Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время остро стоит вопрос безопасного строительства зданий и сооружений в районах, подверженных оползневым процессам. Диссертация посвящена решению одной из актуальных задач механики деформируемого твердого тела о ползучести бингамовых структурированных сред с начальным сопротивлением сдвигу. В качестве таких сред рассматриваются укрепляемые сваями оползневые массы грунта, находящиеся в зависимости от их увлажнения и гравитационных сил в состоянии нестационарной ползучести - кратковременных подвижек, а также постоянных или нарастающих скоростей деформирования.
Теории и практике укрепления оползней сваями посвящены многочисленные исследования. В основном в них рассматриваются вопросы расчета устойчивости и несущей способности противооползневых свай при стабилизации ими оползней-сколъжения. Наряду с этим, остается недостаточно изученным вопрос влияния разреженного ряда свай либо сплошной противооползневой стены на скорость ползучести оползней-потоков.
Вязко - пластический поток, набегая на препятствия в виде разреженного или сплошного ряда свай, может сваи обтекать, растекаться вдоль стенки или «переползать» поверх нее с различными комбинациями течения в зависимости от реологических свойств потока и конструктивных особенностей удерживающих конструкций. Строгого решения задач нестационарной ползучести потока с изменяющимися граничными условиями для структурированных сред, каким является грунт, не имеется.
В диссертации для получения приближенного решения поставленной задачи весь поток свайно-оползневого пространства с изменяющимися граничными условиями разбивается на отдельные участки, для которых применимы частные случаи точных решений вязкого течения на основе уравнений Навье-Стокса и объединения их на основе общего параметра. Показано, что объединяющим параметром для задач ламинарного движения оползня с последующим обтеканием сплошных, либо отдельно стоящих препятствий является контрольный объем установившегося вязкого течения потока перед входом в область с изменяющимися граничными условиями.
Основные реологические модели, используемые в механике деформируемого твердого тела по аналогии с вязкими жидкостями, такие как линейные зависимости вязкого ньютонова течения, вязкопластического течения Бингама -Шведова с начальным сопротивлением сдвигу, а также нелинейные модели неньютонова течения применимы лишь к какой либо одной из стадий деформирования грунта оползневого массива и, хотя все стадии от затухающей ползучести до прогрессирующего течения являются единым реологическим процессом, математически они между собой не связаны.
Для построения обобщенной модели в диссертации использован принцип последовательной смены стационарных состояний, в котором на основе скорости установившейся ползучести можно «step by step» перейти к неустановившемуся движению оползня.
Решение теоретических задач ползучести структурированных сред при изменяющихся граничных условиях и динамики потока имеет актуальное прикладное значение в вопросах стабилизации и регулирования скорости движения вязких и вязкопластических оползней.
На практике они связаны с чрезвычайно большой стоимостью противооползневых мероприятий. В ряде случаев наиболее выгодным является поэтапное освоение капиталовложений за счет частичного замедления движения оползня, например, разреженным рядом свай, в допускаемых пределах для каждого конкретного случая. На следующем этапе можно осуществлять дальнейшее замедления движения оползня либо его полная стабилизация. Метод поэтапной стабилизации оползневых участков особенно эффективен при эксплуатационном содержании автомобильных и железных дорог, проходящих в оползнеопасных районах.
Инженерное управление оползневыми процессами требует дальнейшего развития теоретических методов их расчета на основе исследования вопросов реологической механики взаимодействия оползней и удерживающих сооружений. В связи с этим, разработка и развитие аналитических методов расчета деформирования вязко-пластических сред, взаимодействующих с удерживающими сооружениями, представляет теоретический и прикладной интерес, чем и определяется актуальность темы диссертационной работы.
Целью работы является:
разработка аналитического метода расчета скорости установившейся ползучести вязкого оползня при взаимодействии его с разреженным рядом свай и со сплошной подпорной стенкой;
разработка аналитического метода расчета скорости деформирования вязкопластического оползня, взаимодействующего с разреженным рядом свай;
сопоставление результатов расчетов по предложенным методам с данными проведенных в лотке экспериментальных исследований скорости деформирования вязких и вязкопластических оползней, взаимодействующих со свайными контрфорсами;
разработка реологической модели, объединяющей все стадии деформирования от затухающих деформаций, до установившейся и нарастающей ползучести в зависимости от уровня напряженного состояния грунта оползневого массива;
разработка эмпирических зависимостей по расчету основных реологических характеристик грунтов, необходимых для исследований оползневых процессов, на основании обработки имеющихся в литературе обобщенных опытных данных;
применение разработанных методов реологических расчетов на примере деформирования реального оползневого участка (по данным архивных материалов).
