Содержание к диссертации
Введение
1. Расчет и устройство упрочняемых грунтовых массивов в основаниях сооружений 12
1.1. Существующие способы улучшения строительных свойств грунтовых оснований 12
1.2. Методы определения напряженно-деформированного состояния закрепленных грунтовых оснований 20
1.3. Методы оптимального проектирования в механике грунтов и расчете сооружений 28
2. Постановка и решение задачи оптимизации параметров конструкций оснований из упрочненного грунта 32
2.1. Математическая формулировка задачи оптимизации. Критерий оптимальности 33
2.2. Формирование системы ограничений 37
2.3. Методы решения задачи оптимизации 40
3. Оптимизация параметров силикатизированных массивов в просадочных грунтах 46
3.1. Целевая функция и система ограничений 47
3.2. Основные факторы, влияющие на формирование напряженно-деформированное состояния основания, сложенного силикатизированными просадочными грунтами 50
3.3. Определение НДС основания в условиях подъема УПВ 55
3.4. Зависимости между технологическими параметрами и деформационно-іфочностньїми характеристиками закрепленного грунта 71
3.5. Примеры оптимизации параметров силикатизированных массивов в основаниях строительных объектов 79
4. Оптимизация параметров ледогрунтовой конструкции в основании, содержащем зоны талых грунтов 106
4.1. Целевая функция и система ограничений 108
4.2. Определение напряженно-деформированного состояния основания 113
4.3. Определение зависимости между технологическими параметрами и деформационно-прочностными характеристиками мерзлого грунта 114
4.4. Примеры определения оптимальных параметров мерзлых фунтовых конструкций в основаниях строительных объектов 120
Общие выводы 133
Литература 136
- Методы определения напряженно-деформированного состояния закрепленных грунтовых оснований
- Основные факторы, влияющие на формирование напряженно-деформированное состояния основания, сложенного силикатизированными просадочными грунтами
- Примеры оптимизации параметров силикатизированных массивов в основаниях строительных объектов
- Определение зависимости между технологическими параметрами и деформационно-прочностными характеристиками мерзлого грунта
Введение к работе
Необходимость вывода земель, пригодных для сельскохозяйственного производства, из сферы строительной индустрии вынуждает строителей осваивать участки со сложными грунтовыми условиями, в частности, с грунтами с неустойчивой структурой. К этой категории относятся сильносжимае-мые грунты (илы, торфы, насыпные грунты, ленточные озерно-ледниковые глины), просадочные, а также набухающие, мерзлые и вечномерзлые грунты в процессе оттаивания, пучинистые грунты, т.е. грунты, обладающие способностью изменять свои свойства под влиянием внешних факторов (статические и динамические нагрузки, водонасыщение или изменение степени влажности, изменение температурного режима и пр.) вследствие значительных структурных нарушений.
В большинстве случаев основания, сложенные подобными грунтами, не могут эксплуатироваться без определенного преобразования, предварительного улучшения их свойств, для чего используются различные методы: удаление и замена всего (или большей части) «слабого» грунта; устройство распределительных подушек (чаще всего песчаных) большей, чем естественные грунты жесткости и прочности; прорезка и передача нагрузки на нижележащие более прочные грунты; армирование слабого грунта различными конструкционными материалами и технологическими способами (сваями-дренами, создание геомассива и пр.); уплотнение (пригрузка, трамбование, взрывы и т.п.) грунтов основания; термические способы укрепления грунтовых массивов (обжиг, замораживание); химическое закрепление структурно-неустойчивых грунтов оснований.
Таким образом, при проектировании сооружений на структурно-неустойчивых грунтах возникает необходимость выбора способа улучшения их строительных свойств, а затем в рамках выбранного варианта разработка проекта, т.е. определение конфигурации и размеров, необходимых деформационно-прочностных характеристик упрочняемой области основания, что в свою очередь определяет длину, шаг и количество армирующих элементов; мощность и частоту располож ния охлаждающих (или нагревающих) установок; концентрацию, распределение и расход крепящих реагентов и т.п., исходя из требований расчета основания по 1-му и П-му предельным состояниям. Наряду с обоснованными конструктивными решениями в проекте должны рассматриваться в совокупности вопросы технологии, производства работ, экономики и пр.
