Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ основных направлений исследования процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания грунтов 19
1.1. Существующие теории процесса промерзания грунтов основания сооружений 19
1.2. Существующие теории миграции грунтовой влаги в процессе промерзания 32
1.3. Существующие теории процесса морозного пучения грунтов 49
1.4 Особенности процесса оттаивания мерзлых грунтов 70
1.5. Выводы по главе 1 75
Глава 2. Анализ деформаций сооружений в результате воздействия морозного пучения и оттаивания грунта 77
2.1. Оценка процесса промерзания и оттаивания пучинистых грунтов основания малонагруженных сооружений 77
2.2. Деформации зданий и сооружений на пучинистых грунтах 86
2.3. Оценка состояния земляного полотна Восточного полигона железных дорог 104
2.4. Выводы по главе 2 108
Глава 3. Методологическое обоснование численного моделирования процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания грунтов 111
3.1.Предпосылки к построению модели теплофизических задач методом конечных элементов (МКЭ) ; 111
3.2. Математическая модель теплофизических процессов с учетом фазовых переходов воды в интервале отрицательных температур 118
3.3. Определение влажности мерзлого грунта первоначально находящейся в порах за счет незамерзшей воды при промерзании 123
3.4. Определение влажности мерзлого грунта за счет интенсивности миграционного подтока влаги 127
3.5. Интерполяционные функции 139
3.6. Итерационная схема решения уравнений 141
3.7. Численное моделирование процессов морозного пучения в сезонно-промерзающих грунтах 144
3.8. Численное моделирование процессов оттаивания промороженных грунтов 155
3.9. Выводы по главе 3 159
Глава 4. Расчеты процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания .. 161
4.1. Промерзание столбика грунта сверху 161
4.2. Промерзание столбика грунта сверху и снизу 165
4.3. Распределение температуры в столбике грунта 168
4.4. Анализ процесса промерзания и оттаивания 172
4.4.1. Расчет фронта оттаивания во времени 174
4.4.2. Расчет фронта промерзания во времени 177
4.5. Геотермический конечноэлементный анализ процесса оттаивания грунтов 181
4.6. Анализ процесса оттаивания вечномерзлых грунтов под теплым зданием 185
4.7. Анализ процесса промерзания грунта вокруг трубы 190
4.8. Оценка деформаций грунтов, связанных с промерзанием и
оттаиванием 193
4.9.Исследование нормальных сил пучения 198
4.10.Работа анкерных фундаментов в пучинистых грунтах 206
4.11 .Выводы по главе 4 215
Глава 5. Примеры расчета процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания 217
5.1. Натурные и численные исследования процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания 217
5.2. Пространственные теплофизические расчеты длительно эксплуатируемого здания в условиях глубокого сезонного промерзания 227
5.3.Исследования процесса промерзания и морозного пучения грунта в услови ях миграции влаги 234
5.4. Численное моделирование процесса морозного пучения грунтов свайных фундаментов 241
5.5. Пространственные теплофизические расчеты процесса промерзания в процессе строительства у существующего здания Лениградского зоопарка 250
5.6. Пространственные теплофизические исследования распределения температурных полей в насыпи км 7286 ПК 6+50 и ПК 7+18 Забайкальской железной дороги на перегоне Горелый-Имачи 253
5.7.Исследование процесса морозного пучения и оттаивания участка насыпи Забайкальской железной дороги 259
5.8. Исследование эффективности устройства теплоизоляции грунтов для снижения процесса морозного пучения и оттаивания участка выемки железной дороги Забайкалья 266
5.9. Исследование процесса морозного пучения и оттаивания участка земляного полотна Сахалинской железной дороги 271
5.10. Пространственная задача деформаций массива 278
5.10.1. Расчет деформаций морозного пучения здания холодильника в г.Бикин Хабаровского края 280
5.10.2. Расчет деформаций морозного пучения здания холодильника в г. Санкт-Петербург 284
5.11.Выводыпо главе 5 295
Основные выводы 297
Список литературы
- Существующие теории миграции грунтовой влаги в процессе промерзания
- Оценка состояния земляного полотна Восточного полигона железных дорог
- Определение влажности мерзлого грунта первоначально находящейся в порах за счет незамерзшей воды при промерзании
- Анализ процесса промерзания и оттаивания
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема негативного воздействия морозного пучения на сооружения в период промерзания грунтов находится в центре внимания, начиная с момента строительства и в течение всего времени эксплуатации CCGpySCCUrlrt. х ірИЧИНОИ ТаКОГО ВККМаККй ЯВЛЯЮТСЯ МКОГОЧКСЛсК-
ные деформации зданий, сооружений, рельсового пути и опор контактной сети, вызываемые морозным пучением грунтов. Неравномерное пучение грунтов негативно воздействуют на конструкции зданий и сооружений, приводя их в аварийное состояние, искажая профиль рельсового пути. Для обеспечения безопасного движения поездов на пучиноопасных участках требуется постоянный ремонт пути с затратой большого количества-рабочей силы и огромных средств. Проблема морозного пучения грунтов определяется не только количеством отремонтированных зданий, сооружений, замененных участков пути и опор контактной сети, но и безопасностью перевозок и эксплуатации сооружений. В силу этого проблема может быть названа социальной, имеющей важное народно-хозяйственное значение.
