Диссертация (Влияние сезоннопромерзающих грунтов на фундаменты вертикальных стержневых элементов), страница 11

численное моделирование методом конечных элементов конструкциифундаментнойчастиВСЭ,позволяющейснизитьилиисключить ихдеформации.3.4 Выводы по главе31. При исследовании грунтов основания существующиминженерно-геологическогообследованияисследованийметодамитрудоемкоидолговременно определить реальное распределение характеристик грунтаоснования ВСЭ.2. По результатам экспериментального комплексного исследования сиспользованиемопределены:георадарногограницыобследованияразделаигеологическихсейсмозондированияслоев;распределениедеформационных и прочностных характеристик грунта с учетом образованиянеоднородных областей; глубина заложения фундаментов вертикальныхстержневых элементов.

Построен инженерно-гелогический разрез основаниявертикального стержневого элемента.3.Дляисследованиясезоннопромерзающихгрунтовоснованиявертикальных стержневых элементов целесообразно проводить исследованиетемпературно-влажностного и НДС в нестационарном режиме..3. Для исследования влияния сезоннопромерзающих грунтов в грунтовойлаборатории ДВГУПС м выполнены исследования определения удельногосцепления и модуля деформации в зависимости от влажности,. Лабораторныеиспытания проводились с целью определениязависимости сопротивлениясдвигу от влажности. Эти данные необходимы для математической моделиоттаивающих оснований.814.

Предложены составные части и регламент геотехнической диагностикиработы вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтахв годовом цикле работы.82ГЛАВА 4ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯСЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ С ФУНДАМЕНТАМИВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ4.1. Исследование влажностных процессов при промерзании методамичисленного моделированияИзменение влажностив сезоннопромерзающих грунтах относится ксложным особенно при оценке величин деформаций морозного пучения припромерзании и просадке при оттаивании.

Главнойтрудностью оценки иявляется необходимость анализа состояния сезоннопромерзающих грунтов,измененияихтеплофизическихпоказателейитемпературныхполейодновременном с миграцией воды во времени.При проведении исследований процессов промерзания, морозногопучения и оттаивания целесообразно учитывать зависимость относительнойдеформации морозного пучения от скорости промерзания грунтов основания,так как процесс морозного пучения в значительной степени обусловленмиграционным подсосом влаги от уровня подземных вод к фронтупромерзания. Чем медленнее скорость перемещения фронта промерзания, тембольше влаги переносится к фронту промерзания, что вызывает значительныедеформации морозного пучения промерзающего основания.Для исследования изменения показателей грунта вследствие миграцииводы к промерзающему основанию вертикальных стержневых элементов былипроведены стабилометрические эксперименты по результатам которых былисоставлены уравнения между сопротивления сдвигу оттаявшего грунта взависимости от влажности.Численное моделирование производилось в программном комплексе«FEM-models»,разработанномгеотехникамиСанкт-Петербургапод83руководством профессора В.М.Улицкого.

Составной частью «FEM-models»является программа «Termoground», которая позволяет исследовать с помощьючисленногомоделированиявпространственнойпостановкепроцессыпромерзания, морозного пучения и оттаивания в годичном цикле методомконечных элементов. Решение задачи численного моделирования процессовпромерзания, морозного пучения и оттаивания проводится в два этапа.Первоначально решается теплотехническая задача, в результате которойопределяются температурные и влажностные поля на каждый период времени.Вторым этапом решается задача определения напряженно-деформационногосостояния грунтов основания в процессе морозного пучения и оттаивания.Наоснованиизамеровизмененияуровняподземныхвсезоннопромерзающих грунтов в годовом цикле наблюдаются весенний иосенний пики.

Весенний пик показывает наивысший уровень подземных вод.При решении теплофизической задачи промерзания грунта методамичисленного моделирования рассматривались варианты с разным уровнемгрунтовыхводиразличнойскоростьюпромерзания.Исследованиявыполнялись для пылеватого суглинка тугопластичной консистенции какнаиболее распространенного для южных районов Дальнего Востока.Взадачахчисленногомоделированиярассматриваласьразличнаяскорость промерзания грунта со среднемесячной температурой воздуха от –2 до–9 С соответствующая интервалу перехода промерзающего грунта в мерзлоесостояние.Уровень подземных вод изменяется в интервале от одного до двух споловиной метров м от дневной поверхности.На рис.4.1 показан график изменения температуры грунта по глубинепромерзания в годичном цикле.