В данной работе предлагается решение изложенной задачи при определении параметров химически упрочненных и замораживаемых грунтовых массивов в: а) основаниях, сложенных просадочными грунтами; б) в вечно-мерзлых основаниях, включающих зоны ослабленных грунтов. Рассматриваемые грунтовые условия являются наиболее сложными по своим строительным свойствам, разнообразию используемых технологий для их улучшения, и, по существу, разрабатываемые в диссертации подходы и методы определения параметров закрепленных массивов в данных случаях могут использоваться и для других грунтовых условий и технологий их упрочнения.
Одним из эффективных способов улучшения строительных свойств лессовых грунтов является способ силикатизации, разработанный еще в 30 -40-е годы советскими учеными Б.А.Ржаницыным, В.В.Аскалоновым и др. и широко применяемый в настоящее время. При этом методе в закрепляемые грунты под давлением нагнетается раствор силиката натрия с добавлением в него химических компонентов, играющих роль отвердителей.
Важным преимуществом этого способа является высокая прочность создаваемого массива грунта, а также возможность применения его при устранении аварийных ситуаций и в ходе реконструкции сооружений без ттттт прекращения их эксплуатации. Существенным недостатком силикатизации и других способов химического закрепления грунтов является их высокая стоимость. В практике строительства обычно используют частичное или сплошное равномерное закрепление оснований под строящимися или существующими объектами до отметки УПВ (уровня подземных вод), а интенсивность закрепления в пределах мелиорируемой области является постоянной. Часто это приводит к излишнему расходу дорогостоящего и экологически небезопасного силиката натрия.
Существующая технология силикатизирования просадочных грунтов позволяет закрепленному массиву придавать различные конфигурации и размеры в плане и по глубине, что достигается изменением расположения, числа и глубины инъекционных скважин. Изменяя расход силиката натрия в различных точках массива, можно получить неравномерно закрепленный массив с различной интенсивностью закрепления в разных точках. Таким образом, варьируя геометрическими параметрами закрепленного грунтового массива и интенсивностью закрепления в разных точках массива, можно получить оптимальную конструкцию силикатизированного основания, удовлетворяющую работе основания по 1-му и И-му предельным состояниям, и одновременно соответствующую минимальному расходу дорогостоящего крепящего вещества - силиката натрия.
Исследованиями физико-механических свойств мерзлых и оттаивающих грунтов, анализом протекающих в них криогенных процессов в нашей стране занимались С.С.Вялов, Н.А.Цытович, С.Э.Городецкий, Ю.К.Зарецкий, С.Б.Ухов, А.В.Садовский, Л.Н.Хрусталев, А.И.Колесов и др.
Мерзлые и вечномерзлые грунты вследствие наличия в них льдистоцементных связей при сохранении отрицательной температуры фунтов являются достаточно прочными и устойчивыми образованиями. Однако при оттаивании порового льда структурные льдо-цементные связи лавинно разрушаются, что приводит к значительным деформациям.
Кроме того, опыт строительства и эксплуатации сооружений в северных районах показывает, что протекающие в грунтах мерзлотные процессы приводят к образованию слабых зон в основаниях (термокарсты, криопэги, талики, бугры пучения, наледи и пр.), отрицательно влияющих на работу фундаментных конструкций и сооружений в целом, а так же нарушающих экологическое равновесие не только на застраиваемой территории, но и всего прилегающего региона.
Одним из способов предотвращения недопустимых осадок сооружений, а также сохранения природного экологического состояния вечномерзлых оснований, является локализация механического воздействия зданий и сооружений в верхнем слое грунтового основания путем использования его в качестве несущего элемента - грунтовой мерзлой плиты (оболочки), которая воспринимает внешние нагрузки, передаваемые фундаментами. Грунты несущей конструкции должны находиться в твердомерзлом состоянии и иметь температуру, обеспечивающую прочностные и деформационные качества грунтов, требуемые для восприятия внешних нагрузок.
Мерзлая грунтовая несущая конструкция устраивается с помощью се-зонно-действующих охлаждающих устройств (термосвай), вентилируемых подполий или каналов в течение всего эксплуатационного периода.
