Численное моделирование напряженно-деформированного состояния основания гидротехнических сооружений при компенсационном нагнетании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, кандидат наук Чубатов Иван Валерьевич

• Чубатов Иван Валерьевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Чубатов Иван Валерьевич

Введение

Глава 1. Анализ применения компенсационного нагнетания

1.1 Общие сведения

1.2 Проницаемость песчаных грунтов

1.3 Опыт применения технологии компенсационного нагнетания

1.4 Опыт численного моделирования процесса компенсационного нагнетания

1.5 Основные выводы

Глава 2. Теоретическая часть

2.1 Общие положения

2.2 Основные положения метода конечных элементов

2.3 Верификация программы на примере из монографии О. Зенкевича

2.4 Верификация программы на примере из учебного пособия под авторством д.т.н., проф. В.Г. Рекача

2.5 Верификация программы на примере расчёта толстостенной трубы (задача Ламе)

2.6 Моделирование поведения грунтовой среды в основании сооружения моделью с критерием прочности Мора-Кулона

2.7 Верификация программы «JulyS» при помощи программного комплекса PLAXIS

2.8 Моделирование поведения грунтовой среды в основании сооружения «энергетической» моделью грунта

2.9 Решение задач установившейся фильтрации и определение фильтрационных нагрузок

2.10 Расчёт фильтрации в основании станционного узла Загорской ГАЭС-2

2.11 Генерирование сетки и визуализация результатов решения

Глава 3. Сопоставление численного расчёта с эксперементом

3.1 Общие данные

3.2 Описание эксперимента

3.3 Аппроксимация численной реализации внедрения объёма нагнетания в песчаный грунт

3.4 Численное моделирование эксперимента

3.5 Выводы главы

Глава 4. Влияние количества манжетных колонн и объёма нагнетания в манжеты на подъём фундаментной плиты

4.1 Общие сведения

4.2 Метод расчёта

4.2.1 Расчёт № 1. Нагнетание раствора в 1 манжету

4.2.2 Расчёт №2. Нагнетание раствора в 2 манжеты

4.2.3 Расчёт №3. Нагнетание раствора в 3 манжеты

4.2.4 Расчёт №4. Нагнетание раствора в 4 манжеты

4.2.5 Расчёт №5. Нагнетание раствора в 5 манжет

4.2.6 Расчёт №6. Нагнетание раствора в 6 манжет

4.2.7 Расчёт №7. Нагнетание раствора в 7 манжет

4.2.8 Расчёт №8. Нагнетание раствора в 8 манжет

4.2.9 Расчёт №9. Нагнетание раствора в 9 манжет

4.2.10 Расчёт №10. Нагнетание раствора в 10 манжет

4.2.11 Расчёт при порядке нагнетания раствора в 10 манжет сверху-вниз

4.3 Выводы главы

Глава 5. Расчёт подъёма сооружения

5.1 Общие данные

5.2 Метод расчёта

5.3 Расчёт подъёма модели фундаментной плиты на опытном участке

5.4 Вычисление требуемого количества манжет для подъёма сооружения

5.5 Этапность проведения работ по подъёму сооружения

5.6 Выводы к главе

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование напряженно-деформированного состояния основания гидротехнических сооружений при компенсационном нагнетании»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Неравномерные и сверхнормативные осадки оснований гидротехнических сооружений, возникающие вследствие нарушения равновесия сооружения, фильтрационных деформаций грунтов и иных процессов, могут привести к состоянию, при котором дальнейшая нормальная эксплуатация сооружения невозможна. Предельная величина таких осадок для бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений на нескальном основании нормируется, исходя из множества факторов, определяющих местную устойчивость сооружения, несущую способность основания, прочность элементов конструкции, условия работы оборудования и других, что, согласно ФЗ № 117 «О безопасности гидротехнических сооружений», регламентируется в декларации безопасности каждого отдельно взятого объекта [108]. Особые условия по развитию суффозионных и эрозионных процессов существуют в основаниях гидроаккумулирующих электростанции (ГАЭС) на песчаных основаниях, у которых ежесуточный режим колебания уровней верхнего и нижнего бассейна могут привести к повышенным градиентам фильтрационного потока в основании под фундаментом сооружения, к гидродинамическим нагрузкам со стороны нижнего бассейна и к возможному разжижению линз и прослоек слабых грунтов в основании. Для сооружений повышенного уровня ответственности актуальным становится не только прогноз осадок, но и прогноз возможности ликвидации сверхнормативных осадок, что может стать разделом в декларации безопасности объекта.

Одним из методов ликвидации последствий аварии и восстановления нормальной эксплуатации сооружения является метод компенсационного нагнетания. Сущность метода компенсационного нагнетания заключается в том, что в грунтовый массив основания внедряется специальный строительный раствор, который упрочняет основание и создает дополнительный объем, компенсирующий просадки основания. При этом обеспечивается как прекращение развития осадок, так и последующий подъём дневной поверхности вместе с фундаментом сооружения. В мировой практике известны примеры по выравниванию зданий и сооружений, но они ограничиваются небольшой величиной подъема до 10см. В отечественном гидротехническом строительстве в настоящее время решается задача по подъему и выравниванию здания гидроаккумулирующей станции на величину до 1,1 метра, что требует изучения процесса изменения напряженно-деформированного состояния основания в области нагнетания и делает эту задачу важной и своевременной.

При производстве работ по внедрению строительных растворов в грунты основания сооружений, результат в виде подъема дневной поверхности появляется с задержкой по времени. Наилучшим образом спланировать и оценить объёмы и схему подачи строительного раствора, выбрать наиболее эффективное расположение манжетных колонн по всему объему инъекционных работ возможно в ходе математического моделирования процесса управляемого компенсационного нагнетания.