Разработка новых методов расчёта сооружений в условиях сезонного промерзания морозоопасных пучинистых грунтов, повышающих эксплуатационную надёжность проектируемых и реконструируемых транспортных сооружений, является актуальной проблемой в области капитального строительства и эксплуатации сооружений.
Для проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации различных инженерных сооружений, возведенных на территории распространения сезонного промерзания грунтов, необходимо уметь делать многофакторную оценку естественных инженерно-геокриологических условий района изучения, позволяющую расчетным путем прогнозировать все возможные неблагоприятные воздействия в процессе хозяйственного освоения территории. Последнее приобретает особое значение в связи с необходимостью разработки специальных мероприятий по охране окружающей среды и обеспечению устойчивости сооружений. Поэтому одной из основных проблем, связанных со строительством и реконструкцией зданий и сооружений в районах с глубоким сезонным промерзанием, оказывается проблема научно обоснованного исследования-инжёнерно-геокрилогических условий, дающих основу для прогнозирования деформаций морозного пучения и оттаивания промерзающего основания.
Целью настоящейработы является решение научно-технической проблемы, заключающейся в разработке расчетно-теоретического аппарата с использованием нелинейной механики мерзлых грунтов, позволяющего прогнозировать негативные воздействия сил морозного пучения грунта с учетом многофакторности процесса и »»ет^а<иожи№І09р|ІТЬІВать мероприя-
I 3 БИБЛИОТЕКА {
тия, снижающие или исключающие проявления морозного пучения и оттаивания грунтов, гарантирующие надежность проектируемых зданий и транспортных сооружений, обеспечивая безопасность их эксплуатации.
Для реализации этой цели были проанализированы такие малоучтен-ные ранее особенности процессов промерзания и оттаивания, как физическая нелинейность, запаздывание распространения температур, особенно в водонасыщенных грунтах (эффект тепловой завесы), с одной стороны, и увеличение деформаций морозного пучения во времени за счет миграции влаги к фронту промерзания и увеличения объема промерзающего грунта, в том числе с учетом развития морозобойных трещин, с другой стороны.
Для достижения поставленной цели необходимо бъторешить следую-щиеосновныезадачи,;
-
Разработать методы расчета проектируемых и реконструируемых сооружений в условиях сезонного промерзания-оттаивания морозоопасных пучинистых грунтов с учетом фазовых превращений воды в интервале отрицательных температур для нестационарного теплового режима в трехмерном пространстве с учетом миграции влаги от уровня подземных вод к фронту промерзания грунта;
-
Создать методологию расчета оснований для анализа напряженно-деформированного состояния массива грунта, являющегося средой сооружений, испытывающей процессы морозного пучения и оттаивания, как на стадии реконструкции сооружений, так и на стадии проектирования и производства работ, что позволит проектировщику обосновывать выбор конструктивных решений и способов выполнения работ по регулированию этого негативного процесса;
-
Разработать методы, позволяющие прогнозировать глубину промерзания грунтов, величину деформаций морозного пучения, оттаивания основания сооружений и проектировать адекватные конструктивные мероприятия с учетом этих негативных явлений.
Применение предлагаемых методов расчета и исследования позволит разрабатывать мероприятий, уменьшающие значения неравномерности деформаций сооружений до допустимых значений, и соответственно снижающие материалоёмкость проектируемых конструкций и их трудозатраты. При этом могут быть сокращены сроки строительства и уменьшены стоимость и периодичность производства работ по капитальному ремонту.
Разработка и внедрение программного обеспечения проводились с целью совершенствования предлагаемых методов расчёта и доведения их до реальной проектной практики в наиболее наглядном и доступном виде.
Разработанный метод расчёта применяется для геотехнического обоснования проектирования и усиления сезонно промерзающих оснований как при новом строительстве, так и при реконструкции.
На защиту выносятся:
метод численного решения теплофизических задач с использованием уравнения теплопроводности с учетом фазовых превращений в интервале отрицательных температур для нестационарного теплового режима применительно к трехмерному грунтовому пространству;
результаты численного моделирования процесса морозного пучения с учетом миграции влаги к фронту промерзания при изменяющемся во времени положении уровня подземных вод;
полученные закономерности распределения температурных и влаж-ностных полей, развития деформаций морозного пучения и оттаивания грунтов при промерзании и оттаивании;
результаты решения физически нелинейных пространственных задач механики мерзлых грунтов.
Научная новизна заключается в следующем:
Разработана методика расчета температурных полей, позволяющая учитывать вклад в общий баланс теплопотоков за счет миграции влаги, оценка объема которой выполняется на основании ранее известных экспериментальных данных;
Разработан метод расчета осадок при оттаивании грунтов с использованием данных стандартных лабораторных определений и по физическим показателям промороженного грунта для количественной оценки деформаций оснований и сооружений;
Разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния промерзающих-оттаивающих оснований, позволяющий обосновывать выбор технологии производства работ нулевого цикла при строительстве и реконструкции сооружений;
Разработана методика многовариантного совместного геотехнического расчета системы «сооружение-промерзающее пучинистое основание», позволяющая прогнозировать глубину промерзания и оттаивания грунтов, величину деформаций морозного пучения и оттаивания сооружений и проектировать адекватные конструктивные мероприятия с учетом этих негативных явлений.