Технические решения и разрабатываемые на их основе механические модели вечномерзлых оснований, включающих зоны слабых грунтов, имеют ряд параметров, допускающих взаимные вариации в определенных наперед заданных пределах, температурные, геометрические и механические (прочностные и деформационные) характеристики мерзлой грунтовой конструкции, геометрические размеры слабой фильтрующей зоны грунтов и др., - что также, как и в случае химического закрепления лессовых грунтов, является основой для поиска наилучшего с определенной точки зрения (по стоимости, трудозатратам, времени строительства или деформационно-прочностным показателям) варианта конструкции основания.
Если рассматривать эту проблему с позиций многовариантного проектирования, то потребовалось бы рассмотрение и сравнение очень большого числа вариантов проекта с целью выбора наилучшего из них по указанному критерию. Даже при использовании ЭВМ такая задача становится трудно разрешимой, а найденное таким образом решение далеким от действительно оптимального. Для реализации задач такого круга наиболее целесообразным представляется использование аппарата прикладной теории оптимального проектирования, развивающейся на базе общей теории оптимального управления. Методы теории оптимального проектирования позволяют осуществить выбор наилучшего варианта без непосредственной проверки всех возможных вариантов.
Поскольку количество варьируемых параметров (т.е. размерность инженерных задач), как правило, достаточно велико (например, глубина и ширина упрочнения, расход крепителя или интенсивность промораживания в различных точках массива грунта, и, как следствие, изменение деформационных характеристик основания), а расчеты в соответствии с алгоритмами оптимизации требуют значительных затрат времени, оптимизационные методы ориентированы, главным образом, на реализацию с помощью ЭВМ.
Кроме того, основание, сложенное слабыми грунтами, имеющими включение из упрочненного грунта, да еще различной интенсивности закрепления в разных точках массива, представляет собой кусочно-неоднородную область. Расчет такого основания по предельным состояниям также требует привлечения численных методов расчета и использования ЭВМ.
В строительной механике методы оптимизации широко применялись, в основном, при проектировании наземных строительных конструкций -стержней, оболочек, пластинок, стержневых конструкций и массивных тел, работающих в пределах и за пределами упругости (В.Д.Райзер, С.Н.Медведев, К.Мажид, А.А.Чирас, А.П.Дзюба, Ю.М.Почтман, Л.В.Петрухин, В.Е.Киселев и др.).
В области фундаментостроения имеется ряд работ (С.Ф.Слюсаренко, В.А.Корольков, Р.И.Фурунджиев, П.В.Алявдин, Е.С.Максименко), посвященных созданию оптимальных конструкций ленточных и свайных фундаментов и фундаментов под отдельно стоящие колонны, выбору оптимального способа возведения фундаментов.
Методы математической оптимизации с успехом применяются и при решении ряда задач механики грунтов (А.Г.Дорфман, А.Л.Колесниченко, Ю.М.Почтман).
ЦЕЛЬЮ настоящего исследования является разработка методики определения оптимальных параметров (физических, геометрических, экономических) искусственно преобразованных оснований на примере закрепленных массивов просадочных грунтов и создания твердомерзлои конструкции в оттаивающих грунтах при удовлетворении требований расчета оснований по 11-му предельному состоянию, что позволит более обоснованно назначать размеры и форму упрочняемых массивов и более экономно расходовать крепящие реагенты и энергию промораживающих установок.
Для достижепад поставленной задачи в работе используются методы теории оптимального управления, позволяющие получить решение без непосредственного перебора множества вариантов проекта основания, имеющего включение из упрочненного грунта. При этом необходимо было:
1. Осуществить математическую постановку задачи оптимизации параметров закрепления грунтового массива в основаниях, сложенных струк турно-неустойчивыми грунтами. Сформировать выражения для критерия оп тимальности и системы ограничений и конкретизировать полученные зави симости применительно к оптимизации силикатизированных массивов в про садочных грунтах и ледогрунтовой конструкции в вечномерзлых основаниях, включающих зоны оттаявших грунтов.
2. Разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния упрочняемого основания, учитывающую специфические свойства структурно-неустойчивых грунтов при действии внешних факторов (нагруз ка, увлажнение, изменение температуры и пр.). основания от технологических параметров упрочнения структурно-неустойчивых грунтов.