В представленной работе проведено моделирование процесса нагнетания в грунтовый массив инъекционного раствора на основе численных расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) с использованием метода конечных элементов (МКЭ) при учете этапов производства работ. При этом решается ряд задач, связанных с минимизацией количества инъекционных скважин, устраиваемых под сооружением, их местоположением, подбором порций инъектируемого раствора и пр. Оптимизация схемы проведения работ с учетом ограничений по напряжениям, возникающим в фундаментной плите при неравномерном подъёме, позволяет выбрать определенную последовательность подачи раствора через манжеты инъекторов в грунтовую толщу, определить наиболее эффективный путь равномерного подъема и выравнивания фундамента сооружения во избежание нового трещинообразования.

Степень разработанности темы. Изучением методов расчета геотехнических процессов при компенсационном нагнетании занимались многие отечественные и зарубежные исследователи: Власов С.Н., Гарбер В.А., Голубев В.Г., Иофис М.А., Маковский Л.В., Петрухин В.П., Смирнова Г.О., Чеботаев В.В., Шилин А.А., Щекудов Е.В., Яровой Ю.И., Dramer G., Droff E., Forbes J., Finch A. P., Linney L. F., Essler R. D., Harris D. I., Ikeda S., Shirlaw J. N., Shirlaw J. N., Komiya K., Viggiani G. M., Rodriguez Ortiz J. M. и др. В области численных исследований и математического моделирования напряженно-деформированного, температурного, фильтрационного и др. процессов в гидротехнических сооружениях совместно с их основаниями известны работы таких отечественных учёных как Белостоцкий А.М., Глаговский В.Б., Горохов Е.Н., Зерцалов М.Г., Рассказов Л.Н., Зарецкий Ю.К., Ломбардо В.Н., Орехов В.В., Анискин Н.А. Тер-Мартиросян З.Г., Бартоломей Л.А. Численные исследования по моделированию восстановления и подъема сооружения на нескальном основании в рамках компенсационного нагнетания приводят в своих работах Александров А.В., Беллендир Е.Н., Зерцалов М.Г., Симутин А.Н., Меркин В.Е., Харченко И.Я. Проведением физического эксперимента по подъёму и выравниванию фундамента сооружения с применением метода компенсационного нагнетания занимались Александров А.В., Вавер

П.А. Физические эксперименты по нагнетанию специальных растворов в песчаную толщу были проведены в лаборатории АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». Сопоставление результатов по закачке водоцементного раствора в песчаные грунты с результатами математического моделирования представляет в своей работе Ph.D L. Masini. Моделированием гидравлического разрыва при нагнетании раствора в песчаный грунт при помощи метода дискретных элементов (DEM) занимались Pruiksma J.P. и Bezuijen, A.

Цель диссертационной работы. Целью работы является разработка методики численного моделирования процесса компенсационного нагнетания для подъёма и выравнивания гидротехнического сооружения в ходе решения задачи о напряженно-деформированном состоянии расчётной области в пространственной постановке.

Тема диссертационного исследования соответствует паспорту выбранной научной специальности - 05.23.07 Гидротехническое строительство:

Пункт 3. Разработка новых направлений прогнозирования напряженно-деформированного состояния напорных и безнапорных гидротехнических сооружений; совершенствование методов определения различных видов нагрузок на сооружения речных гидроузлов, здания и машинные залы гидроэлектростанций; обоснование путей повышения надежности и долговечности конструкций воднотранспортных сооружений.

Пункт 6. Развитие теории, методов расчета, проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений мелиоративных систем и строительных систем природоохранного назначения; восстановление водных объектов и речной сети; повышение эффективности и условий надежной эксплуатации работы водозаборных сооружений различного назначения.

Задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработка формы объёмного расширяющегося элемента для описания тела внедрения при компенсационном нагнетании и его программная реализация в рамках метода конечных элементов.

2. Разработка методики численного моделирования процесса подъема и выравнивания положения гидротехнического сооружения при управляемом компенсационном нагнетании на основе решения задачи о напряженно-деформированном состоянии основания в области нагнетания с учётом объёмного расширяющегося элемента.

3. Разработка авторской программы на основе предложенной методики для расчётов напряжённо-деформированного состояния грунтовой среды с учётом упругопластического деформирования основания гидротехнических сооружений в пространственной постановке и с учётом фильтрационных нагрузок.

4. Проведение тестовых расчётов для верификации программного комплекса в упругой и упругопластической постановке по моделям Мора-Кулона и энергетической модели грунта профессора Рассказова Л.Н.

5. Численное моделирование физического эксперимента Л. Мазини по нагнетанию цементного раствора в песчаный грунт в рабочей камере размером 0.4х0.8м, сопоставление результатов, верификация расчётной модели.

6. Исследование эффективности нагнетания специального раствора в грунт основания гидротехнического сооружения в зависимости от глубины расположения манжет и их количества.

7. Поиск оптимального расположения манжетных колонн под фундаментом гидротехнического сооружения для обеспечения равномерного подъёма и выравнивания здания на проектные отметки.

8. Разработка рекомендаций по расчёту объёма нагнетания и определению наиболее экономичного местоположения манжетных скважин и манжетных колонн под фундаментом гидротехнического сооружения.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Дано расчётное обоснование формы и условий сопряжения объёмного расширяющегося элемента, названного «тело внедрения», с сеткой конечных элементов при численном моделировании компенсационного нагнетания.

