Содержание к диссертации
Введение
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 Termoground 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 « Termoground» 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
- Существующие методы расчетной оценки деформаций морозного пучения
- Влияние различных факторов на значения коэффициента анизотропии морозного пучения при неодномерном промерзании
- Сопоставление лабораторных наблюдений по промерзанию грунта с результатами численных расчетов
- Решение температурно-влажностной задачи с помощью программного модуля « Termoground»
Введение к работе
д. т. н., проф. Казаков Юрий Николаевич
I.
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-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 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 ХХ столетия усилиями Войслава С.Г., Вялова С.С., Голли О.Р., 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 А.В., Морарескула Н.Н., Невзорова А.Л., Орлова В.О., Перетрухина Н.А., Полянкина Г.Н., Пускова В.И., Роман Л.Т., Сахарова И.И., Толкачева Н.А., Улицкого В.М., Хачикянц Е.И., Цытовича Н.А., 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 ХХ 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 (Полянкин Г.Н.). Развитием численного подхода к моделированию процессов промерзания и пучения являлась программа FREEZE (авторы Фадеев А.Б., Сахаров И.И., Репина П.И.), разработанная в 90-х годах 20-ого столетия. На качественно новой основе в 2002 г. в Санкт-Петербурге была разработана программа Termoground, 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 , 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 Termoground.
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, закарстованных, 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, 2010г.); 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.
Существующие методы расчетной оценки деформаций морозного пучения
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], Воислав 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, 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 Воиславом 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 оттаивании.
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 А.В. [35,88], Морарескул Н.Н. [38,89], Невзоров А.Л. [39], Орлов В.О.[42,42,44,45,90], Перетрухин Н.А. [49], Полянкин Г.Н. [91], Пусков В.И. [52,92], Роман Л.Т. [53], Сахаров И.И. [57,58,59,93], Толкачев Н.А. [63], Улицкий В.М. [66], Хачикянц Е.И. [72], Цытович Н.А. [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 Н.Н. [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 -1С и -5С под нагрузкой от 0.2 МПа и без нее. По результатам иссле дований было выявлено, что при величине давления 0.3 МПа на промерзающий грунт он перестает пучиться.
Исследования Толкачева Н.А. [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 Н.А. [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 позднее Далматова Б.И. относились к исследованию изменения касательных сил морозного пучения в зависимости от температуры на поверхности грунта и глубины промерзания. Опыты выполнялись с помощью оборудованных динамометром железобетонных и металлических столбов, заглубленных в талый слой грунта. Силы пучения замерялись путем их погашения ступенчатой нагрузкой. По данным натурных наблюдений была выявлена четкая зависимость снижения касательных сил морозного пучения от роста температуры.
Голли О.Р. были определены величины пучения грунта в лабораторных условиях. На основании лабораторных исследований и теоретического анализа Голли О.Р. было выявлено, что величина давления морозного пучения может превысить несколько МПа. Изучением закономерностей формирования температурных деформаций мерзлых грунтов в лабораторных условиях занимались Роман Л.Т.[53], Невзоров А.Л.[39], Шур Ю.Л., Голли О.Р.[83], Гречищев С.Е.[12,13] и другие. Эти исследования заключались в измерении деформаций образцов мерзлых грунтов в процессе изменения температуры. Данные опыты выявили сокращение объема мерзлых грунтов при понижении температуры. Роман Л.Т. установила, что чем менее водонасыщен грунт, тем больше температурные деформации.
Таким образом, силы пучения могут составлять несколько МПа, а деформации подъема земной поверхности достигать 10 и более сантиметров. При промерзании грунтов основания (в случае недостаточного заглубления подошвы), а также грунта у боковой поверхности фундамента, здания и сооружения деформируются. Обычно это имеет место для легких малоэтажных зданий с кирпичными стенами, что сопровождается образованием трещин, часто сосредоточенных в местах пониженной жесткости. Однако при глубоком промораживании основания, что имеет место при длительном перерыве в строительстве, трещины могут развиваться и в 3-4 этажных домах.