Оценить влияние различных факторов (величину подъема УПВ, деформационно-прочностные свойства грунтов в природном состоянии, размеры "слабых" зон основания, исходные температуры грунтов и пр.) на оптимальные параметры конструкции из упрочненного грунта и экономичность того или иного варианта улучшения основания.
Реализовать предложенную методику при проектировании конкретных строительных объектов.
АКТУАЛЬНОСТЬ исследования заключается в большом объеме работ, связанных с технической мелиорацией структурно-неустойчивых грунтов и отсутствием методики, позволяющей обоснованно назначать параметры преобразованной (в том числе, силикатизированной или замораживаемой) области основания.
Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю академику РААСН, доктору технических наук, профессору В.А.Ильичеву за ценные советы и оказанную помощь при проведении исследований.
Автор также выражает благодарность сотруднику НИИОСП кандидату технических наук Н.Б.Кутвицкой и коллективу лаборатории механики грунтов (заведующий - кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.Г.Федоровский) за помощь и поддержку при проведении работ.
Методы определения напряженно-деформированного состояния закрепленных грунтовых оснований
Основной целью упрочнения грунтовых массивов является повышение несущей способности основания и предотвращение недопустимых неравномерных осадок сооружений. На сегодняшний день актуальной остается проблема разработки методов расчета оснований из упрочненного грунта. Так, расчет оснований из закрепленных силикатом натрия просадочных грунтов выполняется так же, как это рекомендовалось СНиП по проектированию обычных оснований [77]. Прежде всего, здесь следует отметить, что представление силикатизированиого лессового массива, как фундамента из закрепленного грунта, является недостаточно правомерным. Основанная на данном предположении методика не учитывает в полной мере совместную работу закрепленного массива с окружающей просадочной толщей.
О необходимости учета совместной работы массива закрепленного грунта с грунтом естественной структуры говорят результаты экспериментальных исследований, проведенные в работе [31]. В полевых условиях были проведены экспериментальные исследования по изучению несущей способности, осадки и распределения нормальных напряжений в лессовом основании, закрепленном силикатом натрия. В работе отмечается, что распределение напряжений в силикатизированном основании обусловлено сложным взаимодействием в результате нагружения и замачивания системы "жесткий фундамент - силикатизированный массив с различной степенью уплотнения -лессовое основание". В работе было установлено развитие значительных сил трения (касательных напряжений) при замачивании массива по контакту двух слоев: грунта естественной структуры и упрочненного массива.
Наличие возникающих дополнительных касательных напряжений необходимо учитывать при расчете оснований, сложенных силикатизирован-ными лессовыми грунтами, особенно в условиях замачивания. Исследованиями Григорян А.А. [35] при изучении работы железобетонных свай в просадочных грунтах установлено, что силы негативного трения возрастают с глубиной погружения сваи и находятся в пределах 0,2...0,5 от максимального значения сопротивления сваи при ее нагружении внешней нагрузкой.
Эти данные используются в работе [74], где предложена методика расчета сваи из закрепленного силикатом натрия грунта по несущей способности. Напряжения в грунтовой свае в зоне наибольшего развития сил нагружающего трения определяются послойным суммированием напряжений от сил нагружающего трения, возникающих в каждом і-том слое. Использование этой методики для расчета силикатизированных массивов, в отличие от расчета свай, не представляется достаточно правомерным. Во-первых, зоны развития и значения максимальных величин нагружающего трения экспериментально бььої определены для железобетонных свай, жесткость материала которых во много раз превосходит жесткость окружающего массива грунта. Согласно методики, материал сваи из силикатизированного грунта является однородным и имеет постоянные характеристики во всех точках тела сваи. Но, как было отмечено, интенсивность закрепления в разных точках массива может быть различной, что, соответственно, повлечет за собой изменение деформационных и прочностных характеристик. И, наконец, форма закрепленного массива может быть весьма произвольной, и тогда возникает вопрос о величине сил нагружающего трения в отдельном слое грунта и зоне их распространения.
