Взаимодействие сезоннопромерзающих грунтов с фундаментами вертикальных стержневых элементов Цвигунов Дмитрий Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Обширные территории Дальневосточного федерального округа характеризуются продолжительным зимним периодом. Глубина промерзания грунтов изменяется в широких пределах, достигая значений в 3 м и более.

В связи с возрастанием темпов освоения этого региона вопросы повышения устойчивости, надежности и долговечности сооружений, возводимых в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, приобретают большое практическое значение. Фундаменты сооружений в сезонно-промерзающих грунтах основания подвергаются воздействию процессов: промерзания, морозного пучения, оттаивания и вибродинамики. Эти процессы особенно интенсивно проявляются в период сезонного оттаивания и промерзания. Фундаменты вертикальных стержневых элементов-это относительно легкие сооружения, которые наиболее подвержены этим негативным явлениям.

Многофакторные проблемы (рисунок 1), возникают при эксплуатации вертикальных стержневых элементов заделанных в грунтовые основания.

Исходя из представленных данных до 48 % опор контактной сети в сложных условиях эксплуатации не отвечают требованиям проектной документации.

Рисунок 1 – Факторы эксплуатации железобетонных опор контактной сети на ДВЖД: 1 – штатная эксплуатация (52 %); 2 – выправлено (18 %); 3 – эксплуатация с дефектами (9 %); 4 – требуется дополнительная выправка (12 %); 5 – подвергается повторной выправке (9 %)

Поэтому, для проектирования,
строительства, реконструкции и экс
плуатации сооружений, возводимых в
сложных инженерно-геологических

условиях, необходимо уметь делать многофакторную оценку естественных инженерно-геологических условий района изучения, позволяющую расчетным путем прогнозировать все возможные неблагоприятные воздействия. Последнее приобретает особое значение в связи с необходимостью разработки специальных мероприятий по охране окружающей среды и обеспечению устойчивости сооружений.

В этих условиях разработка методов расчета основания вертикальных стержневых элементов, позволяющих учитывать изменение теплофизического, напряженно-деформированного состояния грунта уже на стадии проектирования геотехнических работ, является актуальной научной задачей.

Степень разработанности темы

Данная работа рассматривает работу вертикальных стержневых элементов при реконструкции и строительстве, поэтому она была направлена на изучение способов защиты и снижения сил морозного пучения с использованием эффективных конструкций утепления и устройств снижающего морозоопасность основания. Такими конструкциями могут быть термические обоймы, воспринимающие нагрузки от сил

морозного пучения и вибродинамических воздействий. Исследованию основных причин и закономерностей отклонений вертикальных стержневых элементов, проектированием рациональных конструкций позволяющим снизить или нейтрализовать воздействие сил морозного пучения, посвящены работы таких ученых как Е.С. Ашпиз, Н.И. Быков, Б.И. Далматов, С.Е. Гречищев, О.Р. Голли, М.Н. Гольд-штейн, Э.Д. Ершов, В.Г. Кондратьев, В.Н. Ли, М.А. Минкин, Н.Н. Морарескул, А.Л. Невзоров, В.В. Пассек, А.В. Паталеев, В.С. Сажин, А.С. Сапов, Г.М. Стоянович, Г.М. Фельдман, Н.А. Цытович, Л.В. Чистотинов, В.Б. Швец и другие авторы. Исследования в этом направлении перспективны, но их результаты пока еще недостаточны для практического применения вследствие ежегодного деформирования ВСЭ.

Объект исследования: область основания сезоннопромерзающих грунтов вокруг вертикальных стержневых элементов.

Предмет исследования: теплофизическое и напряженно-деформированное состояние грунтовых оснований фундаментов вертикальных стержневых элементов под воздействием процессов: промерзания, морозного пучения, оттаивания и вибродинамики.

Целью исследования является снижение или ликвидация деформаций грунтов основания, действующих на конструкции вертикальных стержневых элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. выполнить натурные исследования в годичном цикле процессов: промерзания, морозного пучения с учетом миграции грунтовой влаги, оттаивания и вибродинамического воздействия;

2. провести полевые исследования по оценке влияния основных факторов, влияющих на деформативность грунтов основания вертикальных стержневых элементов;

3. выполнить эксперименты в лабораторных условиях на приборе трехосного сжатия для оценки влияния влажности на прочностные свойства грунта;

4. разработать математическую модель сезоннопромерзающего грунта, учитывающая накопление миграционной влаги в промерзающих глинистых грунтах и влияние ее на снижение прочностных и деформационных характеристик грунтов основания вокруг вертикальных стержневых элементов при оттаивании;

5. получить разрешающее уравнение процесса приращения относительных деформаций грунта;

6. выявить связь влияния деформативности грунта на устойчивость вертикальных стержневых элементов;

7. развитие численной методики расчета влияния промерзания и оттаивания, вибродинамического воздействия применительно к Дальневосточному региону;

8) предложить конструктивное решение снижающее деформативность
грунтов основания вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзаю-
щих грунтах.