Влияние различных факторов на значения коэффициента анизотропии морозного пучения при неодномерном промерзании
Так как в задачи исследований входила, в том числе, оценка влияния температуры на деформацию образца, эксперименты в холодильной камере проводились с разными отрицательными температурами (-5С, -10С, -15С). После полного промораживания по меткам на образцах повторно замерялись геометрические размеры. Время полного замерзания образца определялось экспериментально. В местах, отмеченных метками, устанавливались температурные датчики. Для измерения температуры в толще образца применялись термокосы, состоящие из 10 пар платиновых терморезисторов и нагрузочных прецизионных сопротивлений. Такое соединение позволяет отстроиться от низкочастотных помех, термоЭДС контактов и повысить точность измерений. Перед началом эксперимента производилась калибровка каждого термодатчика при двух фиксированных температурах: 0С (в водо-ледяной смеси) и 100С (в кипящей воде без примесей и при нормальном атмосферном давлении). На тарировочной кривой отмечались также дополнительные точки для оценки линейности показаний. В результате калибровки в процессе эксперимента удавалось измерять температуру грунта с достаточной для практических целей степенью точности. Датчики погружались до середины образца в трех точках и выдавали результаты измерения температуры через каждые 10 минут, что позволило наиболее точно определить скорость промерзания образца.
После полного промерзания образец повторно обмерялся по меткам и результаты заносились в таблицу. Ввиду неизбежной разности в размерах разных сечений по высоте при нахождении объема использовалась формула для усеченного конуса (2.1). Так как измерения происходили в 3-х плоскостях, общий объем образца рассчитывался как сумма объемов усеченных конусов.
Вычислив объемы и линейные размеры образца, получим значения деформации как отношение конечных значений к начальным. Однако начальной целью исследования являлось изучение коэффициента анизотропии VF, для расчета которой используется выражение (2.2) сверт v где єгор и еверт - горизонтальная и вертикальная деформация образца, соответственно.
Горизонтальная деформация вычислялась в трех горизонтальных плоскостях, поэтому для расчета использовалось ее среднее значение. По полученным данным были построены графики зависимости коэффициента анизотропии морозного пучения от изменяемых характеристик (температуры, влажности, содержания глинистых частиц). На базе графиков были получены математические зависимости, проанализированные в разделе 2.2.
Влияние различных факторов на значения коэффициента анизотропии морозного пучения при неодномерном промерзании
В настоящем разделе приводятся результаты обработки экспериментов по промерзанию образцов грунта и определению последующих дефор маций в процессе пучения. Выполним оценку влияния таких факторов, как температура, влажность и число пластичности на коэффициент анизотропии морозного пучения.
В первую очередь было выполнено исследование влияния температуры, заданной в камере, на изменение деформаций образца, а, следовательно, и коэффициента анизотропии. Для этого разные по гранулометрическому составу образцы (пасты из глины, суглинка и супеси) помещались в камеру при температурах -5С, -10С , -15С и по истечении времени полного промерзания, установленного экспериментально, замерялись линейные деформации. Результаты представлены в таблицах 2.2.1 для образцов из глины, 2.2.2 для образцов из суглинка и 2.2.3 для образцов из супеси. По табличным значениям построены графики зависимости коэффициента анизотропии от температуры, воздействующей на образцы.
На графиках проведены линии тренда для выражения зависимости коэффициента анизотропии от температуры в математическом виде. Функции приведены в линейном и полиномиальном виде. Выбор функции производился в сравнении величин достоверности аппроксимации (коэффициента корреляции).
На графике 2.2.1 квадрат коэффициента корреляции R для линейной функции составил 0.7833, а для полиномиальной 0.8285. Для описания зависимости коэффициента анизотропии от температуры, соответственно, предпочтительнее использование полинома. Тем не менее, величины коэффициентов корреляции отличаются несущественно и для инженерных расчетов целесообразнее принять линейное приближение. В дальнейших исследованиях было принято решение принимать линейные зависимости как первое приближение, однако, чтобы показать, что различия незначительны, в дальнейшем изложении также приводятся и полиномиальные зависимости 2-ого порядка.