2. Разработана методика численного моделирования подъема и выравнивания положения гидротехнического сооружения в ходе решения задачи о напряжённо-деформированном состоянии в области нагнетания с использованием разработанного объёмного расширяющегося элемента.

3. Дано обоснование наиболее эффективного способа подачи инъекционного раствора в область нагнетания по схеме «снизу-вверх» с формированием «столба нагнетания», образованного манжетами различных ярусов манжетных колонн.

4. В ходе математического моделирования получено решение по восстановлению проектного положения здания ГАЭС с определением объема нагнетания,

количества и положения манжет в манжетных колоннах по высоте и по площади фундамента.

Объект исследования - гидротехнические сооружения на песчаном основании в

состоянии неравномерной осадки.

Предмет исследования - напряжённо-деформированное состояния основания

гидротехнического сооружения при проведении работ по компенсационному

нагнетанию для подъёма и выравнивания положения сооружения.

Практическая и теоретическая значимость:

1. Разработана методика численного моделирования напряжённо-деформированного состояния основания в области компенсационного нагнетания в пространственной постановке.

2. Создана и верифицирована авторская расчётная программа, реализующая разработанную методику моделирования процесса компенсационного нагнетания и проведено исследование сеточной сходимости.

3. Установлена функциональная связь величины подъёма дневной поверхности под фундаментом сооружения от объёмов нагнетания, определены значения коэффициентов эффективности компенсационного нагнетания в зависимости от расположения манжет.

4. Разработаны рекомендации по расчёту объёма нагнетания и определению местоположения манжетных скважин и манжетных колонн под фундаментом станционного узла Загорской ГАЭС-2 для обеспечения равномерного подъёма и выравнивания здания на проектные отметки.

Методология и методы исследования. В работе использованы методы расчета теории упругости, математические модели грунта с условием прочности Кулона-Мора и энергетической модели грунта профессора Рассказова Л.Н., численный метод конечно-элементного моделирования, а также научные работы отечественных и зарубежных ученых. Для сопоставления результатов расчётов используется программный комплекс РЬАХК 2Б. Используются экспериментальные и теоретические данные научных работ отечественных и зарубежных учёных.

Степень достоверности результатов исследований основана на:

1. Строгости используемого математического аппарата; корректности постановленных задач в рамках теоретических предпосылок строительной механики, механики деформируемого твердого тела.

2. Согласованности полученных результатов численного моделирования верификационных примеров с физическим экспериментом Л. Мазини по нагнетанию цементного раствора в песчаный грунт.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика численного моделирования процесса подъема и выравнивания положения фундаментов сооружений при проведении работ по управляемому компенсационному нагнетанию на основе решения задачи о напряженно-деформированном состоянии основания в области нагнетания с использованием объёмного расширяющегося элемента.

2. Разработка формы и условий сопряжения элемента «тела внедрения» с сеткой конечных элементов в процессе компенсационного нагнетания.

3. Авторская расчётная программа численного моделирования и её верификация на примерах, имеющих строгое аналитическое решение, и на результатах полученных в ходе решения численных задач другими авторами в иных программных комплексах.

4. Сопоставление результатов расчётов по авторской методике с данными физического эксперимента Л. Мазини по нагнетанию цементного раствора в песчаный грунт.

5. Численное исследование напряженно-деформированного состояния основания при управляемом нагнетании для подъёма гидротехнического сооружения после сверхнормативных осадок.

Апробация результатов. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на нижеперечисленных Российских и международных научных, научно-практических конференциях и семинарах: II Всероссийский научно-практический семинар «Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства». Москва, 2019; III Всероссийский научно-практический семинар «Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства». Москва, 2020; Вторая совместная научно-практическая конференция ГБУ «ЦЭИИС» и ИПРИМ РАН «Обеспечение качества, безопасности и экономичности строительства. Практика. Проблемы. Перспективы. Инновации». Москва, 2020; IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020; IV-й Всероссийский научно-практический семинар, посвященный 100-летию НИУ МГСУ «Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства». Москва, 2021; International Scientific Conference Construction Mechanics, Hydraulics and Water Resources Engineering CONMECHYDRO -

2021; IX Международная научная конференция «Задачи и методы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» («Золотовские чтения»), Москва, 2021.

Личный вклад автора заключается в сборе и анализе материалов исследований, инженерных изысканий, проектной документации; формулировке задач численного решения процесса компенсационного нагнетания для подъёма и выравнивания гидротехнических сооружений; проведении численных и аналитических исследований, формулировании заключения по диссертационной работе, выполнении расчетов для станционного узла Загорской ГАЭС-2.

Публикации. Материалы диссертации достаточно полно изложены в 14 научных публикациях, из которых 6 работ опубликовано в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (Перечень рецензируемых научных изданий), и 5 работ опубликовано в журналах, индексируемых в международной реферативной базе Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 108 наименований библиографии, изложена на 151 страницах машинописного текста, включает 124 рисунка и 21 таблицу.

Благодарности. Диссертация выполнена на кафедре Гидравлики и гидротехнического строительства НИУ МГСУ. Работа выполнена под научным руководством профессора, доктора технических наук Рассказова Леонида Николаевича и доцента, кандидата технических наук Бестужевой Александры Станиславовной. Автор выражает глубокую благодарность Александре Станиславовне за огромную помощь в постановке задач и в наставлениях в научно-исследовательской работе.