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
разработан аналитический метод исследования процессов деформирования структурированных сред, позволяющий определять скорости ползучести оползневых масс со сложной траекторией движения. Показана возможность объединения аналогий точных решений для частных случаев установившегося течения на основе контрольного объема стационарного потока перед входом в область с изменяющимися граничными условиями;
показано, что реологическая модель экспоненциального характера с обобщающим фактором при экспоненте в виде функции повреждения в условиях ползучести, позволяет рассчитывать процесс вязко - пластического деформирования грунтов оползневого массива как единый - от затухающих кратковременных подвижек до стационарного и прогрессирующего течения;
впервые установлено, что в стадии ползучести с нарастающей скоростью в формулу периода ползучести экспоненциальной реологической модели необходимо вводить параметр связности (сцепления) грунта вместо модуля сдвига, закономерного только для стадии затухающей ползучести;
комплекс проведенных экспериментальных реологических исследований взаимодействия вязких и вязкопластических грунтовых масс с модельными сваями подтвердил основные теоретические выводы и показал достаточную точность расчетов по предлагаемым зависимостям;
на основе результатов экспериментальных исследований, как других авторов, так и собственных, разработаны эмпирические зависимости по расчету основных реологических характеристик, таких как вязкость, угол внутреннего трения и сцепление грунтов, необходимых для исследований оползневых процессов;
показано, что реологические расчеты, проведенные на примере реального оползневого участка с использованием разработанных аналитических и эмпирических зависимостей, позволяют достаточно точно оценить реальную картину деформирования увлажняемого оползня от кратковременных затухающих его подвижек до установившейся и нарастающей скорости ползучести.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, предложенных в диссертации, определяется применением основных положений и законов механики деформируемого твердого тела, механики разрушения, вероятностных методов обработки результатов экспериментальных исследований и подтверждена хорошей корреляцией полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными.
Практическая ценность и внедрение результатов. Разработанные теоретические методы реологических расчетов оползней, взаимодействующих с контрфорсами, доведены до уровня практического их применения. Результаты исследований внедрены при строительстве сооружений следующими организациями: 1. ООО Проектный институт «Промгражданпроект» г. Рязань, 2013 г. 2. Муниципальное предприятие «РСУ №1» г. Рязань, 2013 г. 3. ООО «ПРОЕКТРЕСТАВРАЦИЯ» г. Рязань, 2013.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
разработанные методы расчета скорости установившейся ползучести вязкого и вязкопластического оползня при наличии удерживающих свай;
разработанный метод реологического расчета с обобщением всех стадий напряженно-деформированного состояния оползня от кратковременных затухающих деформаций до установившейся и нарастающей скорости ползучести;
результаты экспериментальных исследований реологии вязких и вяз- копластических оползней при взаимодействии с модельными сваями;
разработанные эмпирические зависимости по определению реологические характеристики грунтов на основании обработки имеющихся в литературе обобщенных опытных данных;
методика реологического прогнозирования увлажняемого оползня на примере расчета реального оползневого участка с использованием разработанных зависимостей.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: 1. Ежегодная научно-практическая конференция «Повышение эффективности образовательного процесса в техническом вузе». Рязань, 26-27 января 2012. 2. Х-я межвузовская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов. «Новые технологии в учебном процессе и производстве». Рязань, 25 апреля 2012. 3. Конференция «Повышение эффективности образовательного процесса в вузе с учетом требований новых образовательных стандартов». Рязань, 25 января 2012. 4. I -я Международная научно - практическая конференция «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития». Йошкар- Ола, 10 дек. 2012 г. 5. Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ им. В.С. Черномырдина, Москва, 2013 г. 6. Расширенный семинар кафедры «Строительное проектирование и производство», 2013 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, отражающих основные научные результаты диссертации. Из них 2 работы опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и по главам, списка использованных источников и приложения. Диссертационная работа изложена на 180 страницах машинописного текста, включающего 63 рисунка, 7 таблиц, списка использованных источников из 130 наименований.