На графике 2.2.2 показана зависимость коэффициента анизотропии от температуры образца при постоянной влажности грунта 0.3 и числе пластичности, равном 0.163, соответствующем суглинку. Сравнение полиномиальной и линейной функции так же не выявило значительных отличий по коэффициенту корреляции. То же можно сказать и о влиянии температуры на деформацию образцов из супеси (рисунок 2.2.3). Мэксп Вид ірунта р.Плотность % содержание ГЛИН.ЧЗСГИІ 1р, число пластичности W, Влажность Т, температура Ф.коэффиц. анизотропии
По результатам экспериментов четко прослеживается связь коэффициента анизотропии с величиной отрицательной температуры в пределах исследованных границ изменения температуры: чем ниже температура грунта, тем выше коэффициент анизотропии. Причем характер изменения коэффициента анизотропии, а именно направление графиков и наклон, примерно одинаковы для разных видов грунта при постоянном значении влажности.
Следующим этапом исследований являлось изучение влияния влажности грунта на изменение деформации образцов. Для этого в холодильную камеру при постоянных температурах -5С и -10С заносились образцы, полученные из пасты глины (с процентным содержанием глинистых частиц 41%) и образцы из суглинка при постоянной температуре -10С (содержание глинистых частиц 24%). Влажность образцов принималась равной 0.2, 0.25, 0.3. Результаты экспериментов представлены в таблицах 2.2.4 и 2.2.5.
Сопоставление лабораторных наблюдений по промерзанию грунта с результатами численных расчетов
Программный модуль «Termoground» апробирован [31,47,48,58,87] и использовался при решении задач на многих объектах с 2002 г. Однако вопрос с коэффициентом анизотропии считается формальным и чаще всего принимается нулевым. Следует учесть полученное в разделе 2.2 выражение и рассмотреть результаты решения при ненулевых значениях коэффициента анизотропии.
Сопоставление лабораторных наблюдений по промерзанию грунта с результатами численных расчетов
Температурные поля в программе «Termoground» устанавливались ранее только для больших массивов [31,47,48,58,87], при этом в расчетах, как правило, использовались граничные условия 1 рода. Виду использования в настоящей работе большого количества испытаний малых образцов, представляло интерес, прежде всего, выполнить сравнение экспериментальных данных по замерам температур в малых промерзающих образцах с результатами конечно-элементных расчетов. Для выполнения указанного сопоставления необходимо было располагать данными точных измерений температур, которые можно было сравнительно легко выполнить в лабораторных условиях.
Для организации таких сопоставлений в лабораторных условиях были проведены эксперименты, в которых в приготовленные образцы грунта закладывались температурные датчики. Затем образцы помещались в морозильную камеру при постоянной температуре -10С. Специальная программа, считывающая показания датчиков, была установлена на прием данных каждые 10 минут в течение 12 часов. По результатам испытания были построены графики зависимости температуры в образце от времени при одностороннем и всестороннем промерзании. Результаты одного из характерных опытов показаны на рисунке 3.2.1.
Графики зависимости температуры в образце грунта при всестороннем промерзании от времени в лабораторных условиях Для сопоставления результатов лабораторных исследований и численного расчета была смоделирована температурная задача в программном модуле «Termoground», принцип работы которого и особенности решения задач представлены в разделе 3.1. Ввиду симметрии в расчетах была рассмотрена четверть образца с граничными условиями 1 -го рода (заданная температура) с постоянной величиной температуры -10С, соответствующей лабораторным условиям (Рисунок 3.2.2.). Теплофизические характеристики грунта модели принимались по табличным данным Приложений к СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».
