Диссертация (Влияние сезоннопромерзающих грунтов на фундаменты вертикальных стержневых элементов)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»На правах рукописиЦВИГУНОВ ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧВЛИЯНИЕ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВНА ФУНДАМЕНТЫ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооруженияДиссертация на соискание учѐной степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, доцентКудрявцев С.А.Хабаровск – 20182ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………4ГЛАВА 1 АНАЛИЗ РАБОТЫ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ОСНОВАНИЙВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ………………..……………111.1 Анализ процесса морозного пучения грунтов……………………………..…111.2 Анализ методики исследования влияния морозного пучения на отклонениестержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах…………………...….161.3 Основные причины и закономерности боковых отклонений вертикальныхстержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах………………………201.4 Влияние крутизны откоса и глубины заделки на боковую устойчивостьвертикальных стержневых элементов при промерзании грунта……..………....271.5 Влияние вибродинамического воздействия на вертикальные стержневыеэлементы…………………………...………………………………………….….…311.6 Выводы по главе 1……………………………………………………...………33ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩЕГОГРУНТА ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХЭЛЕМЕНТОВ…………………………………………………..…………….…….352.1 Построение модели теплофизической задачи с помощью метода конечныхэлементов с помощью метода конечных элементов……………………….……352.2 Модель теплофизических процессов в сезоннопромерзающих грунтах сучетом перехода фаз воды в лед …………………………………...……………..382.3 Определение незамерзшей влажности первоначально находящейся в порахпри промерзании……………………………………………………………………402.4 Оценка процессов морозного пучения сезоннопромерзающих грунтовметодами численного моделирования ……………………………...…………….412.5 Выводы по главе 2………………………………………………………….…..42ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯСЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ НА ФУНДАМЕНТЫВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ………………………….….4533.1 Исследование взаимодействия сезоннопромерзающих грунтов свертикальными стержневыми элементами…………...………………………..…453.2 Стабилометрические исследования влияния влажности на изменениепрочностных характеристик грунта…………………….……………………...…753.3 Составные части и регламент геотехнической диагностики работывертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах……....783.4 Выводы по главе 3…………………..……………………………………….…80ГЛАВА 4 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯСЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ НА ФУНДАМЕНТЫВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ……..………………..……..824.1 Исследование влажностных процессов при промерзании методамичисленного моделирования…………………………………………………..……824.2 Исследование процессов оттаивания сезоннопромерзающих грунтовметодами численного моделирования …………………………………..……......884.3 Численное исследование эффективности устройства конструктивныхэлементов в сезоннопромерзающих грунтах фундаментов вертикальныхстержневых элементах для снижения морозного пучения………………………914.4 Выводы по главе 4……………………..…….…………………………………94ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………...……………………...96СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………...……100ПРИЛОЖЕНИЕ А.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ВПРОГРАММНОМ МОДУЛЕ «TERMOGROUND»…………………...………..115ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВИССЛЕДОВАНИЙ…………………………………………………………..……117ПРИЛОЖЕНИЕ В. СВОДНАЯ ВЕДОМОСТЬ ФИЗИЧЕСКИХИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ…………………...……120ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЖУРНАЛ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТА РАЗЛИЧНЫМИМЕТОДАМИ……………………………………………………………………....1214ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияОбширные территории Дальневосточного федерального округа находятсяв грунтовых условиях глубокого сезонного промерзания и вечной мерзлоты.Мощность промерзания грунтов оснований на этих обширных пространствахколеблется в диапазоне от 1.5 до 5 метров.В связи с возрастанием темпов освоения этого региона вопросыповышенияустойчивости,надежностиидолговечностисооружений,возводимых в сложных природно-климатических и инженерно-геологическихусловиях,сооруженийприобретаютвбольшоепрактическоесезоннопромерзающихгрунтахзначение.основанияФундаментыподвергаютсявоздействию процессов: промерзания, морозного пучения, оттаивания ивибродинамики.