Достоверность научных результатов подтверждается высоким уровнем метрологического обеспечения лабораторных и полевых исследований, выполненных на различных типах грунтов с применением современных методик и приборов; многолетние инструментальные наблюдения на опытных площадках; статистическая обработка результатов исследований; с достаточной для практики сходимостью численных (тестовых) расчетов с имеющимися данными экспериментальных исследований и данными многолетних наблюдений автора, проведенных на Тындинской мерзлотной станции, лабораторией «Основания и фундаменты» Дальневосточного государственно-
го университета путей сообщения, лабораторией кафедры «Основания и фундаменты» Архангельского государственного технического университета. Полученные расчетным путем данные имеют расхождения 5-15% с результатами натурных наблюдений.
Практическая значимость результатов исследований. Разработано и внедрено программное обеспечение, реализующее предложенную методику как для новых, а также реконструируемых сооружений. Результаты расчётов по предлагаемому методу нашли своё применение при проектировании и реконструкции целого ряда сооружений, таких как насыпи и выемки железных дорог, опоры контактной сети, жилые дома, промышленные здания и т.п., расположенные в Восточном полигоне сети МПС и в Северо-западном регионе России. Анализ практических решений по строительству и реконструкции сооружений в условиях Восточного полигона сети МПС с использованием численного моделирования позволил выявить и оценить, в том числе ' и многие факторы, ранее не отражаемые аналитическими методами расчета.
В диссертации приводятся примеры решения практических задач и анализируются эффекты, проявляемые при использовании разработанной модели; дается сравнение с проведенными автором и известными из научно-технической литературы аналитическими и численными решениями с использованием различных моделей грунта, с результатами лабораторных и полевых опытов.
Использование разработанной автором математической модели и метода конечно-элементного расчета процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания грунта в годичном цикле в пространственной постановке обобщает современные достижения в области исследования промерзающих-оттаивающих грунтов; позволяет существенно сократить объем и стоимость полевых работ и лабораторных исследований грунтов при проведении изысканий, повышает надежность технико-экономической оценки проектов нового строительства и реконструкции сооружений на Восточном полигоне сети МПС.
Численное моделирование сооружений позволяет контролировать по этапам процессы изменения температурно-влажностных полей и деформаций и эффективно использовать современные геоматериалы и геотехнологии для снижения или исключения негативных явлений, действующих на фундаменты и грунты основания зданий и сооружений в условиях их сезонного промерзания-оттаивания.
Значительный эффект дала реализация технических решений по реконструкции фундаментов зданий и сооружений с использованием теплоизоляционных материалов в сложных' климатических условиях. Это позволило уменьшить глубину промерзания грунта у фундаментов зданий и сооружений и, соответственно, снизить деформации морозного пучения. Практичес-
кая реализация реконструкционных проектов по утеплению грунтов экстру-зионным пенополистиролом на объектах Восточного полигона сети МПС и Северо-Западного региона Россиидала существенный экономический эффект.
Личный вклад автора. Работа обобщает материалы многолетних методологических, теоретических, полевых, лабораторных исследований, выполненных автором по изучению морозоопасных пучинистых грунтов в условиях глубокого сезонного промерзания в рамках фундаментальных, госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских и исследовательс ко-проектных работ по заказу Министерства путей сообщения и других организаций на кафедрах «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» ДВГУПС и «Основания и фундаменты» ПГУПС, «Геотехники» СПГАСУ, ЗАО «НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект» с 1979 г. по 2004 г. Все теоретические исследования, включая постановку и обоснование цели и задач работы, обоснование методик исследований, интерпретацию и обобщение полученных результатов, большинство лабораторных и полевых экспериментов, выполнены автором лично. Часть экспериментов выполнена совместно с сотрудниками Тындинской мерзлотной станции. Личное участие автора подтверждается большим числом публикаций по теме диссертации, более трети из которых написаны без соавторов, а также результатами апробации на конференциях и симпозиумах.
Основополагающие результаты исследований включены в учебный процесс по подготовке инженеров-строителей в Санкт-Петербургском и Дальневосточном государственных университетах путей сообщения. В рабочую программу курса «Основания и фундаменты» вошёл раздел «Проектирование оснований и фундаментов зданий на пучиноопасных грунтах», который отражен в главе учебника для студентов транспортных ВУЗов «Основания и фундаменты зданий и транспортных сооружений», подготовленного к изданию в 2005 г.
Реализация работы. Лабораторные и натурные исследования и расчеты процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания позволили разработать конструкции утепления фундаментов, исключающие деформации морозного пучения и оттаивания при строительстве, реконструкции и эксплуатации наземных конструкций зданий и сооружений: в Хабаровском крае; при строительстве малоэтажных зданий в г. Хабаровске; при строительстве пивоваренного завода в г. Великий Новгород; здания Кронштадской администрации г. Санкт-Петербурга; фундамента ограды Ботанического сада в Санкт-Петербурге; реконструкции здания холодильника по ул. Невельской в г. Санкт-Петербурге и др.
Метод расчета оснований зданий и сооружений в условиях промерзания морозоопасных пучинистых грунтов с разработкой мероприятий, исключающих негативное воздействие сил морозного пучения и оттаивания, вне-
дрен на Забайкальской и Дальневосточной железных дорогах. Экономический эффект от внедрения результатов по снижению и устранению сил морозного пучения на сооружениях Дальневосточной железной дороги составил более 2.9 млн. рублей.