В расчетах задавалась помесячно температурапо поверхности грунта для среднемесячных значений температуры воздуха г.Хабаровска [45, 98].84Рисунок 4.1 – Распределение температур по месяцамНа рисунке 4.2 представлен графики изменения величины влаги поглубине промерзания грунта.Рисунок 4.2 – Графики миграции влаги при промерзании и оттаивании85В результате численных расчетов установлено, что влажность впромерзающем грунте повышается на 68 %, а удельное сцепление глинистогогрунта уменьшается в 5 раз.В интервале изменения скорости промерзания от 3 до 7 см/сутнаблюдается повышение влажности границы фронта промерзания до 50 %.График поднятия и опускания поверхности силами морозного пучения ипроцессами оттаивания поверхности грунта при промерзании и оттаиваниипредставлен на рисунке 4.3.Рисунок 4.3 – График деформаций поверхности при промерзании и оттаиванииДляболееточногомоделированияпроцессапромерзаниясмиграционным изменением влажности был взят временной интервал в одинмесяц, а один день был разбит на 4 части (по 6 часов).

Для каждых 6 часов былазадана различная температура воздуха в интервале как положительных, так иотрицательных температур. Исследование состояло из 5 циклов численногомоделирования процесса промерзания с миграционным изменением влажноститемпературойвоздуха,равной:Т1Т3 = -4,33 С; Т4 = -6,08 С; Т5 = -8,75 С.=-2,08С;Т2=-4,16 С;86Эпюры изменения влажности грунта при различной температуре воздуха,а соответственно и и скорости сезоннопромерзающего грунта приведены нарисунке 4.4.Рисунок 4.4 – Эпюры изменения влажности грунтав зависимости от скорости промерзания со среднесуточной температурой воздуха:а – Т1 = -2,08 С; б – Т2 = -4,16 С; в – Т3 = -4,33 С; г – Т4 = -6,08 С; д – Т5 = -8,75 СНа рисунке 4.5 приведена полученная в ходе численного моделированиязависимость изменения влажности грунта на границе фронтаот величиныскорости промерзания на период одного месяца после начала действиотрицательных температур.Рисунок 4.5 – Зависимость изменения влажности грунта от скорости промерзания грунта87В результатепроведенного численного моделирования полученазависимость изменения влажности в сезоннопромерзающих грунтах отвеличины скорости сезонногопромерзания грунтов основания вертикальныхстержневых элементов:( 4.

1 )где w – влажность сезоннопромерзающих грунтов основания ВСЭ;v – скорость промерзания основания ВСЭ, м/сут.Разработаннаяметодикачисленногомоделированияпроцессапромерзания и оттаивания позволяет на этапе проектирования оценитьвоздействиесилморозногопучения,снижениепрочностиоснованийфундаментов зданий и сооружений при промерзании и оттаивании. Этопозволяет эффективно внедрять современные конструкции усиления грунтовыхсооружений и их оснований с использованием современных геосинтетическихматериалов для снижения или исключения процессов морозного пучения иоттаивания.884.2 . Исследование процессов оттаивания сезоннопромерзающих грунтовметодами численного моделированияВ программе е «Termoground» просадки оттаивания сезоннопромерзшихгрунтов можно оценить двумя методами.1. В лабораторных условиях в соответствии с ГОСТ 19706-74.Относительныедеформациисезоннооттаивающихгрунтовможнооценить по формуле 4.2.th  Ath  ith ,(4.2)и графически представленной на рисунке 4.6Рисунок 4.6 – Зависимость относительнойосадки мерзлых грунтов при оттаиваниигде Ath – относительная деформация тепловой осадки оттаивания;ith – относительная деформация грузовой осадки оттаивания.(4.3)m0th – коэффициент сжимаемости оттаивающего грунта, МПа-1;pi – уплотняющее вертикальное давление, МПа.2.

