Введение к работе
Актуальность проблемы. Существующие инженерные методы расчета :нований предполагают максимальное упрощение расчетных схем и введение ззличного рода допущений, обусловленных невозможностью в большинстве рактических случаев получения аналитических решений в замкнутом виде, читывал существенную неоднородность фунтов как природной среды, во ногих случаях использование инженерных методов оправдано. Современные етоды расчета оснований направлены в основном на оценку напряженно-еформированного состояния массива грунта под сооружением и окружаюше-э массива от действия внешних статических нагрузок от веса сооружения и не ассматривают технологических аспектов. В то же время практика строитель-гва в стесненных городских условиях показывает, что наибольшее влияние на кружающую территорию оказывают процессы, связанные с производством готехнических работ, такие как откопка котлованов, водопонижение, устрой-гво глубоких фундаментов по различным технологиям.
Наиболее доступными и достоверными методами натурных исследова-ий являются методы определения перемещений дневной поверхности (геоде-пческие методы). Однако малая изученность процессов, происходящих непо-редственно в природном массиве грунта, часто приводит к неоднозначной ин-грпретации результатов наблюдений за осадками сооружений. В этом случае асчеты, основанные на использовании законов и соотношений механики плошной среды и учитывающие особенности работы грунтов, позволяют дос-аточно достоверно предсказывать качественное поведение грунта при различ-ых внешних воздействиях.
Расчет оснований в условиях сложной геотехнической ситуации, оценка лияния нового строительства на существующие сооружения в условиях плот-ой застройки требуют изучения полных полей напряжений и деформаций, т.е. редставления математических соотношений в тензорной форме; более полно-о отражения реакции на физические воздействия грунтов, для которых харак-ерна нелинейность работы и накопление остаточных деформаций даже при оздействиях небольшой интенсивности воздействий; приближения геометрии истемы и схемы взаимодействия элементов системы к реальным условиям. Іостроение таких решений в настоящее время возможно только численными іетодами, из которых наиболее развитым и апробированным является метод онечных элементов.
Целью диссертационной работы является разработка расчетно-еоретического аппарата (применительно к МКЭ) нелинейной механики грун-ов в рамках статической постановки, позволяющего учитывать характерные іля фунтов особенности, установленные современными исследованиями: гео-
метрическую и физическую нелинейность, запаздывание деформаций во вр меті но отношению к момешу приложения нагрузки, способность coupon и литься движению воды сквозь поры грунта и предназначенного для анади напряженно-деформированного состояния массива грунта как на стадии стат ческого нагружения основания весом сооружения, так и на стадии произволе ва работ:
Для достижения указанной цели были поставлены и решены слсдуі шиє задачи.
-
Выполнен анализ методов расчета сред с учетом физической и геомс рической нелинейности.
-
Построена процедура численного решения задач с использование моделей упрочняющейся среды.
-
Разработан метод численного решения нестационарных задач мехап ки грунтов, учитывающих вязкое и фильтрационное сопротивление групп при их нагружении.
-
Разработан метод численного решения задачи о безнапорной фильтр ции через массив грунта и о напряженно-деформированном состоянии массиі грунта с учетом действия фильтрационных сил.
-
Разработаны конечноэлементные процедуры для решения геометрич ски нелинейных задач и проанализированы эффекты, возникающие при ра личных способах построения геометрически нелинейных соотношений, сфо мулированы принципы построения геометрически нелинейных соотношений учетом особенностей деформирования грунтов.
-
Разработан метод численного решения геометрически нелинейных з дач геомеханики для условий больших необратимых деформаций.
-
Проведены лабораторные и натурные исследования развития дефо маций грунтов во времени.
-
Выполнены и проанализированы решения ряда задач с учетом физич ской и геометрической нелинейности.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
-
Разработана методология численного решения и определена облас наиболее эффективного применения моделей упрочняющейся среды для зад; промышленного и гражданского строительства.
-
Предложен принцип решения нестационарных задач для двухфазнь сред, в которых одновременно учитывается фильтрационное сопротивление ползучесть при использовании уравнений реологического состояния в дифф ренциалыюй форме с различной реакцией на гидростатическое и девиаторш нагружение.
-
Выполнена оценка роли реологических процессов в консолцддщ балтийских глинистых отложений.