Материалы исследований нашли отражение в учебном пособии, рекомендованным Дальневосточным региональным учебном центром для студентов строительных специальностей.
Апробация работы. Результаты исследований автора, являющегося членом Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (РОМГГиФ), более 50 раз докладывались на региональных, Российских и международных конференциях, часть из которых: «Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов из свай заводской готовности» (Владивосток, 1986, 1991), «Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении» (Уфа, 1987), «11-я Балтийская международная конференция по механике грунтов и фундаментостроению» (Таллин, 1988), «Обеспечение эксплутационной надежности земляного полотна железных дорог» (Санкт-Петербург, 1991), «Geocryological problems of construction in Eastern Russia and Northern China» (Чита, 1998), «2nd Canadian Specialty Conference on Computer Applications in Geotechnique» (Winnipeg, Canada, 2002), «Proceedings ofthe international coastal geotechnical engineering in practice» (Atyray, Kazakhstan, 2002),ч<Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов» (Санкт-Петербург, 2002), «Permafrost engineering. Proceeding ofthe fifth International symposium on permafrost engineering» (Yakutsk, 2002), «Криосфера земли как среда жизнеобеспечения» (Пущино, 2003), «Reconstruction of historical cities and geotechnical engineering» (Санкт-Петербург, 2003), «Каспийская Международная конференции по геоэкологии и геотехнике» (Баку. Азербайджан, 2003), «8th International Conference on Permafrost» (Zurich, Switzerland, 2003), «Extreme Hydrological Events: Theory, Modelling and Forecast» (Moscow, 2003), «9th International Conference on Numerical Methods in Continuum Mechanics» (Tiilina, Slovak Republic, 2003), «Криосфера нефтегазоносных провинций» (Тюмень, 2004), «Международная конференция по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству» (Пермь, 2004), «Международная геотехническая конференция» (Алматы, Казахстан, 2004), «The 6th International Symposium on Permafrost Engineering» (Lanzhou, P. R. China," 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 116 работ, в том числе учебное пособие (Хабаровск, 1999) и монография (Санкт-Петербург-Москва, 2004). Список 43 основных публикаций приведен в автореферате.
Объемработы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных вы-
водов и приложения. Она имеет объем 344 страницы печатного текста, 142 рисунков, 25 таблиц. Список литературы включает 332 наименования, в том числе 48 на иностранном языке.
Автор выражает благодарность за ценные советы, критические замечания, и всестороннюю поддержку своему научному консультанту доктору технических наук, профессору, лауреату Государственной премии Российской Федерации В. М. Улицкому в период написания диссертации. Автор искренне благодарит докторов технических наук, профессоров: СИ. Алексеева, Н.Н. Морарескула, В.Н. Парамонова, И.И. Сахарова, А. Б. Фадеева; кандидатов технических наук: Х.З. Бакенова, И.М. Тюрина и А.Г.Шашкина за внимание, проявленное к настоящей работе, ценные советы и замечания в период проведения исследований и написания диссертации.
Существующие теории миграции грунтовой влаги в процессе промерзания
Изучение процесса «промерзания - морозного пучения- оттаивания» тесно переплетается с изучением целого ряда смежных вопросов механики мерзлых грунтов, прямо или косвенно относящихся к теплопроводности грунтов с учетом фазовых переходов в интервале отрицательных температур для нестационарного теплового режима, силам морозного пучения и деформированию грунтов при оттаивании. Поэтому в историческом обзоре рассматриваются не только работы, непосредственно связанные с данной темой диссертации, но и работы, посвященные темам несколько удаленным.
В первые годы эксплуатации Транссибирской магистрали обнаружилось, что на многих местах зимой основная площадка земляного полотна неравномерно поднималась, т.е. имело место морозное пучение грунта. Усилия, развивавшиеся при этом, вызывали повреждение железнодорожного пути и прилегающих к нему зданий и сооружений. Они неравномерно поднимали земляное полотно и верхнее строение пути, а это вело к повреждению подвижного состава и даже к сходу поездов с рельсов. Следствием развития сил морозного пучения было то, что устои мостов и многочисленные подпорные стенки получали аварийные смещения.
Пучины на железных дорогах Транссибирской магистрали в конце девятнадцатого столетия носили массовый характер. До 95% российских железных дорог были подвержены морозному пучению, причем процент протяженности таких мест на отдельных дорогах составлял 27%, а на отдельных участках 75-90% [Любимов Л., 1897.].
Одним из основных методов при изучении мерзлых грунтов в районах глубокого сезонного промерзания является теплофизический метод. Сущность этого метода заключается в определении: температурных полей; коли чества незамерзшей воды в мерзлых грунтах при промерзании; теплофизиче-ских характеристик грунтов основания, прогнозирования процессов промерзания и оттаивания. Широко распространенные инженерные методы, используемые в частных случаях исследования процесса промерзания и оттаивания, весьма трудоемкие и мало пригодные для массовых прогнозных расчетов. Процесс сезонного промерзания и оттаивания, мерзлотные явления и криогенные процессы неразрывно связаны с движением и превращением структуры грунтов с учетом миграции влаги к фронту промерзания.