Эти процессы особенно интенсивно проявляются в периодсезонного оттаивания и промерзания. Фундаменты вертикальных стержневыхэлементов - это относительно легкие сооружения, которые наиболееподвержены этим негативным явлениям.Многофакторные проблемы возникают при эксплуатации вертикальныхстержневых элементов заделанных в грунтовые основания. На участкахэксплуатирующей организации, службы электрификации ОАО «РЖД» ДВЖД,штатно эксплуатируется 52 %, выправлено 18%; эксплуатируется с дефектами 9%, требуют дополнительной выправка 12 %, ежегодно подвергается повторнойвыправке 9 %. Исходя из представленных данных, до 48 % опор контактнойсети в сложных условиях эксплуатации не отвечают требованиям проектнойдокументации.При разработке обоснования проектных и инженерных решенийвозведениязданийисооруженийвусловияххолодныхрегионовцелесообразно выполнять предпроектные и технологические проработкивариантов устройства фундаментов с достаточным запасом и учетом всехнегативных процессов, возникающих в сезоннопромерзающих грунтах.5Для этого необходима создать объективный и надежный математическийаппаратисследования работы оснований фундаментоввертикальныхстержневых элементов, учитывающий совместно изменяющееся во временитеплофизическое и напряженно-деформированное состояние промерзающихгрунтов, что показывает наактуальность научной задачи диссертационнойработы.Степень разработанности темы.Данная работа рассматривает работу вертикальных стержневых элементовпри реконструкции и строительстве, поэтому она была направлена на изучениеспособов защиты и снижения сил морозного пучения с использованиемэффективныхконструкцийутепленияиустройствснижающегоморозоопасность основания.

Такими конструкциями могут быть термическиеобоймы,воспринимающиевибродинамическихзакономерностейнагрузкивоздействий.отклоненийотсилИсследованиювертикальныхморозногоосновныхпученияипричинистержневыхэлементов,проектированием рациональных конструкций позволяющим снизить илинейтрализовать воздействие сил морозного пучения, посвящены работы такихученых как Е.С. Ашпиз, Н.И. Быков, Б.И.

Далматов, С.Е. Гречищев, О.Р.Голли,М.Н.Гольдштейн, Э.Д.Ершов, В.Г.Кондратьев, В.Н.Ли, М.А.Минкин, Н.Н.Морарескул, А.Л. Невзоров, В.В. Пассек, А.В. Паталеев, В.С. Сажин,А.С. Сапов, Г.М. Стоянович, Г.М. Фельдман, Н.А. Цытович, Л.В.Чистотинов, В.Б. Швец и другие авторы. Исследования в этом направленииперспективны, но их результаты пока еще недостаточны для практическогоприменения вследствие ежегодного деформирования ВСЭ.Объект исследования: область основания сезоннопромерзающих грунтоввокруг вертикальных стержневых элементов.Предмет исследования: теплофизическое напряженно-деформированнноесостояние грунтовых оснований фундаментов вертикальных стержневыхэлементов под воздействием процессов: промерзания, морозного пучения,оттаивания и вибродинамики.6Целью исследования является снижение или ликвидация деформацийгрунтов основания, действующих на конструкции вертикальных стержневыхэлементов.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:1) провести натурные исследования в годичном цикле процессов:промерзания, морозного пучения с учетом миграции грунтовой влаги,оттаивания и вибродинамического воздействия;2) провести полевые исследования по оценке влияния основныхфакторов, влияющих на деформативность грунтов основания вертикальныхстержневых элементов;3) выполнить эксперименты в лабораторных условиях на приборетрехосного сжатия для оценки влияния влажности на прочностные свойствагрунта;4) разработать математическую модель сезоннопромерзающего грунта,учитывающую накопление миграционной влаги в промерзающих глинистыхгрунтах и влияние ее на снижение прочностных и деформационныххарактеристик грунтов основания вокруг вертикальных стержневых элементовпри оттаивании;5)получитьразрешающееуравнениепроцессаприращенияотносительных деформаций грунта;6) выявить связь влияния деформативности грунта на устойчивостьвертикальных стержневых элементов;7) развитие численной методики расчета влияния промерзания иоттаивания,вибродинамическоговоздействияприменительнокДальневосточному региону.8) предложить конструктивное решение снижающее деформативностьгрунтовоснованиявертикальныхсезоннопромерзающих грунтах.