Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Одной из приоритетных задач государственной программы социально-экономического развития Дальнего Востока и Забайкалья, утвержденной распоряжением Правительства РФ 29 марта 2013г., является совершенствование транспортной и энергетической инфраструктуры региона. Предусматривается увеличение пропускной способности Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей, расширение портовой и аэродромной сетей, увеличение объемов строительства автомобильных и железных дорог, развитие электроэнергетики. Реализация названных задач в сложных природно-климатических условиях Дальневосточного федерального округа во многом определяется эффективностью методов проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации сооружений в сезоннопромерзающих и вечномерзлых грунтах, позволяющих прогнозировать все возможные неблагоприятные состояния оснований с учетом меняющихся свойств грунтов.
Строительство и эксплуатация сооружений в условиях Дальневосточного региона связаны со сложными природно-климатическими и инженерно-геологическими условиями. В этом случае, при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, необходимо выполнять многофакторную оценку, позволяющую расчетным путем прогнозировать все возможные неблагоприятные воздействия и предусматривать эффективные конструктивные мероприятия, исключающие их.
В настоящее время процессы, происходящие непосредственно в природном массиве грунта, мало изучены. Современные программные комплексы расчета промораживаемых и оттаивающих оснований направлены, в основном, на решение либо теплофизических, либо влагопроводных задач и не учитывают совместную оценку напряженно-деформированного состояния грунта под сооружением и окружающего массива от сил, возникающих в процессе промерзания, морозного пучения и оттаивания.
В настоящей работе проведено исследование влияния температурно-влажностного режима промораживаемого и оттаивающего грунта на напряжено-деформированное состояние сооружения и его основания.
Численное моделирование температурно-влажностного режима, напряженно-деформированного состояния основания проведено с использованием метода конечных элементов, что позволяет произвести количественный и качественный анализ напряженно-деформированного состояния сооружения и его основания, а так же решить ряд теплотехнических задач.
В настоящей работе предложена математическая модель грунта, адекватно описывающая совместное решение температурной и влагоповодной задач и позволяющая произвести совместную оценку напряженно-деформированного состояния основания и сооружения в процессе оттаивания.
Степень разработанности темы исследования
В настоящее время накоплен обширный материал об изменении влажности в промерзающих грунтах и обусловленных ею деформациях и силах пучения. Обобщенные результаты исследований данного направления приведены в отечественной и зарубежной литературе (Ершов Э.Д., Иванов Н.С., Порхаев Г.В., Пчелинцев А.М., Тютюнов И.А., Орлов В.О., Фельдман Г.М., Федоров В.И, Чеверев В.Г., Corte A.E., Xu X., и др.).
Ввиду чрезвычайной сложности процесса миграции влажности и влияния на нее множества внешних факторов (градиентов давления, температуры, влагосодержания) и физических свойств грунтов (дисперсности, пористости, плотности, минерального состава и т.д.) физика этого явления недостаточно раскрыта. Существует более тридцати теорий процесса миграции влаги при промерзании грунтов, в разработку которых значительный вклад внесли русские ученые: Ершов Э.Д., Далматов Б.И., Крылов М.М., Кудрявцев В.А., Кудрявцев С.А., Лукьянов В. С., Мельников П.И., Нерсесова З.А., Орлов В.О., Сахаров И.И., Сумгин М.И., Тютюнов И.А., Фадеев А.Б., Фельдман Г.М., Цытович Н.А., Чеверев В.Г., Чистотинов Л.В., Шимановский С. В. и др.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели глинистого грунта, которая позволяет учитывать изменение прочностных характеристик оттаивающего основания из-за изменения влажности в процессе промерзания.
Объект исследования – напряженно-деформированное состояние оттаивающего глинистого грунта при увеличении влажности в процессе промерзания.
Предмет исследования – изменение прочностных характеристик оттаивающего глинистого грунта в условиях температурно-влажностного воздействия.