Основополагающими работами в общей теории теплопроводности были исследования, выполненные Д.В.Фурье в период с 1807-1822 г. Первой работой российских ученых является работа академика Петербургского института путей сообщения М.В.Остроградского, выполненная им во время парижской командировки (1822-1829 гг.) у Д.В.Фурье. М.В. Остро градский предложил метод решения дифференциальных уравнений теплопроводности. В качестве примера М.В.Остроградский привел решение задачи о распространении тепла в шаре — задачи, которая ранее рассматривалась Д.В. Фурье и С.Д. Пуассоном. Существенный вклад в изучении теплопроводности внесли известные ученые Габриэль Ламе и Бенуа Клайперон, работавшие в первой половине XIX века в Петербургском институте путей сообщения совместно с академиком М.В. Остроградским. Постановка задачи не отличается от современной. Приняв малую толщину литосферы, Габриэль Ламе и Бенуа Клайперон пренебрегли ее кривизной и рассмотрели задачу об одномерном теплопотоке в прямолинейных координатах. В итоге ими было получено приближенное решение задачи в виде движения границы затвердевания [Lame G, Clapeyron В., 1831].
Аналитическое решение задачи теплопроводности применительно к процессам оттаивания и промерзания впервые предложено в I860 году Ф. Нейманом (F. Neumann), известное в изложении Вебера Н. (Weber К) в 1901г., приведенное также в монографии Х.С. Карслоу и Д.К. Егер в 1947 г. [Carslaw H.S., and Jaeger J.C., 1947.; Карслоу X, Егер Д., 1964]. Уже позднее, в 1889 г., эту же задачу более подробно рассмотрел и опубликовал австрийский исследователь И.Стефан [Stefan I., 1889.].
Мерзлотоведение как наука фактически зародилось на геотермической основе. Первым научным обоснованием существования многолетнемерзлых пород на обширной территории Сибири явились геотермические данные А. Эрмана и А. Ф. Миддендорфа [Middendorf, 1848], а также Сумгин М.И. в 1927 г. Выли проведены измерения температуры в шахте Шергина в Якутске в толще вечномерзлых грунтов на глубине 116 м, которые не только установили, что она всюду отрицательная, но и выявили особенности ее изменения с глубиной.
Основоположник российского мерзлотоведения М. И. Сумгин считал себя представителем теплофизического направления в мерзлотоведении. Большой вклад в разработку методов теплофизических исследований сезонного и многолетнего промерзания грунтов, установления взаимосвязей между тепловыми и криогенными процессами, получения приближенных решений задачи Стефана, использования достижений геотеплофизики для решения прикладных вопросов в различных отраслях народного хозяйства внесли отечественные мерзлотоведы В.П.Бакакин, В.Т.Балобаев, Б.И.Далматов, М.Ф.Киселев, М.М.Крылов, В.А.Кудрявцев, В.С.Лукьянов, П.И.Мельников, Н.А. Цытович, С.В.Шимановский и др.
В работе, касавшейся определения глубины заложения фундаментов, Н.А.Цытович [1946] фактически дал определение и краткую характеристику нормальных сил пучения грунтов.
Основной причиной пучения грунта является рост ледяных линз. Расширение идет в направлении потери тепла. Если произойдет замерзание мелкозернистого грунта под подошвой фундаментов сооружений, то возникающие силы пучения приподнимут фундамент, так как величина этих сил будет значительной, причем тем больше, чем больше будет сопротивление преграды. В этом случае противодействие силам пучения в промороженном основании сооружений не представляется возможным.
Оценка состояния земляного полотна Восточного полигона железных дорог
Работа Н.С. Богданова [1912] посвящена вечной мерзлоте и сооружениям на ней. Н.С. Богданов дал общее описание и классификацию вечной мерзлоты. Пучение замерзающих фунтов было рассмотрено им в разрезе опытов С,Г. Воислава и теории В.И. Штукенберга.
Работа Н.С. Богданова была первой книгой, рассматривавшей строительство в условиях вечной мерзлоты, и явилась обобщением того опыта, который уже имелся в России к 1912 году. Необходимо отметить, что Н.С.Богданов подчеркнул ведущую роль отечественной науки в данной области знаний.
Исследования того времени велись главным образом в направлении изучения опыта строительства и эксплуатации железных дорог Транссибирской магистрали России и поисков эффективных мер борьбы с пучинами. Зарождались отдельные экспериментальные и теоретические работы.
Несмотря на исключительное значение исследований деформаций грунтов при замерзании и оттаивании для железных дорог России, работы в этой области велись в очень малом объеме и только благодаря личной инициативе и энергии отдельных инженеров и ученых. И тем большая честь принадлежит русским инженерам и ученым, впервые изучавшим мерзлые грунты, успевшим сделать и далеко опередить в этой области знаний другие страны.
Большое географическое распространение вечномерзлых и сезонно-промерзающих грунтов вдоль Транссибирской магистрали, многочисленные аварии сооружений под действием сил морозного пучения грунтов или при их оттаивании, пучины на железных и автомобильных дорогах, повышение требований к экономичности и долговечности сооружений - все это настоя тельно диктовало самое тщательное изучение замерзающих и мерзлых грунтов.
В 1927 году опубликована книга М.И. Сумгина [Сумгин М.И., 1927]. В ней было описано географическое распространение вечной мерзлоты, температуры и гидрология вечной мерзлоты, дана гипотеза происхождения мерзлоты, хозяйственное значение мерзлоты и ее освоения.