Аналогичный подход использован и в работе [114], где исследуются осадки во времени лессового грунта, стабилизированного жидким стеклом. Осадка фундамента на укрепленном основании определяется послойным суммированием вертикальных деформаций сжатия слоев, расположенных на разной глубине и содержащих различное количество стабилизирующей добавки. При данном подходе нельзя учесть различную интенсивность закрепления грунта в плане.
В 1980 году НИИ оснований и подземных сооружений совместно с Ростовским ПромстройНИИпроектом выпустил "Рекомендации по проектированию закрепленных силикатизацией массивов в лессовых просадочных фунтах" [89]. Данные рекомендации предназначены для использования при проектировании закрепленных силикатизацией массивов в лессовых грунтах 1 и II типа по просадочности. В этой работе учтены силы нагружающего трения по боковой поверхности закрепленных массивов для II типа грунтовых условий по просадочности, взаимное влияние массивов, использованы численные методы и составлены реализующие их программы длч ЭВМ при определении напряженно-деформированного состояния системы "закрепленный массив-лессовый грунт".
Следует отметить, что размеры закрепленного массива назначаются здесь исходя из имеющегося опыта проектирования и строительства и уточняются затем в процессе расчета по двум группам предельного состояния: по деформациям и по несущей способности.
Осадка фундамента определяется с использованием расчетной схемы в виде упругого линейно-деформируемого полупространства методом послойного суммирования деформаций отдельных слоев. Причем для грунтовых условий II типа по просадочности суммирование деформаций под действием дополнительных к природному давлений, вызванных весом сооружения и силами нагружающего трения, которые развиваются по боковой поверхности массива, производится в пределах сжимаемой толщи.
Определение напряжений и перемещений в системе "закрепленный массив - лессовый грунт" с применением метода конечных разностей производится на основе теории линейно-деформируемой среды. В расчетной схеме по контакту закрепленного массива с окружающим лессовым грунтом предусматривается выполнение условия равенства напряжений и перемещений для зон, имеющих различные деформационные характеристики. Просадочные свойства лессового грунта учитываются изменением деформационных характеристик при замачивании.
Однако расчет закрепленного массива в условиях подъема уровня подземных вод производится в предположении мгновенного замачивания лессового грунта на всю высоту просадочной толщи, хотя для грунтов II типа более опасным является частичное замачивание просадочной толщи. Схема не дает возможности учесть изменение собственного веса лессового грунта в зоне "взвешивания" и капиллярного поднятия грунтовых вод.
Основные факторы, влияющие на формирование напряженно-деформированное состояния основания, сложенного силикатизированными просадочными грунтами
Стратегия поиска оптимального решения задачи определяется видом целевой функции и функций, входящих в систему ограничений. Все задачи поиска оптимального решения могут быть разбиты на две большие группы. задачи линейного и нелинейного программирования.
Задача, в которой критерий оптимальности и ограничения на варьируемые параметры выражены линеиньши зависимостями, является задачей линейного программирования. Оптимум в задаче линейного программирования (т.е. точка в пространстве варьируемых параметров, соответствующая минимуму целевой функции (2.1) и удовлетворяющая ограничениям (2.3) -(2.9)) всегда единственный (а значит, глобальный), достигается на границе допустимого множества [38, 49, 59].
В самом широком смысле нелинейное программирование рассматривает задачи отыскания экстремума целевой функции, в которых либо сама функция, либо ограничения нелинейны [14, 49]. В общем виде задача, представленная выражениями (2.1), (2.3) - (2.9), является задачей нелинейного программирования.
Решение задачи нелинейного программирования может быть осуществлено при помощи многих стратегий, использующих аналитические и численные математические процедуры, графические методы исследования функций, методы исследования различных вариантов решения и пр.
Аналитические методы поиска экстремума функции [14, 43, 109] используют классический аппарат дифференциального и вариационного исчисления. Эти методы заключаются в определении экстремума функции z( х ) путем нахождения тех значений х, которые обращают в нуль производные z( де) по х. Для решения большинства нелинейных задач аналитические методы оказываются неприемлемыми или малоэффективными.
Графические методы основаны на графическом изображении функции, подлежащей максимизации или минимизации. Графические методы [59, 103] просты и сразу показывают существует решение или нет. Однако, они эффективны лишь в тех случаях, когда критерий качества является функцией одной или максимум двух переменных.