Расчетная схема для решения температурной задачи в программном модуле «Termoground» с указанием точек, в которых проводились замеры в лабораторном и численном эксперименте Результаты измерений и расчетов при одностороннем и всестороннем промерзании объединены на рис. 3.2.3. Из графиков на рис. 3.2.3 видно, что в лабораторных условиях процесс промерзания в образцах протекает в 3 этапа. Первый этап - охлаждение образца до температуры замерзания воды в порах. Второй этап - превращение воды в лед с последующим выделением тепла за счет фазового перехода. Необходимо обратить внимание на то, что в экспериментах с одномерным промерзанием образца наблюдается температурный скачок, а при всестороннем промерзании его практически не видно, по-видимому, из-за более быстрого распространения тепла в атмосфере (в холодильной камере). И третий этап - дальнейшее постепенное охлаждение образца до установившейся температуры в камере. Также на рисунке показан график, составленный по результатам численного расчета, при сравнении которого с графиком, полученным в лаборатории, можно визуально установить, что расчетный график процесса промерзания протекает с большей скоростью и результаты порой разнятся с экспериментом в 2 и более раза при задании граничных условий 1 -го рода для малых образцов.
Сопоставление результатов экспериментов по промерзанию образцов грунта, полученных в лабораторных условиях и численным методом Полученная разница в результатах лабораторных и численных экспериментов требует внесения в конечно-элементные расчеты корректив. Наиболее очевидным является изменение граничных условий задачи. В связи с этим было принято решение рассчитать задачу с граничными условиями 3-го рода (на контакте поверхности грунта с атмосферой происходит конвективный теплообмен), как предположительно наиболее подходящими к данной ситуации. В виде граничного условия выступает программный элемент «теплообмен по четырехугольнику», в котором задается значение температуры и коэффициента теплоотдачи. Заданную температуру, как и в предыдущей задаче, принимали равной -10С, однако оставался вопрос с определением коэффициента теплоотдачи. Был проведен цикл задач с различными значениями коэффициента теплоотдачи. Наиболее близкие к экспериментальным результаты расчета представлены на рисунке 3.2.4.
Сопоставление результатов экспериментов по всестороннему промерзанию образцов грунта, полученных в лабораторных условиях и численным методом с граничными условиями 3 рода. Таким образом, можно полагать, что для решения задач промерзания малых образцов более корректным является использование граничных усло вий 3-его рода. Коэффициент теплоотдачи следует принимать в интервале от 0.0014 до 0.0019 Вт/(см2 С), что и будет использоваться в дальнейших расчетах. Заметим, что полученные значения коэффициента теплоотдачи практически совпадают с данными [33], рассчитанными в соответствии с приведенными в [14]. Если в расчетах температурных полей масштабных объектов предполагается использовать граничные условия 3-его рода, то значения коэффициентов теплоотдачи, очевидно, могут определяться в лабораторных условиях по изложенной методике.
В настоящем разделе рассматриваются результаты моделирования деформаций пучения грунта на примере малых образцов, испытанных в лабораторных условиях, а так же проверка работоспособности формулы для коэффициента анизотропии морозного пучении 2.6, полученной в главе 2. Для этого по имеющимся размерам лабораторных образцов была составлена конечно-элементная модель в программном модуле «Termoground».
Выполнен цикл задач с различными значениями коэффициента анизотропии, полученными расчетом по формуле 2.6 в зависимости от вида грунта, и проведено сравнение результатов с результатами расчетов с нулевыми значениями коэффициента анизотропии.
Особенностью решения задач промерзания-оттаивания является то, что оно несвязанное, т.е. задача о распределении температур в грунте решается независимо от задачи о напряженно-деформированном состоянии грунта. Поле же температур, полученное при решении термовлажностной части задачи, используется для расчета деформаций и напряжений при решении второй части задачи.Таким образом были перенесены температурные поля, полученные при решении температурной задачи, приведенной в разделе 3.2, на деформационную часть задачи.