Книга М.И. Сумгина послужила началом систематических исследований вечной мерзлоты —мерзлотоведению.
Несколько позже была издана новая работа М.И.Сумгина [1929], посвященная физико-механическим процессам во влажных и мерзлых грунтах в связи с образованием пучин на дорогах. В ней были приведены результаты исследований замерзающих грунтов, включая миграцию воды, образование искусственных наледей и расширение грунтов при замерзании. Эта работа М.И.Сумгина была первым широким экспериментальным исследованием в механике грунтов и, в частности, в механике грунтов.
Гигантское строительство в 30-40-е годы прошлого века, особенно в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов, ставило перед строителями и учеными новые проблемы, связанные с производством.
Особенность российской науки того периода заключается в том, что она всегда подчиняла себя непосредственным задачам страны и не отрыва лась от практики. Это ярко проявляется и в изучении мерзлых грунтов: ис следования все более и более приобретают инженерное, прикладное на правление. ,
В 1928-1934 г.г. появляется целый ряд работ Н.А. Цытовича по лабораторным, полевым и теоретическим исследованиям мерзлых грунтов. Рассматриваются вопросы строительства в области вечной мерзлоты, расчета фундаментов в тех же условиях, распространение тепла в моделях фундаментов, поставленных на мерзлый грунт, определение сил смерзания и т.д. В этих работах Н.А. Цытовича [1937] зарождается начало новой науки - механики мерзлых грунтов, имеющей исключительное значение для строитель ства в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов. Материалы, изложенные в этой работе, явились первым самым сжатым обобщением накопленного опыта по изучению мерзлых грунтов,
Андрианов П.И. [1936] исследовал пространственное распределение напряжений внутри замерзающего грунта. Для выяснения зависимости этих напряжений от направления тепловой волны было применено просвечивание грунтов лучами Рентгена.
Опыты П. И. Андрианова служили доказательством того, что при замораживании грунта в ограниченном объеме имеет место передвижение частиц грунта в сторону наименьшего сопротивления, т.е. в сторону еще не замерзшего грунта. Таким образом, он впервые установил, что при замерзании грунта в ограниченном объеме имеет место внутреннее пучение грунта.
Исследования мерзлых грунтов и, в частности, морозного пучения приняли плановый и систематический характер, причем исследования велись не только отдельными учеными, но и целыми организациями. Положено начало новым наукам: мерзлотоведение и механика мерзлых грунтов. Установлены основные закономерности в свойствах мерзлых грунтов и основные принципы строительства на мерзлых грунтах. Этому способствовала многосторонняя проверка новых выводов на строительстве, в поле, в лаборатории. Во всех работах тесно переплетаются теоретические положения с мерами практическими.
Аппак П.Е. в [1940], работая на объектах Амурского железнодорожного лагеря НКВД, систематизировал полученный опыт русских инженеров по гражданскому строительству в условиях вечной мерзлоты Дальнего Востока. Характерной особенностью работы советских ученых, да и всей нашей отечественной науки, является не только возможность широкого проведения исследований, но и быстрое внедрение результатов исследований в практику строительства. Это еще раз показывает прикладной характер механики мерзлых грунтов и неразрывную связь теории с практикой.
Определение влажности мерзлого грунта первоначально находящейся в порах за счет незамерзшей воды при промерзании
Вследствие миграции влаги к фронту промерзания в процессе пучения грунты, имевшие пластичную консистенцию до промерзания, после оттаивания могут находиться в текучепластичном и даже текучем состоянии. Это в наибольшей степени проявляется при оттаивании грунтов со слоистой или сетчатой текстурой.
Строение мерзлых грунтов (их структура и текстура) существенно сказывается на их свойствах при оттаивании и уплотнении. Лед в порах грунта начинает таять при повышении температуры, которая уменьшает льдоцемен-тационные связи. При температуре, равной температуре оттаивания грунтовой влаги сцепление между минеральными частицами резко скачкообразно падает до совершенно незначительных величин. При оттаивании мерзлых грунтов происходят два противоположных процесса: уплотнение за счет уменьшения пористости при отжатии оттаявшей влаги и набухание частиц и агрегатов в набухающих глинистых и заторфованных грунтах. Если после промерзания и последующего оттаивания пористость грунта увеличивается по сравнению с ее значением до промерзания, то уплотнение оттаявшего грунта будет больше, чем при уплотнении того же грунта, но не подвергавшегося замораживанию.
Наибольшее увеличение пористости мерзлых грунтов, а следовательно, и наибольшее их уплотнение при оттаивании, характерно при медленном промерзании в условиях открытой системы с подтоком влаги, когда формируется слоистая и сетчатая текстура со значительным количеством ледяных включений. Такие грунты при оттаивании всегда дают просадки и коэффициент их пористости резко снижается.
Повышение температуры мерзлого грунта до начала замерзания приводит к изменению его фазового состава (увеличению количества незамерзшей воды) за счет уменьшения льда цемента [Далматов Б.И., Ласточкин B.C., 1978]. Это сопровождается снижением прочности льдоцементных связей. При дальнейшем повышении температуры от начала замерзания грунта происходит вытаивание не только льда, цементирующего частицы грунта, но и льда включений. В результате резко меняются свойства грунтов и прежде всего сжимаемость, водопроницаемость и сопротивление сдвигу. Физические и механические характеристики в новом состоянии существенно отличаются от тех, которыми они обладали до промерзания.