Своё уважение и признательность автор выражает ушедшему заслуженному деятелю РФ, профессору, доктору технических наук Рассказову Леониду Николаевичу за приобретённые знания и бесценный опыт, полученные при работе с ним, за наставления и формирование основной идеи научно-исследовательской работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЕНСАЦИОННОГО

НАГНЕТАНИЯ

1.1 Общие сведения

Вследствие аварий, причинами которых могут быть суффозия грунтов основания, подземная эрозия грунтов и иные процессы, фундаменты гидротехнических сооружений могут быть подвержены неравномерным осадкам, при которых невозможна нормальная эксплуатация. Предельная величина таких осадок для гидротехнических железобетонных сооружений на нескальном основании назначается на этапе проектирования исходя из множества факторов, таких как общая остойчивость сооружения, условия работы оборудования и др. Особое внимание обращают на себя гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) на песчаных основаниях, у которых ежесуточный режим колебания уровней верхнего и нижнего бассейна может привести к повышенным градиентам фильтрационного потока под фундаментом сооружения и к разжижению в том числе линз и прослоек более слабых грунтов в основании. Примером специфической работы ГАЭС является Загорская ГАЭС-2, где 9-ти метровый диапазон колебания уровней воды фиксировался в пьезометрах при эксплуатации станции.

Одним из методов ликвидации последствий аварии и восстановления нормальной эксплуатации сооружения является метод компенсационного нагнетания. Сущность метода компенсационного нагнетания заключается в том, что в грунтовый массив основания внедряется специальный строительный раствор, который упрочняет основание и создает дополнительный объем, компенсирующий просадки основания. При этом обеспечивается как прекращение развития осадок, так и последующий подъём дневной поверхности вместе с фундаментом сооружения [51, 81].

Моделирование процесса нагнетания в грунтовый массив инъекционного раствора производится на основе численных расчетов его напряженно-деформированного состояния (НДС) на основе МКЭ с учетом этапов производства работ. При этом необходимо решить ряд задач, связанных с минимизацией количества инъекционных скважин, устраиваемых под сооружением, их местоположением, подбором порций раствора инъекции и пр.

Оптимизация схемы проведения работ с учетом ограничений по напряжениям, возникающим в фундаментной плите при неравномерном подъёме, позволяет выбрать

определенную последовательность подачи раствора через манжеты инъекторов в грунтовую толщу, определить наиболее эффективный путь подъема и выравнивания фундамента гидротехнического сооружения во избежание нового трещинообразования.

Изучением методов расчета геотехнических процессов при компенсационном нагнетании занимались многие отечественные и зарубежные исследователи: Власов С.Н., Гарбер В.А., Голубев В.Г., Иофис М.А., Маковский Л.В., Петрухин В.П., Смирнова Г.О., Чеботаев В В., Шилин А.А., Щекудов Е.В., Яровой Ю.И., Dramer G., Droff E., Forbes J., Finch A. P., Linney L. F., Essler R. D., Harris D. I., Ikeda S., Shirlaw J. N., Shirlaw J. N., Komiya K., Viggiani G. M., Rodriguez Ortiz J. M. и др.

В области численных исследований и математического моделирования напряженно-деформированного, температурного, фильтрационного и др. процессов в гидротехнических сооружениях совместно с их основаниями известны работы таких отечественных учёных как Белостоцкий А.М. [55, 57], Глаговский В.Б. [65, 66], Горохов Е.Н. [68, 69, 71], Зерцалов М.Г. [42, 80], Рассказов Л.Н. [92, 95], Зарецкий Ю.К. [73, 74], Ломбардо В Н. [75, 86], Орехов В В. [89, 90], Анискин Н А. [48, 49], Тер-Мартиросян З.Г. [105], Бартоломей Л.А. [50].

Численные исследования по моделированию восстановления и подъема сооружения на нескальном основании в рамках компенсационного нагнетания приводят в своих работах Александров А.В., Беллендир Е.Н., Зерцалов М.Г., Симутин А.Н., Меркин В.Е., Харченко И.Я. [104]. Проведением физического эксперимента по подъёму и выравниванию фундамента сооружения с применением метода компенсационного нагнетания занимались Александров А.В., Вавер П.А. [45]. Физические эксперименты по нагнетанию специальных растворов в песчаную толщу были проведены в лаборатории АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». Сопоставление результатов по закачке водоцементного раствора в илистые грунты с результатами математического моделирования представляет в своей работе Ph.D L. Masini. Моделированием гидравлического разрыва при нагнетании раствора в песчаный грунт при помощи метода дискретных элементов (DEM) занимались Pruiksma J.P. и Bezuijen, A.

Зерцалов М.Г., Симутин А.Н. и Александров А.В. в своей работе [78] разделяют процесс компенсационного нагнетания на четыре характерные этапа:

«1) подготовительный. На этом этапе через заранее установленные манжетные инжекторы, которые могут располагаться в скважинах: горизонтально, вертикально или, при использовании горизонтально-

направленного бурения, по произвольной траектории, в грунт под сооружением нагнетается специальный раствор. Цель этого нагнетания — максимально заполнить раствором поры и увеличить плотность грунта, т.е. осуществить пропитку слоя определенной толщины, формируя в нем, обладающую изотропными свойствами, однородную «матрицу». Создание «матрицы» позволяет при нагнетании суспензии компенсировать и регулировать деформации основания сооружения, не допуская развития трещин разрыва в грунте.

2) предварительный. На этом этапе в определенные расчетом зоны через манжеты инжекторов нагнетается с заданными объемом и давлением суспензия, состав которой определяется условиями нагнетания. Суспензия передает через «матрицу» распределенное по всей площади сооружения давление, создавая «эффект» домкрата, который обеспечивает первичные деформации подъема в грунте, не превышающие 5...15 мм. В результате данного подъема грунт в основании сооружения уплотняется и создается однородное напряженное состояние, позволяющее компенсировать осадки грунта в различных точках под сооружением индивидуально по мере необходимости.