-
Предложена методология численного расчета фильтрационного потока рез пористую среду в условиях безнапорной фильтрации, позволяющего оп-делять положение депрессионной кривой, выполнять оценку суффозионной тойчнвосги грунта и оценку влияния фильтрационного потока на изменение іпряженно-дсфорчнроваїпюго состояния массива фунта.
-
Обоснованы исходные предпосылки для решения задач в условиях шьших деформаций грунта, показана область применимости геометрически :линейных соотношений при решении геотехнических задач, предложен чистими метод расчета оснований для условий больших упругопластических ;формаций.
Практическая ценность работы состоит в разработке расчетно-юретического аппарата, предназначенного для оценки напряженно-;формированного состояния массива фунта как на стадии статического на-іужения основания, так и на стадии производства работ, что позволит лроек-іровщику обосновывать выбор технологий и способов выполнения работ ну-;вого цикла с минимальным влиянием на окружающую застройку.
На защиту выносятся:
метод численного решения задач с использованием модели улрочняю-;ейся среды;
метод численного решения нестационарных задач механики грунтов, жтывающих вязкое и фильтрационное сопротивление фунтов при их нафу-ении;
метод численного решения задачи о безнапорной фильтрации через ассив фунта и о напряженно-деформированном состоянии массива фунта с іетом действия фильтрационных сил;
метод численного решения геометрически нелинейных задач геомеха-ики для условий больших необратимых деформаций;
результаты лабораторных и натурных исследований развития деформа-ий фунтов при нагружении;
результаты решения физически и геометрически нелинейных задач ме-аники фунтов.
Результаты работы внедрены при строительстве ряда фажданских со-ружений в условиях плотной городской застройки Санкт-Петербурга в случа-ч, когда требовалось оценить и выполнить предпроектное обоснование техно-огнй и методов производства работ, оказывающих наименьшее влияние на охраняемую окружающую застройку. Ряд разработок внедрен в учебный проссе" в Мордовском государственном университете и Санкт-Петербургском го-ударственном архитектурно-строительном университете и включен в учебные особия: Меркулов И.И., Новичков П.И., Парамонов В.Н. «Основы проектного ела и автоматизация конструкторских работ в строительстве», Саранск, 1994;
Фадеев А. Б., Парамонов В. Н., Репина П. И., Глыбин Л. А., Шашкин К. I «Применение метода конечных элементов при выполнении курсовых работ п строительным дисциплинам», СПб, 1997.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доь ладывались и обсуждались на заседаниях секций «Основания, фундаменты механика фунтов» научно-технических конференций ЛИСИ и СПбГАСУ 1986-1998 гг., секций «Сопротивление материалов» и «Строительная механіка» СПбГАСУ в 1997 и 1998 гг., заседаниях секции «Прикладная механика научно-технических конференций Мордовского госуниверситета в 1989-199 гг., на научно-технических конференциях ПГУПС и ВИСИ (Санкт-Петербурі 1997), научно-технических конференциях ДДНТП (Ленинград, 1985, 1985 1991), Российской конференции по механике грунтов и фундаментостроенш (Санкт-Петербург, 1995), заседании секции «Строительная механика и сопрс тивление материалов» Санкт-Петербургского Дома ученых Российской акаде мии наук в 1996 г, XI Российской конференции по механике горных поро, (Санкт-Петербург, 1997), наГерсевановских чтениях НИИОСП (Москва, 1998 на научно-дискуссионном семинаре по современным теоретическим пробле мам механики грунтов Российского университета дружбы народов (Москвг 1998), Международной конференции «Подземный город: геотехнология и ар хитектура» (Санкт-Петербург, 1998).
Публикации. Результаты работы опубликованы в 40 печатных работа> По теме диссертации имеются публикации в трудах Международных конфе ренцнй в Италии, Норвегии, Польше, Китае, США, России, Украине, в сборни как Всесоюзных и Российских конференций, Казахстанской национально) конференции, в журнале «Механика грунтов, основания и фундаменты», межвузовских сборниках трудов Ленинградского инженерно-строительног института.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, двух разделов включающих шесть глав, заключения, списка литературы и 3 приложений Объем диссертации - 363 страницы, включая 257 страниц машинописное текста, 135 иллюстраций, 5 таблиц. Список литературы состоит из 214 найме новаций.