При оттаивании мерзлых грунтов под нагрузкой в момент перехода из области отрицательных в область положительных температур часто наблюдается просадочность, т. е. резкое нарастание деформаций, приводящих к провальным осадкам. Как показывают исследования многих ученых [Цыто-вич Н.А., 1973; Шушерина Е.П., 1959, Киселев М.Ф., 1978], просадка, как. правило, больше величин пучения.
Многие фундаменты и сооружения находящиеся в слое морозоопасно-го пучинистого грунта подвергаются развитию неравномерных деформаций, как при пучении, так и при оттаивании грунта.
Весьма трудно получить корреляционные зависимости осадок при оттаивании от характеристик основных физических свойств мерзлых грунтов (плотности, влажности, льдистости и т.д.), так как осадки при оттаивании обусловлены многими факторами, не поддающимися количественному определению. К таким факторам относятся структура и текстура грунта (которая может существенно отличаться при одних и тех же физических характеристиках), физико-химические процессы, дисперсность в пределах каждого ви да грунта и т.д. Несмотря на указанные трудности, многими отечественными и зарубежными исследователями установлены закономерности, позволяющие рассчитать осадки оттаивающих грунтов на основании показателей их простейших физических свойств. Формулы базируются на теоретических предпосылках и эмпирических коэффициентах. При этом большее их число учитывает только осадки при свободном оттаивании (без внешней нагрузки) [Федосов А.Е.,1944; Гольдштейн М.Н., 1948; Пчелинцев A.M., 1964; Бакулин Ф.Г., Жуков В.Ф., 1955; Киселев М.Ф., 1952; Crory F.S., 1973; Ушкалов В.П., 1962; Давидочкин А.Н., 1957; Вотяков Н.И., 1975; Speer T.L., Watson G.N., Rowley R.K., 1973.; Keil L.D., Nielsen N.M., Gupta R.C., 1973; Роман Л.Т., 1987]. Все расчетные формулы для определения осадок оттаивающих грунтов по характеристикам физических свойств являются приближенными. Наиболее существенно определяют осадки мерзлых грунтов при оттаивании показатели плотности (плотности мерзлого грунта, скелета грунта и частиц грунта), затем показателями влажности (суммарная влажность мерзлого грунта, льдистость, влажность за счет незамерзшей воды). С увеличением плотности осадки при оттаивании уменьшаются, а с увеличением влажности и льдистости - увеличиваются. Влияние дисперсности учитывается введением в некоторые формулы показателя влажности на пределе пластичности, числа пластичности.
При проектировании фундаментов и оснований на оттаивающих грунтах (принцип II в соответствии со строительными нормами и правилами), расчеты осадок должны выполняться на основе экспериментально определенных деформационных характеристик.
Приняты две основные характеристики деформационных свойств оттаивающих грунтов: коэффициент оттаивания (А, доли ед.), равный относительной осадке грунта при оттаивании в условиях отсутствия внешней нагрузки; коэффициент сжимаемости (то, МПа"1), равный отношению приращения относительной деформации (Б) к приращению давления от внешней нагрузки (ДР), т.е. пъ = Є/ДР. Указанные характеристики получены на основе следующих подходов.
Лапкин Г. И. [1938] предложил разделять осадку мерзлых грунтов при оттаивании на две составляющие: "условную осадку оттаивания" (которая включает осадку не только оттаивания, но и постоянную при данном давлении часть осадки обжатия) и переменную "осадку обжатия", принимаемую пропорциональной увеличению давления сверх того, при котором испыты-вался мерзлый грунт. Аналогичный подход принят Н.А. Цытовичем (Цыто-вич Н.А., 1941; Цытович Н.А., 1952), который выделил осадку при оттаивании без нагрузки и осадку при дальнейшем уплотнении оттаявшего грунта, разработал методику испытания мерзлых грунтов при их оттаивании в компрессионных условиях. По результатам испытаний строится известная из общей механики грунтов зависимость осадки S сжимаемого слоя от коэффициента начальной пористости (е0) и его изменения в процессе уплотнения.
Для оттаявших грунтов, обладающих повышенной деформируемостью при уплотнении, зависимость относительной осадки от уплотняющего давления, как правило, нелинейная. Это обстоятельство следует учитывать при определении коэффициентов оттаивания и сжимаемости,
Осадки оттаивающих грунтов определяются следующим образом. Выделяют две составляющие: осадку от оттаивания и уплотнения собственным весом оттаявшего грунта и осадки, обусловленной дополнительным давлением на грунт от веса сооружения.
Анализ процесса промерзания и оттаивания
В этой главе приведены результаты опубликованных в научной печати аналитических, численных решений, натурных исследований задач процесса промерзания и оттаивания в сравнении с численными решениями с помощью программного модуля «TERMOGROUND». Цель данного исследования: Проверка адекватности разработанной и используемой в расчетах модели промерзающего и оттаивающего грунта;
Демонстрация функциональных возможностей программного модуля «TERMOGROUND» и специфической проблемы расчета сооружений на морозоопасных грунтах в условиях глубокого сезонного промерзания. Исходные и вычисляемые параметры теплофизических задач процесса промерзания и оттаивания включаются модулем «TERMOGROUND» в программном комплексе "FEM-models" [Шашкин К.Г., 2000] и подробно рассмотрены в главе 3 и в работах [UHtsky V.M., и др., 2002; Paramonov и др., 2003; Kudryavtsev S.A.,2003.; Кудрявцев С.А., 2003,2004].