3) рабочий. Начало этого этапа совмещается с началом возведения подземного объекта, в данном случае, проходки тоннеля. При этом проводится локальное компенсационное нагнетание, когда через каждый инжектор подается свой заранее рассчитанный объем суспензии, что обеспечивает управляемый подъем сооружения, достаточный для компенсирования нерегламентированных осадок;

4) стабилизация сооружения. На этом этапе продолжается нагнетание суспензии после окончания строительства подземного объекта (завершения проходки тоннеля под сооружением). Его продолжительность определяется длительностью стабилизации осадок в основании сооружения.»

Широкое применение и развитие технологии компенсационного нагнетания началось параллельно с развитием информационных технологий (с 1986 г.) [64], позволяющих получать данные мониторинга за деформациями зданий в режиме реального времени.

Для управления процессом компенсационного нагнетания устанавливается связь между насосным оборудованием, с помощью которого производится нагнетание растворов, и контрольно-измерительной аппаратуры, которая в реальном времени отображает положение и состояние конструкций сооружения, под которым производится нагнетание. [19, 77]. В процессе инъекционных работ производится регистрация основных показателей каждой манжеты, а именно: номер манжеты, дата произведённой инъекции, объём нагнетания, расход и давление [6, 21]. Отслеживаемые показатели позволяют производить анализ проведённых работ по нагнетанию и в дальнейшем вносить корректировки.

Основным показателем компенсационного нагнетания при выравнивании сооружений является подъём дневной поверхности основания. Для оценки выполненных инъекционных работ используют понятие коэффициента эффективности компенсационного нагнетания [5, 7, 11, 20], определяемого по (1.1).

V

Е = подъёма -100%; (1.1)

V

нагнетания

где: Кодъёма - объем подъема дневной поверхности основания (м3); Нагнетания -

объем нагнетания раствора, (м3).

Важным преимуществом технологии компенсационного нагнетания по сравнению с другими методами защиты зданий и сооружений является возможность прогнозирования с высокой степенью достоверности процессов развития вероятных деформаций и технологических параметров нагнетания как аналитическими, так и численными методами [23, 33, 34, 41].

Так же одним из важнейших качеств данной технологии является ее экономическая эффективность [87, 88]. При этом метод позволит даже в случае нештатного или нерасчетного развития осадок обеспечить сохранность сооружения, не допустив развития сверхдопустимых деформаций основания фундаментов.

1.2 Проницаемость песчаных грунтов

Проведение инъекций специально подобранных материалов в песчаные основания преследует различные цели: создание противофильтрационной завесы (наиболее часто встречающийся случай в гидротехническом строительстве), увеличение прочности основания при строительстве, при ремонтных работах и т.д. [29, 97].

Одним из методов усиления основания является цементное инъектирование. Несущая способность инъектированного основания зависит от состава инъекционного материала, гранулометрического состава отложений и порового пространства. Вопросами распределения пор в песке занимались Дересевич Г., Истомина В.С., Лейбензон Л.С., Буренкова В.В., Сильвейра А., Патрашев А.Н. и др. [37, 63, 70, 82, 85, 91].

Дересевич Г. [70], вслед за Слихтером Ч., установил соотношение между диаметрами частиц и размерами пор, ими образованными (рис. 1.1). При самом рыхлом сложении грунта (рис. 1.1 б) пористостью п = 0,476 соотношение диаметра пор d0 к диаметру частиц d:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чубатов Иван Валерьевич, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Anderson E. [h gp.]. LAPACK Users' Guide / E. Anderson, Z. Bai, C. Bischof, L. S. Blackford, J. Demmel [h gp.]., Society for Industrial and Applied Mathematics, 1999.

2. Bestuzheva A. S., Chubatov I. V. Numerical modeling of the controlled lifting of the structure // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. № 7 (869). C. 072018.

3. Bestuzheva A. S., Chubatov I. V. Test Problems in Mathematical Simulation of Lifting and Leveling a Foundation on a Sandy Base // Power Technology and Engineering. 2021. № 2 (55). C. 226-232.

4. Bestuzheva A. S., Chubatov I. V. Numerical Simulation of Stress and Strain Behavior of Foundation Soil under Compensation Grouting // E3S Web Conf. 2021. C. 264, 03020.

5. Bezuijen A. Compensation grouting in sand, fractures and compaction 2007.C. 12571262.

6. Casagrande L., Loughney R. W. Method of strengthening and stabilizing compressible soils // 1967.

7. Chambosse G., Otterbein R. State of the art of Compensation Grouting in Germany Istanbul:, 2002.

8. Dramer G., Travaes P., Droff E. Settlement Protection Works for New St. Clair River Rail Tunnel // Canadian Tunnelling. 1994. C. 291-302.

9. Droff E., Travares P., Forbes J. Soil fracture grouting to remediate settlement due to soft ground tunnelling 1995.C. 21-40.

10. Forbes J., Finch A. P. Application of compensation grouting to the St. Clair River Tunnel project, North America Rotterdam: Balkema, 1996.C. 343-348.

11. Gafar K. [h gp.]. Fracturing of sand in compensation grouting Shanghai:, 2008.C. 281-286.

12. Gafar K. [h gp.]. International Society For Soil Mechanics And Geotechnical Engineering Fracturing Of Sand In Compensation Grouting // INTERNATIONAL SOCIETY FOR SOIL MECHANICS AND GEOTECHNICAL ENGINEERING. 2009. C. 281-286.

