерном промерзании...........10

1.1. Влияние морозного пучения на состояние зданий и сооружений.........10

1.2. Существующие методы расчетной оценки деформаций морозного пучения................................................................................................................18

1.3. Особенности морозного пучения при одномерном и неодномерном промерзании грунтов.........................................................................................25

1.4. Выводы и направление исследований......................................................36

Глава 2. Лабораторные исследования анизотропии деформаций морозного пучения пылевато-глинистых грунтов................................................................39

2.1. Методика исследований.............................................................................39

2.2. Влияние различных факторов на значения коэффициента анизотропии морозного пучения при неодномерном промерзании....................................44

2.3. Обработка результатов испытаний и получение аналитических зависимостей......................................................................................................53

2.4.Выводы по главе...........................................................................................55

Глава 3. Численное моделирование деформаций образцов грунтов при неодномерном промерзании.................................................................................57

3.1. Принципы работы программного модуля Тепш^гоипс!.........................57

3.2. Сопоставление лабораторных наблюдений по промерзанию грунта с результатами численных расчетов...................................................................62

3.3. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных деформаций пучения лабораторных образцов......................................................................67

3.4. Выводы по главе.........................................................................................77

Глава 4. Сопоставление натурных и расчетных данных на примере крупномасштабного реального объекта.............................................................79

4.1. Общие сведения об объекте исследований..............................................79

4.2. Решение температурно-влажностной задачи с помощью программного модуля « Тегто§гоип(1».....................................................................................87

4.3. Решение задачи НДС без учета и с учетом анизотропии морозного

пучения грунтов.................................................................................................94

4.4. Выводы по главе.......................................................................................106

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Сезонное промерзание и оттаивание грунтов имеет место практически на всей территории Российской Федерации. 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

Г,

4

ощутимо влиять на НДС системы «неодномерно промерзающее основание -сооружение».

Целью диссертационной работы являлось исследование 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 Тегто§гоип<1

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.

Методика исследований включала:

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

- экспериментальные лабораторные исследования коэффициента анизотропии морозного пучения при неодномерном промерзании 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;

- корректировку существующего программного модуля «Termoground» для решения задач неодномерного промерзания с учетом коэффициента анизотропии морозного пучения.

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются:

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

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

- сравнением рассчитанных и экспериментальных данных на крупногабаритном реальном объекте.

Научная новизна работы состоит:

- 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.

Практическое значение 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.

Апробация результатов исследования. Основные положения работы были доложены и обсуждены на 5 научно-технических семинарах и конференциях:

- Конференция, посвященная памяти профессора СПбГАСУ Александра Борисовича Фадеева «Численные методы расчётов в практической геотехнике», СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 3 февраля 2012 г.;

- Международный научно-практический семинар по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство», ПГУПС, Санкт-Петербург, 3 июля 2012 г;

- 63-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства», СПбГАСУ, 2010 г;

- 64-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых СПбГАСУ, 2011 г;

-Международный конгресс, посвященный 180-летию СПбГАСУ, «Наука и инновации в современном строительстве - 2012», СПбГАСУ, 2012 г.

-Международная конференция «Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства в условиях Крайнего Севера», Якутск, 2012г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 3 работы в журналах, входящих в перечень ВАК.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретических исследований влияния коэффициента анизотропии морозного пучения на НДС системы «основание - сооружение».

2. Методика и результаты экспериментальных исследований влияния температуры, влажности и глинистости образцов грунта на коэффициент анизотропии морозного пучения.

3. Полученная аналитическая зависимость значений коэффициента анизотропии морозного пучения в широком диапазоне температур, влажности и числа пластичности промерзающих грунтов.

4. Сравнительный анализ результатов численных и лабораторных экспериментов.

5. Результаты внедрения полученной аналитической зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения в модуль «Termoground», что получило подтверждение на обсчете НДС реального объекта.

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».

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.

Диссертация выполнена на кафедре геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. Лабораторные эксперименты выполнялись в лаборатории холода СПбГАСУ. Полевой эксперимент был осуществлен в рамках договора на обследование и проектирование усиления фундаментов подстанции ТП № 17 между ПИ «Геореконструкция» и ЗАО «СоюзЭнергоИндустрия».

Внедрение научных результатов диссертации. Подтверждено актом внедрения результатов исследований ООО «ПИ «Геореконструкция» для объекта строительства электроподстанции в Ленинградской области, актом о включении расчетного элемента на основе полученного аналитического уравнения в модуль «Termoground» сертифицированного программного комплекса FEM models.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору И.И.Сахарову, заведующему кафедрой геотехники д.т.н., профессору Р.А.Мангушеву, сотрудникам ПИ «Геореконструкция» А.О.Мамонову и к.т.н. К.Г.Шашкину за ценные советы и помощь в работе.