Численные методы используют предшествующую информацию для построения улучшенных решений задачи при помощи итерационных процедур. Численные методы применяются для решения задач, которые не могут быть решены аналитически. Большинство практических задач поддаются решению численными методами, и в настоящее время они являются наиболее эффективными и широко применяемыми.
Среди численных методов существуют методы, использующие первые или вторые производные функций (например, градиентные методы и др.), а также требующие выполнения условия выпуклости целевой функции и функций, описывающих ограничения [39, 103]. Методы этой группы требуют весьма большой предварительной подготовки. К тому же часто (в том числе, и в нашем случае) функции, описывающие математическую модель, представляют собой весьма сложные зависимости, которые невозможно исследовать на выпуклость, и для которых невозможно определить производные. При выборе метода решения следует также учитывать, что в нашем случае при каждом новом наборе варьируемых параметров производится определение НДС основания, что требует достаточно больших затрат машинного времени. Эта ситуация усугубляется при повышении размерности задачи поиска оптимума (т.е. при увеличении числа варьируемых параметров). Поэтому наиболее простые методы (перебора, прямого поиска [115] и т.д.) здесь малоэффективны, поскольку объем вычислений может оказаться просто невыполнимым.
Учитывая все вышесказанное, в данной работе для поиска оптимального решения был использован метод «деформируемого многогранника», предложенный Нелдером и Мидом [106, 111]. Этот метод не требует никакой предварительной подготовки, не накладывает ограничений на вид функций. Сущность метода заключается в следующем.
Регулярные многогранники в л-мерном пространстве называются сим-плексЬми. Для случая двух переменных регулярный симплекс представляет собой равносторонний треугольник (три точки); для трех переменных - тетраэдр (четыре точки) и т.д. Координаты вершин регулярного симплекса определяются следующей матрицей [D], в которой номер столбцов представляют собой номера вершин, пронумерованных от 1 до (и+1), а строчки - их координаты:
Целевая функция вычисляется в каждой из вершин симплекса. Из вершины, где целевая функция максимальна, проводится проектирующая прямая через центр тяжести симплекса (точка А на рис. 2.2). Затем точка А исключается и строится новый симплекс, называемый отраженным, из оставшихся прежних точек и одной новой точки В, расположенной на проектирующей прямой на надлежащем расстоянии от центра тяжести. Продолжение этой процедуры, в которой каждый раз вычеркивается вершина, где целевая функция максимальна, а также использование правил уменьшения размера симплекса и изменяя его формы, предотвращения циклического движения в окрестности экстремума, позволяют осуществить поиск минимума, не использующий производные функций и в котором величина шага на любом этапе к фиксирована, а направление поиска можно изменять. Процедура отыскания вершины, в которой целевая функция имеет лучшее значение по сравнению с предыдущим шагом поиска производится с помощью операций растяжения, сжатия и редукции многогранника. Деформируемый многогранник адаптируется к топографии целевой функции, вытягиваясь вдоль длинных наклонных плоскостей, изменяя направление в изогнутых впадинах и сжимаясь в окрестностях минимума.
Примеры оптимизации параметров силикатизированных массивов в основаниях строительных объектов
При анализе результатов, представленных в табл. 3.5, и графиков на рисунках 3.28, 3.30 и 3.32, видно, что для всех вариантов параметров закрепленного грунта, рассчитанных по методике ОПЗ, достигается экономия общего расхода химических реагентов Q, необходимого для упрочнения данного основания, по сравнению с исходным (заложенным в проекте). Причем при варьировании интенсивностью закрепления в разных точках упрочняемого основания эта экономия существенно выше, чем при оптимальном закреплении массива грунта прямоугольной формы и постоянном значении концентрации силиката натрия.
При освоении территорий и обновления существующей застройки в районах распространения вечномерзлых грунтов часто встречаются основания, которые содержат криопеги, подземные старинные русла, талики и т.п., грунты которых имеют низкие деформационно-прочностные характеристики. Иногда глубина расположения и размеры слабых зон оснований не позволяют «прорезать» их сваями-стойками. Кроме того, по экологическим требованиям бывает необходимо сохранение природного состояния, например, старинного русла, не допустив его промораживания, чтобы не нарушить гидрологического равновесия в грунтах данного района.