14. Griffiths D. V., Willson S. M. An explicit form of the plastic matrix for a MohrCoulomb material // Communications in Applied Numerical Methods. 1986.

15. Harris D. [h gp.]. Compensation grouting to control tilt of Big Ben Clock Tower 1999.C. 225-232.

16. Harris D. I. [h gp.]. Observations of ground and structure movements for compensation grouting during tunnel construction at Waterloo station // Géotechnique. 1994. № 4 (44). C. 691-713.

17. Ian M. [h gp.]. Programming the finite element method. - Fifth edition / M. Ian, D. Smith, V. Griffiths, L. Margetts, John Wiley & Sons Ltd, 2014. 664 c.

18. Ikeda S., Saito Y., Mori A. Settlement of storehouses during the passage of two parallel shields through Soft ground Rotterdam: Balkema, 1996.

19. Jakobs M., Kummerer C., Marchionni V. The application of a hydrostatic levelling system under extreme temperature conditions for the control of a protective measure for tunnelling under a railway bridge in Italy Braunschweig:, 2006.C. 191-208.

20. Kleinlugtenbelt R. Compensation grouting experiments 2005.

21. Knitsch H. Visualization of relevant data for compensation grouting // Tunnel. 2008. (3). C. 38-45.

22. Komiya K. [h gp.]. Soil consolidation associated with grouting during shield tunnelling in soft clayey ground // Géotechnique. 2001. № 10 (51). C. 835-846.

23. Kummerer C. [h gp.]. Numerical modelling of the effects of compensation grouting Lyon: Spécifique, 2002.C. 723-728.

24. Linney L. F., Essler R. D. Compensation grouting trial works at Redcross Way London: Thomas Telford, 1994.C. 313-326.

25. Luca M. Studio sperimentale della tecnica delle iniezioni di compensazione in terreni sabbiosi e limosi 2010.

26. Machado Do Vale J. L., Oliveira G., Mineiro A. C. Consolidation treatment and compensation grouting Saldanha I subway station. Lisbon subway Madrid: Millpress, 2007.C. 1275-1280.

27. Paul G. M. [h gp.]. Engineering geology and the environment / G. M. Paul, G. C. Koukis, G. C. Tsiambaos, G. C. Stoumaras, 2001. 3170-3174 c.

1992.C. 398-409.

29. Rasskazov L. N., Aleksandrov A. V., Chubatov I. V. Effect of Grain Composition and Porosity of Sand on the Possibility of Penetration of Cement Particles // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2017. № 3 (54). C. 183-186.

30. Rasskazov L. N., Borisonov P. V., Chubatov I. V. Stress-Strain State in the Deformation of the Rogun Dam During the Construction Period // Power Technology and Engineering. 2018. № 2 (52). C. 172-180.

31. Remacle J.-F. [h gp.]. Efficient visualization of high-order finite elements // INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING Int. J. Numer. Meth. Engng. 2006.

32. Rodriguez Ortiz J. M., Gallego Lôpez J., Sànchez Ayala F. J. Design and construction of the new underground space for the railway station of Puerta del Sol in Madrid Madrid: Millpress, 2007.C. 1959-1969.

33. Schweiger H. F. [h gp.]. Numerical Modelling of Settlement Compensation by Means of Fracture Grouting // Japanese Geotechnical Society. 2004. № 1 (44). C. 71-86.

34. Schweiger H. F., Falk E. Reduction of settlements by compensation grouting - Numerical studies and experience from Lisbon underground Rotterdam: Balkema, 1998.C. 10471052.

35. Shirlaw J. N. Ground treatment for bored tunnels London: Balkema, 1996.C. 19-25.

36. Shirlaw J. N. [h gp.]. A compensation grouting trial in Singapore marine clay Tokio:, 1999.C. 19-21.

37. Silveira A., Silveira E. B. S. Notas sobre a dosage dos components na establilizacao granu lometrica // Sao Carlos EESC-SG. 1964.

38. Soga K. [h gp.]. Laboratory investigation of multiple grout injections into clay // Géotechnique. 2004. № 2 (54). C. 81-90.

39. Souza Neto E. de, Peric D., Owens D. Computational methods for plasticity: theory and applications / E. de Souza Neto, D. Peric, D. Owens, John Wiley & Sons Ltd, 2008. 814 c.

40. Viggiani G. M. B., Standing J. R. The Treasury. Ch. 26 of Building response to tunnelling - case studies from construction of the Jubilee Line Extension // CIRIA Special Pubblication. 2001. № 200. C. 311-314.

New York:, 2009. 144-145 c.

42. Zertsalov M. G., Simutin A. N., Aleksandrov A. V. Calculated Substantiation of Controlled Compensation Grouting for Lifting the Foundation Slab of Zagorsk PSP-2 // Power Technology and Engineering. 2019. № 5 (52). C. 512-516.

43. Zertsalov M. G., Simutin A. N., Aleksandrov A. V. Design-based justification of controlled compensation grouting during zpps-2 foundation slab mock-up lifting 2019.C. 430434.

44. Zienkiewicz O. C., Valliappan S., King I. P. Elasto-plastic solutions of engineering problems 'initial stress', finite element approach // Numerical Methods in Engineering. 1968.

45. Александров А. В. Разработка и обоснование метода выравнивания гидротехнических сооружений, подвергшихся неравномерным осадкам 2018.

46. Александров А. В. [и др.]. Опытное обоснование выравнивания здания Загорской ГАЭС-2 // Гидротехническое строительство. 2018. (8). C. 7-16.

47. Амусин Б. З., Фадеев А. Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики / Б. З. Амусин, А. Б. Фадеев, Москва: Недра, 1975. 144 c.