Решение температурно-влажностной задачи с помощью программного модуля « Termoground»
К сожалению, перемещения конструкций здания вследствие пучения грунтов основания непосредственно не отслеживались. Как уже отмечалось, измерялись только осадки оттаивания после включения отопления. Максимум осадок оттаивания составил 46 мм. В связи с этим, с некоторым приближением можно полагать, что деформации подъема конструкций, обусловленные морозным пучением, имеют тот же порядок. Эти цифры были приняты в качестве контрольных в последующих расчетах.
Для решения задачи была составлена конечно-элементная расчетная схема в базовом программном комплексе «FEM Models».
Расчетная схема задачи приведена на рисунке 4.2.1. 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 - оболочечными конечными элементами. Толщина грунтового массива была выбрана исходя из расчета глубины сжимаемой толщи, и равнялась 12 м [98]. Всего расчетная схема содержала более 100 тысяч конечных элементов.
С помощью модуля «Termoground», описанного в разделе 3.1, предварительно решалась температурная задача. В качестве граничных условий принимались условия первого рода. Для этого требовалось задать температуру на дневной поверхности, которая принималась по данным мониторинга на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области с сайта pogoda.ru.net (рисунок 4.2.2).
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 на процессоре Intel Core І5. Некоторые результаты решения температурной задачи приведены на рисунках 4.2.4 и 4.2.5.
Оценим глубину промерзания грунта на период окончания устойчивых отрицательных температур (конец мая 2010 г.). На рисунке 4.2.3 показан вид расчетной схемы и номера сечений, по которым на рисунках 4.2.4 и 4.2.5 показаны максимальные глубины промерзания грунта.
На рисунках красным цветом показан талый грунт. Из рисунков видно, что наибольшая глубина промерзания приурочена к участкам устройства приямков. Максимальная глубина промерзания составила 1,45 м, что соответствует нормативным глубинам промерзания в регионе и может свидетельствовать о корректности расчета.
Промерзание до полуметра получено также для основания внешних граней фундаментов. Очевидно, это связано с тем, что железобетонное тело фундаментов представляет собой мостики холода, через которые отрицательная температура достигает внешних граней. Это показывает преимущество численных методов, так как выявить подобные эффекты с помощью аналитических расчетов невозможно.
Таким образом, расчетным путем установлено, что возможная глубина промерзания грунта составляет до 1,45 м. Промерзание происходит в пределах слоя ИГЭ-4в.
В процессе промерзания за счет миграционного процесса, как известно, происходит увеличение суммарной влажности грунта. Оценим влажность в точках, соответствующих точкам динамического зондирования и точке бурения скважины 3, расположенной напротив шурфа 1 внутри здания. На рисунках 4.2.6. и 4.2.7. показаны графики изменения влажности по глубине. В слое ИГЭ-46, подстилающим несущий слой, влажность остается равной природной.
Исходная влажность несущего слоя ИГЭ-4в составляла 0,258. В результате промерзания грунта и миграции влаги к фронту промерзания с наружной стороны фундаментов расчетная влажность увеличивается до 0,356, с внутренней стороны - до 0,381. Сравнивая данные динамического зондирования с характером распределения расчетной влажности можно увидеть характерную зависимость снижения сопротивления зондирования с увеличением влажности. Принципиальное соответствие такого характера подтверждает корректность выполненных расчетов.
На рисунке 4.2.8 построены графики распределения влажности грунта в основании по расчету и по лабораторным исследованиям по скв. 2. . Можно отметить, что характер графиков подобен, во всех случаях имеется пиковое значение природной влажности, причем влажность выше природной, определенной предыдущими изысканиями. Влажность грунта, по расчету, имеет пиковое значение на глубине около 0,5 м ниже подошвы фундаментов, фактически на глубине 1 м. Разница в 0,5 м связана с тем, что под фундаментами выполнена подготовка из гидроизоляции, щебня, бетона общей толщиной около 0,4 м, что не отражается в расчетах.