Одним из эффективных способов решения указанных проблем является создание мерзлой грунтовой конструкции, перекрывающей зоны слабых грунтов [66]. Ледогрунтовая конструкция служит основанием для фундаментов сооружения и одновременно аккумулятором теплового воздействия от здания, сохраняя природные фильтрационные и тепловые процессы в нижележащих грунтах.
На рисунке 4.1 представлена условная схема устройства основания в вечномерзлых грунтах. Цифрами на рисунке обозначены: 1 - возводимо сооружение; 2 - элементы фундаментной конструкции; 3 - конструкция теплоизоляционного покрытия; 4 - источники охлаждения; 5 - область талого грунта; 6 - область искусственно замороженного грунта; - изотермы температурного поля; h 0С; t\, t2... 0С /„ - температура поверхности. Проектирование такого основания, имеющего области грунтов с различными температурными, физико-механическими, гидрологическими характеристиками, состоит в определении следующих параметров: размеров и глубины заложения фундаментов; наличия, а также расположения, размеров (толщины и площади) и теплоизоляционных характеристик термоизоляционного покрытия; расположения, размеров и температуры промораживаемых областей основания, и, как следствие, мощность и частота расположения се-зонно-действующих установок (СОУ). Оптимальное проектирование представленного основания заключается в том, что варьируя указанными параметрами ищется такое их сочетание, при котором будет обеспечена надежная работа основания (и построенного на нем сооружения) по условиям I и II групп предельных состояний при одновременном достижении наилучших технико-экономических показателей проекта (минимальных затрат материальных и людских ресурсов, максимальном сокращении сроков строительства, снижении экологического ущерба и пр.). При разработке оптимальной конструкции из твердомерзлого грунта на данном этапе решения целесообразно сократить размерность задачи, зафиксировав некоторые параметры и приняв их постоянными в качестве исходных данных - например, глубину заложения и размеры фундаментов, размеры и характеристики теплоизоляционного материала. В данной работе рассматривается задача об определении оптимальных параметров промораживаемой области грунта прямоугольной формы в основаниях, сложенных различными по температуре, и, следовательно, деформационно-прочностным свойствам, грунтами. Расчетная схема основания представлена на рис. 4.2, где обозначено: 1 - область слабого грунта (имитирующая, например, криопэг), имеющая положительную температуру (4 0С) и пониженные деформационно-прочностные характеристики; 2 - область относительно прочного пластично-мерзлого грунта, окружающего криопэг; температура грунта /j 0С; 3 - верхняя зона пластично-мерзлого грунта, имеющая температуру з 0С; в общем случае f3 h\ 4 - область искусственно замораживаемого грунта; U 0С; 5 - область твердомерзлых грунтов с высокими деформационно прочностными характеристиками. Таким образом, задача оптимизации (согласно рис. 4.2) формулируется следующим образом: определить минимальное количество энергии, вырабатываемое СОУ, необходимое для промораживания области грунта шириной В и глубиной //„л при одновременном обеспечении надежной работы основания по условиям II группы предельных состояний.
Определение зависимости между технологическими параметрами и деформационно-прочностными характеристиками мерзлого грунта
Следует также отметить, что с ростом Ет уменьшаются затраты энергии Q на создание слоя мерзлого грунта.
Из сравнения графиков на рис. 4.6, 4.9 и 4.10 видно, что во всех случаях оптимальная ширина ледогрунтовой плиты Япл практически не зависит от начальных грунтовых условий (Еу,, Ьт и f„i) и оптимальной температуры мерзлых грунтов (fK), и определяется, в основном, габаритами сооружения В то же время, на величину Нш существенное влияние оказывают деформационные свойства талого грунта Ещ (с ростом Ещ величина #„л заметно уменьшается), а также при определенных параметрах Ещ ( 5.0 МПа) начинают сказываться и размеры слабой зоны основания (с уменьшением Ьщ уменьшается и Яил).