48. Анискин Н. А. ФИЛЬТРАЦИОННО-ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ СИСТЕМЫ «ПЛОТИНА-ОСНОВАНИЕ» 2009.

49. Анискин Н. А., Мемарианфард М. Е. РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИИ В ГРУНТОВЫХ ПЛОТИНАХ ЧИСЛЕННЫМ МЕТОДАМ // ВЕСТНИК МГСУ. 2010. (1). C. 169-174.

50. Бартоломей Л. А. Прогноз осадок сооружений с учётом совместной работы основания, фундамента и надземных конструкций 2003.

51. Безухов Н. . Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н. . Безухов, Высшая школа, 1961. 537 c.

52. Безухов Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н. И. Безухов, Москва: Высшая школа, 1961. 512 c.

53. Беллендир Е. Н. [и др.]. Защита и выравнивание зданий и сооружений с помощью технологии компенсационного нагнетания // Гидротехническое строительство. 2016. (2). C. 15-19.

энергетических сооружений». 2000. С. 10-21.

55. Белостоцкий А. М. [и др.]. Численное моделирование пространственного НДС систем «сооружение-основание» с учетом нелинейных реологических свойств грунтов // Сб. научных трудов МГСУ «Вопросы прикладной математики и вычислительной механики». 2001. С. 22-33.

56. Белостоцкий А. М., Акимов П. А. Актуальные проблемы численного моделирования зданий, сооружений и комплексов. Том 1. К 25-летию Научно-исследовательского центра СтаДиО / А. М. Белостоцкий, П. А. Акимов, Москва: АСВ, 2016. 1022 с.

57. Белостоцкий А. М., Белый М. В., Рассказов Л. Н. Численные исследования НДС систем «сооружение-основание» с учетом нелинейных реологических свойств грунтов // Труды XX международной конференции «BEM&FEM-2003». 2003. С. 75-82.

58. Бестужева А. С., Гадай Д. В. Поиск методами факторного анализа оптимальной конструкции грунтовой плотины с подэкрановой зоной из камнебетона // Гидротехническое строительство. 2017. (5). С. 24-29.

59. Бестужева А. С., Чубатов И. В. Управление напряженно-деформированным состоянием основания сооружения при адресном компенсационном нагнетании раствора // Обеспечение качества, безопасности и экономичности строительства. Практика. Проблемы. Перспективы. Инновации: материалы Второй совместной научно-практической конференции ГБУ «ЦЭИИС» и ИПРИМ РАН, Москва, 12-13 декабря 2019 года. 2020. С. 29-35.

60. Бестужева А. С., Чубатов И. В. Тестовые задачи при математическом моделировании подъема и выравнивания фундамента на песчаном основании // Гидротехническое строительство. 2021. (2). С. 56-64.

61. Бестужева А. С., Чубатов И. В. Напряжённо-деформированное состояние основания Загорской ГАЭС-2 в ходе инъекционных работ при компенсационном нагнетании // Гидротехническое строительство. 2021. (10). С. 39-45.

62. Бестужева А. С., Чубатов И. В. Напряжённо-деформированное состояние расчётной области при адресном нагнетании // Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства : сборник тезисов докладов IV Всероссийского научно-практического семинара, Москва, 26 мая 2021 года / Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. 2021. С. 46.

63. Буренкова В. В. Определение глубины проникновения защищаемого материала в поры фильтра // Тр. ВНИИ ВОДГЕО. 1969. (5).

64. Валет Ж.-Л. Компенсационное нагнетание: технология в реальном времени // Метро и тоннели. 2002. (4). С. 16-19.

65. Глаговский В. Б., Гибянская Е. Д. О прогнозировании напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин с ядром в процессе строительства и эксплуатации // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2018. (289). С. 76-82.

66. Глаговский В. Б., Радченко В. Г., Курнева Е. В. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН С НЕГРУНТОВЫМИ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2009. (256). С. 60-71.

67. Гольдин А. Л., Рассказов Л. Н. Проектирование грунтовых плотин / А. Л. Гольдин, Л. Н. Рассказов, Москва: АСВ, 2001. 384 с.

68. Горохов Е. Н. Виртуальные 3D-модели температурно-криогенного режима грунтовых плотин в криолитозоне // Приволжский научный журнал. 2012. № 3 (23). С. 188-193.

69. Горохов Е. Н., Маленов А. А. Расчет грунтового основания бетонной плотины / Е. Н. Горохов, А. А. Маленов, 2017. 63 с.

70. Дересевич Г. Механика зернистой среды // Проблемы механики. 1961. С. 91149.

71. Долгих С. Н., Соболь С. В., Горохов Е. Н. Прогнозное математическое моделирование грунтовых гидротехнических сооружений акционерной компании «алмазы России - Саха» // Приволжский научный журнал. 2007. (3). С. 35-41.

72. З. Г. Тер-Мартиросян Механика грунтов / З. Г. Тер-Мартиросян, Москва: АСВ, 2009. 551 с.

73. Зарецкий Ю. К., Карабаев М. И. Математическая модель блочных скальных массивов и ее применение в расчетах подземных сооружений // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2005. (1). С. 2-7.

75. Зарецкий Ю. К., Ломбардо В. Н. Статика и динамика грунтовых плотин / Ю. К. Зарецкий, В. Н. Ломбардо, Москва: Энергоатомиздат, 1983. 256 с.

76. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич, Москва: Мир, 1975. 541 с.

77. Зерцалов М. Г., Потапов А. Д., Манько А. В. Использование информационных систем для геомеханического мониторинга в подземных сооружениях // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2008. (6). С. 2-5.

