Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы
В процессе промерзания пучинистых грунтов вокруг подземных конструкций (фундаментов, трубопроводов и т.п.) возникает сложное неоднородное, изменяющееся в пространстве и во времени напряженно-деформированное состояние (НДС). В ряде случаев силовое воздействие от морозного пучения способно приводить к неравномерным перемещениям фундаментов зданий и сооружений, потере их устойчивости, нарушению целостности коммуникаций. Экономический ущерб от этого явления ежегодно исчисляется миллиардами рублей.
Количественный анализ НДС в промерзающем пучинистом грунте, взаимодействующем с одиночной сваей, позволяет провести оценку устойчивости системы «промерзающий грунт-свая», что в конечном итоге связано с безопасностью и надежной эксплуатацией зданий и сооружений.
Целью диссертационной работы является изучение и совершенствование существующих методов количественной оценки НДС слоя промерзающего пу- чинистого грунта, взаимодействующего с одиночной сваей при учете различных факторов.
Основные задачи диссертационного исследования:
изучение и анализ экспериментальных данных по исследованию процесса морозного пучения грунта и его воздействия на подземные конструкции;
изучение и анализ расчетных методов оценки силового воздействия пучи- нистых грунтов на фундаменты;
аппроксимация результатов моделирования тепло и тепломассопереноса для дальнейшего использования в работе;
выбор механических моделей грунта, слагающего пучинистый слой;
выбор моделей для прогнозирования НДС слоя пучинистого грунта
постановка и решение задач о НДС слоя пучинистого грунта при учете различных факторов;
построение геомеханической модели для описания поведения слоя пучини- стого грунта, взаимодействующего со сваей;
постановка и решение задач о взаимодействии одиночной сваи с промерзающим пучинистым грунтом;
постановка и численное решение задачи о контактном взаимодействии одиночной сваи с промерзающим пучинистым грунтом;
рассмотрение примеров для решенных в исследовании задач и их анализ.
Научная новизна работы
-
-
Поставлена и решена задача о количественной оценке НДС слоя промерзающего пучинистого грунта единичной высоты в условиях компрессии во времени на основе упруго-вязко-пластической модели грунта. Расчеты, выполненные на основе этого решения, показали, что горизонтальное напряжение от пучения в слое изменяется экстремально во времени, а величина экстремума существенно зависит от деформации пучения (её максимальной величины и скорости возрастания во времени), модуля деформации грунта и его вязкости.
-
Рассмотрена постановка и решение упругих задач о НДС промерзающего грунта цилиндрической формы единичной высоты, взаимодействующего: 1) с ограничивающим кольцом; 2) с цилиндрическим телом единичной высоты. Показано, что учет податливости ограничивающего элемента может существенно снижать боковое давление при пучении грунта.
-
С помощью новой геомеханической модели решена осесимметричная задача о взаимодействии одиночной сваи с пучинистым грунтом с учетом и без учета жесткости ствола сваи в упругой постановке, а также при учете реологических свойств грунта для условий закрытой и отрытой систем (без притока влаги к фронту промерзания и при его наличии). Показано, что эти параметры оказывают существенное влияние на НДС пучинистого грунта. Проведено сравнение результатов аналитических решений задачи в упругой постановке с результатами, полученными с помощью метода конечных элементов (МКЭ).
-
Численно (МКЭ) решена задача о контактном взаимодействии сваи с пучинистым грунтом. Показано, что учет параметров контакта (сцепление, угол внутреннего трения), переменных в зависимости от температуры, заметно снижает касательное напряжение по боковой поверхности сваи, а также суммарное выдергивающее усилие.
Научная ценность работы заключается:
в постановке и решении задач, позволяющих дать количественную оценку НДС слоя пучинистого грунта при учете его реологических свойств и конечной жесткости ограничивающего элемента;
в разработке новой геомеханической модели, позволяющей учитывать сдвиговой характер деформирования пучинистого грунта, находящегося в пределах радиуса влияния сваи, и использовании этой модели для оценки силового взаимодействия одиночной сваи с пучинистым грунтом при учете различных условий.
Личный вклад соискателя заключается в том, что им решены задачи количественной оценки НДС слоя пучинистого грунта при учете реологических свойств грунта и податливости ограничивающего элемента. Разработана новая цилиндрическая геомеханическая модель ограниченных размеров. На её основе решен ряд задач о взаимодействии сваи со слоем пучинистого грунта с учетом жесткости ствола и реологических свойств грунта. Численно решена задача о контактном взаимодействии сваи с пучинистым грунтом при параметрах контакта, переменных в зависимости от температуры.
Практическое значение работы Полученные в работе результаты позволяют:
совершенствовать методы количественной оценки НДС слоя пучинистого грунта;
совершенствовать методы анализа взаимодействия одиночной сваи с промерзающим пучинистым грунтом.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 14-21 апреля 2010 г.), на Четвертой конференции геокриологов России МГУ имени М.В. Ломоносова (7-9 июня 2011 г.), на Четырнаднадцатой международной межвузовской научно-практической
конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - фор-
мирование среды жизнедеятельности» (Москва, 27-29 апреля 2011 г.), на Двадцатом Польско-Российско-Словацком семинаре «Теоретические основы строительства» (Вроцлав, 5-10 сентября 2011 г.), на Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 19-21 октября, 2011 г.), на Пятнадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 25-27 апреля 2012 г.), на Десятой международной конференции по мерзлотоведению (TICOP) (Салехард, 25-29 июня 2012 г.).
Достоверность результатов исследований заключается в том, что они получены на основе анализа результатов современных экспериментальных и теоретических исследований свойств промерзающих грунтов, их взаимодействия с фундаментами, а также на основе современных методов прикладной механики мерзлых грунтов.
На защиту выносятся:
постановка и решение задачи упругости и ползучести слоя пучинистого грунта единичной толщины;
постановка и решение осесимметричной задачи упругости и ползучести промерзающего пучинистого грунта, взаимодействующего со сваей;
примеры расчета НДС промерзающего пучинистого грунта на основе аналитических и численных методов расчета.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 5 в научных журналах по списку ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на «Напряженно-деформированное состояние слоя промерзающего пучинистого грунта, взаимодействующего со сваей»
-