Методология и методы исследования

Методологической основой для решения задач является системный подход, включающий проведение лабораторного, натурного и численного моделирования. Натурное моделирование проводилось на вертикальных стержневых элементах с

применением устройства конструктивных элементов для снижения миграции влаги в сезоннопромерзающих грунтах на действующих объектах филиала ОАО «РЖД» ДВЖД. Расчеты теплофизического и напряженно-деформированного состояния грунтов выполнены с использованием метода конечных элементов в программном комплексе FEM models по программе «TERMOGRAUND», разработанной геотехниками Санкт-Петербурга под руководством профессора В.М. Улицкого.

Научная новизна работы заключается в следующем:

8. разработана математическая модель сезоннопромерзающего грунта, учитывающая накопление миграционной влаги в промерзающих глинистых грунтах и влияние ее на снижение прочностных и деформационных характеристик грунтов основания вокруг вертикальных стержневых элементов при оттаивании;

9. получено разрешающее уравнение процесса приращения относительных деформаций грунта;

10. предложена экспоненциальная зависимость сопротивления грунта сдвигу от его влажности;

11. выявлена зависимость прочностных характеристик грунта при вибродинамическом воздействии, в зависимости от его температуры.

Практическая значимость работы:

1) выявлен годичный цикл изменения температуры грунта, миграции грун
товой влаги, амплитуды колебаний вибродинамического воздействия от прохо
дящего транспорта;

2) предложен поправочный сезонный коэффициент на снижение проч
ностных свойств грунта за счет влияния вибродинамического воздействия;

3. выявлена связь и предложена формула для оценки сопротивления грунта сдвигу от его влажности;

4. предложен регламент работ по диагностике опор вертикальных стержневых элементов;

5. предложено конструктивное решение фундаментной части вертикальных стержневых элементов снижающее влияние теплопередачи фундамент-грунт.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты экспериментальных исследований изменения температуры
при промерзании и оттаивании грунта, миграции влаги в грунте, амплитуды ко
лебаний при вибродинамическом воздействии;

2. математическая модель грунта, позволяющая учитывать влияние накопленной миграционной влаги в сезоннопромерзающих глинистых грунтах на снижение значений прочностных и деформационных характеристик грунтов основания ВСЭ от влажности и вибродинамического воздействия;

3. связь сопротивления грунта сдвигу от его влажности;

4. влияние вибродинамики на прочностные свойства грунта в зависимости от его температуры.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность полученных результатов подтверждается:

– применением поверенного и сертифицированного оборудования и средств измерения при выполнении исследования;

– проведением значительных серий полевых методов определения деформационных характеристик грунтовых массивов;

– воспроизводимостью результатов, подтвержденных значительным объемом выполненных полевых экспериментов, проводимых в разные времена года в течение десяти лет;

– применением методики исследования, основанной на использовании современных средств сейсмозондирования, стабилометрических и вибродинамических данных;

– эффективными результатами внедрения предложенного конструктивного решения, снижающего деформативность ВСЭ на эксплуатируемых морозоапас-ных участках Дальневосточной дирекции инфраструктуры Хабаровской дистанцией электроснабжения.

Результаты исследований автора докладывались на региональных, Российских и международных конференциях и семинарах, часть из которых: «Научно-практические и теоретические проблемы геотехники» (Санкт-Петербург, 2007), «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2007), «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007), «Geotechnical engineering for disaster prevention and reduction» (Yuzhno-Sakhalinsk, 2007), «Геотехника: научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах» (Санкт-Петербург, 2008) «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (Хабаровск, 2008), «Extended Abstracts. Ninth International Conference on Permafrost. Institute of Northern Engineering» (Alaska, Fairbanks, 2008), «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург, 2009) «Основы совместных расчетов оснований и сооружений. Совместные инженерно-геологические изыскания как информационная основа для совместных расчетов» (Санкт-Петербург, 2011), «Геотехника строительства промышленных и транспортных сооружений Азиатско-Тихоокеанского Региона» (Южно-Сахалинска, 2018).

Личный вклад автора. Автором лично выполнены все основные исследования, включая постановку цели и задач работы, обоснование методик исследований, лабораторные и полевые эксперименты, интерпретацию и обобщение полученных результатов. Участие автора подтверждается значительным числом публикаций по теме диссертации, а также результатами апробации на республиканских и международных научных конференциях.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в пятнадцати печатных работах общим объемом 6,56 печ. л., среди них четыре работы объемом 4,56 печ. л. – в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и четырех приложений. Она имеет объем 177 страниц печатного текста, 67 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 131 наименование, в том числе на иностранном языке.