стержневыхэлементовв7Теоретическая и практическая значимость работы:1) выявлен годичный цикл изменения температуры грунта, миграциигрунтовой влаги, амплитуды колебаний вибродинамического воздействия отпроходящего транспорта;2) предложен поправочный сезонный коэффициент на снижениепрочностных свойств грунта за счет влияния вибродинамического воздействия;3) выявлена связь и предложена формула для оценки сопротивлениягрунта сдвигу от его влажности;4) предложен регламент работ по диагностике опор вертикальныхстержневых элементов;5) предложено конструктивное решение фундаментной части вертикальныхстержневых элементов снижающее влияние теплопередачи фундамент-грунт.Методология и методы исследованияВ основе методологии решения поставленных задач заложен системныйподход,включающийлабораторных,экспериментыпроведениеполевыхикомплексныхматематическоговыполнялисьнагрунтовыхисследованиймоделирования.основанияхввидеПолевыевертикальныхстержневых элементах с применением устройства конструктивных элементовдляснижениядействующихмиграцииобъектахтеплофизическогоивлагифилиалавсезоннопромерзающихОАО«РЖД»напряженно-деформированногогрунтахнаДВЖД.Расчетысостояниягрунтовпроведены численным моделированием в расчетном комплексе FEM models попрограмме «TERMOGRAUND».Научная новизна работы:1) усовершенствована расчетная модель сезоннопромерзающего грунта,учитывающая накопление миграционной влаги в промерзающих глинистыхгрунтах и влияние ее на снижение прочностных и деформационныххарактеристик грунтов основания вокруг вертикальных стержневых элементовпри оттаивании;82)полученоразрешающееуравнениепроцессаприращенияотносительных деформаций грунта;3) предложена экспоненциальная зависимость сопротивления грунтасдвигу от его влажности;4) выявлена зависимость прочностных характеристик грунта привибродинамическом воздействии, в зависимости от его температуры;Положения, выносимые на защиту:1) итоги анализаэкспериментов поизменению температуры припромерзании и оттаивании грунта, миграции влаги в грунте, амплитудыколебаний при вибродинамическом воздействии;2) математическая модель грунта, позволяющая учитывать влияниенакопленной миграционной влаги в сезоннопромерзающих глинистых грунтахна снижение значенийпрочностныхи деформационных характеристикгрунтов основания ВСЭ от влажности и вибродинамического воздействия;3) связь сопротивления грунта сдвигу от его влажности;4)влияниевибродинамикинапрочностныесвойствагрунтавзависимости от его температуры;Степеньдостоверностииапробацияработы.Достоверностьполученных результатов подтверждается:– использованием поверенного и сертифицированного оборудования исредств измерения при выполнении экспериментов;–проведениемзначительных серий полевых методов определениядеформационных характеристик грунтовых массивов;–воспроизводимостьюрезультатов,подтвержденныхзначительнымобъемом выполненных полевых экспериментов, проводимых в разные временагода в течение десяти лет;–применением методики исследования, основанной на использованиисовременныхсредстввибродинамических данных;сейсмозондирования,стабилометрическихи9–эффективными результатами внедрения предложенного конструктивногорешения,снижающегоморозоапасныхучасткахдеформативностьДальневосточнойВСЭнаэксплуатируемыхдирекцииинфраструктурыХабаровской дистанцией электроснабжения.Результатыисследованийавторадокладывалисьнарегиональных,Российских и международных конференциях и семинарах, часть из которых:«Научно – практические и теоретические проблемы геотехники» (СанктПетербург, 2007), Научно-техническое и экономическое сотрудничество странАТР в XXI веке» (Хабаровск, 2007), «Криогенные ресурсы полярных регионов»(Салехард, 2007), «Geotechnical engineering for disaster prevention and reduction»(Yuzhno-Sakhalinsk, 2007), «Геотехника: научные и прикладные аспектыстроительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах»(Санкт-Петербург,2008)«Научно-техническиепроблемытранспорта,промышленности и образования» (Хабаровск, 2008), «Extended Abstracts.