ГЛАВА 1. МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТОВ ПРИ НЕОДНОМЕРНОМ

ПРОМЕРЗАНИИ

1.1. Влияние морозного пучения на состояние зданий и сооружений

Под морозным (криогенным) пучением грунтов понимается увеличение объема грунтов (как правило, неравномерное) вследствие замерзания содержащейся в них и подтянутой в процессе миграции влаги. При контакте с подошвой и боковыми поверхностями фундаментов изменение объема грунта ведет к проявлению сил морозного пучения - нормальных и касательных. В результате действия касательных и нормальных сил морозного пучения на фундаменты зданий и сооружений, а так же деформаций основания, конструкции претерпевают наклоны и искривления, что нередко приводит к образованию в них трещин.

Исследование процесса морозного пучения было начато в конце девятнадцатого века в России в связи со строительством Транссибирской магистрали. Основу изучения физической сущности процессов пучения положили Лопатин И.А., Штукенберг В.И.[78,79], Войслав С.Г[5]. и другие.

По выдвинутой гипотезе В.И. Штукенберга, при замерзании поровой воды в грунте образуются трещины, заполненные воздухом и сообщающиеся с еще не замерзшим водоносным слоем. По этим трещинам вода проникает в замерзший слой, замерзает, расширяется, что приводит к увеличению объема мерзлого слоя грунта. В дальнейшем было предложено несколько теорий пучения, однако сложность явления не позволяет и в настоящее время считать какую-либо из них основной. В значительной степени это объясняется многообразием структурных моделей воды (их известно более 20), существующих фактически равноправно. Дополнительные сложности в трактовку физики пучения вносят меняющие поровое пространство структурно-текстурные преобразования в промерзающем грунте. Это требует рассмотрения взаимосвязанных задач из разных областей знания - термодинамики, теплофизики,

ю

физико-химии, механики и гидромеханики [59]. В связи с этим в течение последних десятилетий основные усилия исследователей морозного пучения были сосредоточены в области его механических макроскопических аспектов - сил и деформаций.

Первые экспериментальные работы в области отмеченных аспектов морозного пучения были проведены Войславом С.Г. [5], изучавшим в лабораторных условиях увеличение объема грунта при замерзании, содержание воды в грунте при периодическом замораживании и оттаивании, степень водопроницаемости и уменьшение объема грунта при оттаивайии.

Современное представление о силах и деформациях морозного пучения сложилось в работах таких ученых как Вялов С.С.[6,7,8], Голли О.Р.[83], Гольдштейн М.Н. [9,10], Далматов Б.И. [16,17], Ершов Э.Д. [18,20,37,46], Зайцев В.Н., Карлов В.Д. [23,24,25,26,84], Ким В.Х. [85], Киселев М.Ф. [27,28], Кудрявцев С.А. [31,87,108], Мельников A.B. [35,88], Морарескул H.H. [38,89], Невзоров А.Л. [39], Орлов В.0.[42,42,44,45,90], Перетрухин H.A. [49], Полянкин Г.Н. [91], Пусков В.И. [52,92], Роман Л.Т. [53], Сахаров И.И. [57,58,59,93], Толкачев H.A. [63], Улицкий В.М. [66], Хачикянц Е.И. [72], Цытович H.A. [73,74,75], Anderson D.M.[102], Teber S. [115], Beskow G. [103], Penner E. [112] и др [3,4,36,36,55,56,60,64,68,70,71,77,82,106,107,110, 114].

Первые исследования нормальных сил морозного пучения в СССР проводились в условиях ограниченного объема Морарескулом H.H. [38,89] Опыты проводились при одномерном промерзании в лабораторных условиях на образцах высотой 8 см. Экспериментальные исследования позволили установить влияние физико-механических свойств грунта на величину нормальных сил пучения грунта. Также было выявлено, что нормальные силы морозного пучения ленточной глины достигают 0.5-0.8 МПа.

Лабораторные исследования Гольдштейна М.Н. [9,10] проводились для глинистых грунтов с влажностью, равной пределу текучести при температурах -1°С и -5°С под нагрузкой от 0.2 МПа и без нее. По результатам иссле-

11

дований было выявлено, что при величине давления 0.3 МПа на промерзающий грунт он перестает пучиться.

Исследования Толкачева H.A. [63] показали, что скорость и величина пучения уменьшаются с увеличением нагрузки. Также была выявлена зависимость нормальных сил морозного пучения от площади загружения образцов грунта.

Цытовичем H.A. [73,74,75] касательные силы морозного пучения изначально отождествлялись с силами смерзания грунтов с материалом фундамента. Однако, исходя из опытных данных, средние значения силы смерзания грунтов с фундаментом в 2-3 раза превышают силы выпучивания грунта, поэтому приравнивание этих характеристик является условным.

Величину касательных сил морозного пучения ряд таких ученых, как Далматов Б.И. [16,17], Пусков В.И. [52,92], Дубнов Ю.Д[19] и др., предлагают принимать равным силам смерзания на тот период, когда скорость перемещения вмороженных стоек соответствует средней скорости выпучивания. В пределах интенсивных фазовых переходов грунтовой влаги зависимость касательных сил морозного пучения от температур может быть принята линейной.

Натурные наблюдения Улицкого В.М. [66], а п