Задачи исследования:
-
Выполнить анализ основных направлений исследований по оценке миграции грунтовой влаги и процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания;
-
Разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния глинистого грунта в условиях температурно-влажностного воздействия, позволяющую учитывать влияние накопленной миграционной влаги в оттаивающих глинистых грунтах, на прочностные характеристики грунтов основания;
-
Исследовать экспериментальным путем влияние изменения влажности на прочностные характеристики глинистого грунта в приборе трехосного сжатия;
-
Установить зависимость изменения прочностных характеристик грунта от изменения влажности в глинистых грунтах на основе экспериментальных данных;
-
Разработать устойчивый алгоритм численного моделирования, позволяющий исследовать влияние температуры и влажности на прочностные характеристики глинистого грунта в процессе промерзания и оттаивания;
-
Выполнить численную оценку эффектов, проявляющихся при оттаивании переувлажненного основания в процессе промерзания, в связи со снижением прочностных показателей глинистых грунтов;
-
Провести оценку адекватности разработанной модели путем сопоставления результатов численных и натурных экспериментов по исследованию влияния температуры и влажности на напряженно-деформированное состояние грунтов.
Научная новизна исследования:
результаты экспериментального исследования влияния влажности на прочностные характеристики глинистого грунта при трехосном сжатии;
математическая модель грунта, учитывающая влияние миграционной влаги в промерзающих и оттаивающих глинистых грунтах на изменение прочностных характеристик грунтов основания, реализованная методом конечных элементов;
зависимости и конструктивные решения для исследуемых процессов и объектов, полученные с помощью разработанной математической модели.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
разработанная математическая модель позволяет учитывать изменение прочностных свойств глинистых грунтов в широком диапазоне температурно-влажностного воздействия;
результаты численного моделирования основания в условиях взаимодействия с надземными конструкциями позволяют локализовать опасные участки, разработать конструктивные мероприятия, уменьшить материалоёмкость проектируемых сооружений, их трудозатраты и стоимость.
Методология и методы исследования:
проведение натурных экспериментов с использованием типовых методик по исследованию влияния влажности и температуры на изменение прочностных свойств грунтов;
исследование влияния влажности талых грунтов на сопротивление недренированнному сдвигу на базе лабораторного эксперимента;
проведение численных экспериментов с помощью разработанной математической модели грунта, позволяющей описать деформации талого грунта с учетом влияния на его прочностные свойства температуры и влажности с последующей оценкой адекватности получаемых результатов.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, п.1 «Разработка новых математических методов моделирования объектов и явлений», п.5 «Разработка новых математических методов и алгоритмов интерпретации натурного эксперимента на основе его математической модели.», п.6 «Разработка новых математических методов и алгоритмов проверки адекватности математических моделей объектов на основе данных натурного эксперимента».
Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается:
– использованием при построении математической модели общепринятых теоретических положений механики деформированного твердого тела и механики мерзлых грунтов;
– тестированием разработанной математической модели путем сравнения результатов расчета с результатами экспериментов, выполненных при одинаковых исходных данных;
– разработанный программный модуль зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на 8 региональных, российских и 10 международных конференциях, часть из которых: научный семинар Института машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Комсомольск-на-Амуре, ноябрь 2013г.); 1-ый Международный симпозиум по транспортным грунтовым сооружениям в холодных регионах (Синин, КНР, август 2013г.); V Международный геотехнический симпозиум (Национальный Инчхонский университет, Республика Корея, май 2013 г.); IV Международный геотехнический симпозиум «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (ДВГУПС, Хабаровск, июль 2011 г.); четвертая конференция геокриологов России, посвященная 100-летию со дня рождения основателя кафедры геокриологии В. А. Кудрявцева (МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва, июнь 2011 г.); Международная научно-практическая конференция, посвященная 45-летию Целиноградского инженерно-строительного института «Современная архитектура, строительство и транспорт: Состояние и перспективы развития» (Астана, Республика Казахстан, май 2009 г.); Международная конференция по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (ПГУПС, Санкт-Петербург, июнь 2008 г.).
Внедрение научных результатов диссертации подтверждено актом внедрения результатов исследований ОАО «Росжелдорпроект» филиал Хабаровский проектно-изыскательский институт «Дальжелдорпроект» для объектов строительства на Дальневосточной железной дороге, актом о внедрении результатов исследований ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» при выполнении научно-исследовательских работ.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Работа содержит 148 страниц текста, 57 рисунков, 4 таблицы; список литературы содержит 120 источников.