В большинстве своем ранее выполненные работы исследования процессов промерзания морозного пучения и оттаивания проводились аналитически, в условиях одномерной и двумерных задач. Однако некоторые из этих результатов исследований позволили проверить адекватность программного модуля «TERMOGROUND» с известными научными решениями.
Численные результаты, полученные с использованием программного модуля «TERMOGROUND» сравнивались с численными результатами Кро-ника Я.А., Демин И.И.[1982] и результатами аналитического решения распределения температуры по глубине, приведенным А.В.Лыковым [1968], так называемой задачи Стефана. За рубежом эта задача известна как решение Ф. Неймана (F. Neumann).
Промоделируем процесс промерзания влажного слоя песчаного грунта во времени, рассмотренный Я.А.Кроником [1982], с учетом фазовых переходов воды в интервале отрицательных температур. На поверхности грунта задана постоянная температура T$uif=- 5 С. В начальный момент решения температура песчаного грунта по глубине составляет О С, а влажность слоя w=0.20.
Эпюры и графики распределения температур по глубине на различные периоды времени, приведенные на рис. 4.1, 4.2, 4.3, и как отмечали Кроник Я.А., Демин И.И. [1982], решение МКЭ при приближении к 0С дает более изогнутую линию, чем аналитическое решение. Изгиб объясняется эффектом размазывания теплоты фазового перехода свободной воды по интервалу
В данном решении промерзающего столбика грунта для рас 162 смотренного численного исследования с использованием программного модуля «TERMOGROUND» в сравнении с численным [Кроник Я.А., Демин И.И.,1982] и аналитическим решением температура начала замерзания принималась Tbf = - 0.3 с.
Как видно из рис. 4.3 в общем виде, погрешность численных расчетов очень невелика и при уменьшении интервала температуры начала замерзания снижается, становясь сравнимой величиной с необходимой точностью определения температур в грунте.
Промоделируем процесс промерзания влажного слоя песчаного грунта (с конечной толщиной 10 м) во времени с учетом фазовых переходов воды в интервале отрицательных температур, рассмотренный Я.А.Кроником и И.И.Деминым [1982]. Промораживание осуществлялось сверху и снизу постоянной температурой на поверхности столбика грунта, равной Tsurf= -5 С. В начальный момент решения температура песчаного грунта по глубине составляет 0С, а влажность слоя равна w=0.20.
На рис. 4.4 показаны графики распределения температур по глубине на различные периоды времени при исследовании процесса промерзания с учетом фазового перехода воды в лед в интервале отрицательных температур и без учета влажности грунта. На этом графике приведены численные результаты, полученные с использованием программного модуля «TER-MOGROUND» в сравнивании с численными результатами Кроника Я.А., Демин И.Щ1982] и результатами аналитического решения распределения температуры по глубине, приведенным А.В.Лыковым [1968], так называемой задачи Стефана,
Как видно из рис. 4.4, 4.5 первые 4 года процесс промерзания аналогичен показанному на рис.4.1,4.2,4.3. После замерзания всей свободной воды скорость промерзания резко увеличивается, и графики становятся подобны графикам, которые получаются при расчете без учета фазовых переходов. Следует отметить большой сдвиг по времени: если при нулевой влажности грунт полностью промерзает при температуре грунта на верхней и нижней границах поверхности Tsurf= -5 С (квазистационарное состояние) примерно через 1,5 года, то при наличии фазовых переходов - только на 6-й год. Такие же результаты были получены в численных экспериментах Кроника Я.А., Демина И.Щ1982].
Таким образом, численное моделирование теплофизических задач с фазовыми переходами воды в интервале отрицательных температур МКЭ в нелинейной постановке дает достаточно точные результаты и может применяться для решения практических задач определения температурных полей процесса промерзания.
Результаты расчета по программному модулю «TERMOGROUND» сравнивались с результатами, приведенного в канадском программном комплексе TEMPAV [Software TEMP/W, 1995-2003.]. В качестве тестовой задачи изменения теплового потока исследовалось распределение одномерного потока тепла. Аналитическую форму решений можно получить, используя основной закон распределения теплового потока. Сначала пример решался по программе «Termoground» и результат сравнивался с результатами численных решений по программе TEMP/W и аналитического решения.
Постановка задачи, геометрия и конечноэлементная дискретизация расчетной схемы показаны на рис.4.6. Столбик грунта длиной 10 м и сечением 1.0x1.0 м разбит на 100 тетраэдров толщиной 0.1 м. Грунт изотропный с теплопроводностью Л = 1.0 Дж/(см-С). В численных решениях не учитыва 168
лась изменение влажности грунта в процессе промерзания для корректного сравнения с устойчивым аналитическим решением, поэтому задача решалась без фазовых переходов воды в спектре отрицательных температур. Граничные условия задачи заданы следующим образом: слева - температура на поверхности TSUIf = +5.0С, справа - температура на поверхности Tsurt = -5.0С; тепловой поток на боковых поверхностях - нулевой, соответственно температура грунта внутри столбика тоже нулевая.