По зависимости М.Ф. Киселева [34], на основании полученных поиспытаниям физических показателям сезоннопромерзающего грунта:89(4.4)где IP – число пластичности грунта основания ВСЭ;γw – удельный вес воды грунта основания ВСЭ;γs – удельный вес частиц грунта основания ВСЭ;;Kd – коэффициент плотности грунта основания ВСЭ;(4.5)где a, b, c – эмпирические коэффициенты в зависимости от давления наоснование (рисунки 4.8–4.10).(4.6)(4.7)(4.8)По физическому смыслу значение d th - относительные деформациисезоннооттаивающихгрунтовпредставляетсобойотношениеоттаявшего под давлением грунта к объему мерзлого грунта.Рисунок 4.7 – Зависимость параметра а от давленияобъема90Рисунок 4.8 – Зависимость параметра b от давленияРисунок 4.9 – Зависимость параметра с от давленияВ программе модуле «Termoground» для расчета сезоннопромерзающихгрунтов основания ВСЭ используются единицы измерения, показанные вприложении А.914.3 Численное исследование эффективности устройстваконструктивных элементов в сезоннопромерзающих грунтах фундаментоввертикальных стержневых элементах для снижения морозного пученияФундаменты вертикальных стержневых элементов, расположенные всезоннопромерзающих грунтах подвергаются воздействию сил морозногопучения и оттаиванию.В настоящее время для снижения или исключения промерзания,деформаций морозного пучения грунтов, оттаивания на пучиноопасныхучастках применяют устройство эффективного теплоизоляционного покрытияиз пенополистирола, который сохраняет свои свойства во влажных грунтахоснования.По разработанной грунтовой модели промерзающего и оттаивающегогрунтавыполненочисленноемоделированиеработыфундаментоввертикальных стержневых элементов, расположенных на откоснойчастиДальневосточной железной дороги ОАО РЖД.

В основании сооружения и наоткосной части залегает пучиноопасный пылеватый суглинок с влажностьюравной 0.25-0.40. Теплофизические свойства грунтов и материала конструкциивертикальных стержневых элементов в представлены в таблице 4.192Глубина промерзания грунтов основания вертикальных стержневыхэлементов колеблется от180 до 300 смв зависимостиот содержаниягрунтовой влаги. Температура наружного воздуха достигает величины минус30 С. Величина деформаций морозного пучения грунтов колеблется от 2 до12см.На рисунках 4.10 и 4.11 приведены изолинии и эпюра температурвертикального стержневого элемента и грунтов основания на февраль месяц,без мероприятий утепления и с ними.Рисунок 4.11 – Изолинии и эпюратемператур вертикального стержневогоэлемента утепленного пенополистироломи грунтов основания на февраль месяц:1 – вертикальный стержневой элемент;2 – сезоннопромерзающие грунты;3 – пенополистерольная муфтаРисунок 4.10 – Изолинии и эпюратемператур вертикального стержневогоэлемента и грунтов основания на февральмесяц: 1 – вертикальный стержневойэлемент; 2 – сезоннопромерзающие грунтыГлубина промерзания у вертикального стержневого элемента безмероприятийвертикальногодостигаетдостержневого2,6м.элементаДеформациидостигаютморозноговеличиныдопучения23 мм.Деформации морозного пучения интенсивно нарастают в начале сезонногопромерзания грунтов основания вертикального стержневого элемента .93Анализ деформаций морозного пучения по глубине промерзанияпоказывает, что при промерзании грунта до 0,6м величина деформацийморозного пучения составляет 15 мм.

При промерзании до 1.2 м величинаморозного пучения получается - 22 мм. При глубине промерзания df = 1,8 м –величина морозного пучения достигает величины Δh = 25 мм.Глубина промерзания у вертикального стержневого элемента df = 2,6 м.Влажность промерзающего грунта с учетом миграции влаги от горизонтаподземных вод до фронта промерзания возрастает до 30 % под утеплителем идо 40 % на откосной части. (рисунок 4.12). Вертикальные деформациивертикальногостержневогоэлементаопорымалы,агоризонтальныедеформации за один год достигают до 9 мм в сторону оси пути.