На величину оптимальной температуры /к ледогрунтовой конструкции также существенное значение оказывают начальные параметры талой зоны основания Ещ и Ьщ. Так, при локальном расположении талика в основании сооружения (вариант 1, рис. 4.2) с ростом ширины слабой зоны основания Ьщ и снижением ее модуля деформации Ещ требуются более низкие температуры ледогрунтовой конструкции (т.е. повьппается жесткость мерзлой плиты) для восприятия внешних нагрузок. В то же время, при значительном распространении талых грунтов в основании сооружения, когда Ьщ не играет существенной роли или просто отсутствует (рис. 4.8 варианты 2 и 3) с ростом Ещ несколько понижается и оптимальное значение отрицательной температуры замораживаемого грунта, при этом значение величины расхода энергии на замораживание грунта снижется. Из чего следует, что на уменьшение затрат энергии Q в большей степени влияют габариты замораживаемой области основания (в первую очередь, толщина Ящ,) и в меньшей степени - величина понижения температуры А/.
Проведенный обзор способов строительства показал, что основания, сложенные структурно-неустойчивыми грунтами, не могут эксплуатироваться без предварительного улучшения их строительных свойств. При разработке проекта усиления оснований параметры упрочняемых массивов грунта (конфигурация, геометрические размеры, количество и распределение химических крепящих реагентов, количество охлаждающих установок и пр.) назначаются, как правило, на основе инженерного опыта, что зачастую приводит к излишним расходам материальных, энергетических, трудовых и др. ресурсов. 2. Разработан метод определения параметров упрочняемых грунтовых массивов с использованием теории оптимизации, который позволяет проектировать основания, отвечающие необходимым эксплуатационным требованиям при минимальных затратах на их создание. Метод применен при расчете оптимальных параметров силикатизиро-ванных массивов в просадочных грунтах в условиях подъема уровня подземных вод и ледогрунтовой конструкции в вечномерзлых основаниях, имеющих зоны отявших грунтов. 3. В качестве критерия оптимальности (целевой функции), миними зация которого производится в процессе поиска оптимального решения, ис пользуется натуральный показатель - общий расход жидкого стекла на созда ние силикатизированного массива и количество энергии, затрачиваемое на за мораживание грунтовой плиты. Решающим ограничением на область варьируемых параметров является удовлетворение нормативных требований расчета упрочняемого основания по II группе предельных состояний (по деформациям). Поиск минимума критерия оптимальности (целевой функции) осуществляется методом деформируемого многогранника Нелдера-Мида в сочетании с методом штрафных функций, что позволяет представить задачу условной оптимизации как задачу безусловной оптимизации. 4. При расчете напряженно-деформированного состояния силика тизированного просадочного основания разработан алгоритм, использую щий модель грунта в виде изотропной линейно-деформируемой среды (в условиях плоского деформирования), учитывающий изменение УПВ и связанное с ним изменение НДС в грунтовом массиве на основе экспериментальных зависимостей величины относительной просадочности от напряжения ejp). Расчет осуществляется методом конечных элементов. Сравнительный анализ показал, что осадки фундаментов, полученные предложенным методом, хорошо согласуются со значениями осадок, рассчитанными по методике СНиП, сертифицированному программному пакету SCAD, а также с экспериментальными данными. 5. Разработанный метод оптимизации параметров закрепления (ОПЗ) упрочняемых массивов с использованием линейной зависимости де формационных характеристик закрепленного массива от удельного расхода силиката натрия (q) позволяет получить оптимальные геометрические размеры прямоугольной упрочняемой области основания и оптимальное значение q, постоянное на весь закрепляемый массив. При проектировании основания с неравномерной интенсивностью закрепления произвольной формы получено оптимальное распределение силиката натрия различной концентрации (q) по объему закрепления. На основе данного расчета предложена технологичная квазиоптимальная конструкция силикатизированного массива в виде плиты непосредственно под фундаментами, опирающейся на столбы из закрепленного грунта в пространстве между фундаментами; концентрация раствора силиката натрия - q = const. 6. Проведенный сравнительный анализ различных вариантов опти мальных конструкций упрочненных грунтовых массивов показал, что наибо лее экономичной, с точки зрения расхода материала, является конструкция, в которой концентрация раствора силиката натрия варьируется в разных точках массива. Общий расход силиката натрия Q в данном случае в несколько раз ниже традиционного проектного значения.