78. Зерцалов М. Г., Симутин А. Н., Александров А. В. Технология компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений // ВЕСТНИК МГСУ. 2015. № 6. С. 34-40.

79. Зерцалов М. Г., Симутин А. Н., Александров А. В. Применение технологии компенсационного нагнетания при ликвидации дополнительных деформаций основания гидротехнических сооружений на примере гидроузла Неккар // Гидротехническое строительство. 2017. (4). С. 47-51.

80. Зерцалов М. Г., Устинов Д. В. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ КАМЕРНЫХ ВЫРАБОТОК ПОДЗЕМНЫХ ГЭС // ВЕСТНИК МГСУ. 2010. (4-2). С. 350-354.

81. Зерцалов М. Г., Юфин С. А. Научное обоснование проектов подземных сооружений на современном этапе // Гидротехническое строительство. 2000. (11). С. 1721.

82. Истомина В. С. Фильтрационная устойчивость грунтов / В. С. Истомина, Москва: Госстройиздат, 1957.

83. Истомина В. С. Приближенное определение коэффициента фильтрации несвязных грунтов // Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений: Сб. статей ВНИИ ВОДГЕО. 1959.

84. Истомина В. С., Буренкова В. В., Мишурова Г. В. Фильтрационная прочность глинистых грунтов / В. С. Истомина, В. В. Буренкова, Г. В. Мишурова, Москва: Стройиздат, 1975.

85. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде / Л. С. Лейбензон, Москва: Гостехиздат, 1947.

87. Маковский Л. В., Кравченко В. В. Применение компенсационного нагнетания при строительстве подземных сооружений в сложных градостроительных условиях // ранспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки: сб. науч. тр. 2008. С. 112-120.

88. Маковский Л. В., Кравченко В. В. Определение параметров компенсационного нагнетания при строительстве тоннелей в сложных градостроительных условиях // Проектирование автомобильных дорог: сб. науч. тр. 2009. С. 119-124.

89. Орехов В. В. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния системы здание ГЭС - грунтовое основание с учетом поэтапности строительства здания // ВЕСТНИК МГСУ. 2014. (12). С. 113-120.

90. Орехов В. В. Исследование напряженно-деформированного состояния и устойчивости каменно-набросной дамбы при сейсмическом воздействии // ВЕСТНИК МГСУ. 2015. (11). С. 157-166.

91. Патрашев А. Н., Кулиев С. М. Гравийные фильтры для нефтяных скважин // Тр. энергетического института им. И.Г. Есьмана Азербайджанской ССР. 1945.

92. Рассказов Л. Н. [и др.]. Сангтудинский гидроузел: напряженно-деформированное состояние и фильтрация в основании плотины и в обход гидроузла // Гидротехническое строительство. 2008. (5). С. 45-58.

93. Рассказов Л. Н. [и др.]. Гидротехнические сооружения (речные). Часть 1. Учебник для вузов. Издание второе, исправленное и до-полненное / Л. Н. Рассказов, В. Г. Орехов, Н. А. Анискин, В. В. Малаханов, А. С. Бестужева [и др.]., Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2011. 584 с.

94. Рассказов Л. Н., Борисонов П. В., Чубатов И. В. Напряженно-деформированное состояние и деформации рогунской плотины в строительный период // Гидротехническое строительство. 2018. (2). С. 19-28.

95. Рассказов Л. Н., Саинов М. П., Хоанг М. Т. О расчетах напряженно-деформированного состояния плотин с асфальтобетонным экраном в пространственной постановке // Вестник МГСУ. 2006. (2). С. 133-139.

96. Рассказов Л. Н., Чубатов И. В. Подъем и выравнивание здания гидроаккумулирующей электростанции // Промышленное и гражданское строительство. 2017. (9). С. 61-65.

пористости песка на возможность проникновения частиц цемента // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2017. (2). C. 22-25.

98. Рассказов Л. Н., Чубатов И. В., Буренков П. В. Напряжённо-деформированное состояние сооружения при подъёме и выравнивании в результате неравномерной осадки // Промышленное и гражданское строительство. 2019. (5). C. 60-64.

99. Рассказов Л. Н., Чубатов И. В., Радзинский А. В. Создание инъекционного массива в песчаном основании зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2017. (6). C. 56-63.

100. Рекач В. К. Руководство к решению задач по теории упругости / В. К. Рекач, Москва: Высшая Школа, 1966. 222 с.

101. Саинов М. П. Вычислительная программа по расчету напряжённо-деформированного состояния грунтовых плотин: опыт создания, методики и алгоритмы // Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций. 2013. № 9 (3). C. 208-225.

102. Саинов М. П. Авторская вычислительная программа для исследований напряжённо-деформированного состояния грунтовых плотин // Вестник евразийской науки. 2020. № 12 (3). C. 14.

103. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов / Л. Сегерлинд, Москва: Мир, 1979. 389 с.

104. Симутин А. Н. Методики расчета параметров компенсационного нагнетания для управления деформациями оснований зданий и сооружений 2015.

105. Тер-Мартиросян З. Г., Сидоров В. В., Олодо Т. Д. Напряженно-деформированное состояние дамбы и ее основания с учетом их взаимодействия // Инженерная геология. 2011. (2). C. 30-34.

106. Харченко И. Я. [и др.]. Применение технологии компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений при строительстве тоннелей // Транспортное строительство. 2015. (1). C. 6-9.

107. Чубатов И. В., Бестужева А. С. Математическое моделирование нелинейных задач теории упругости в грунтовых основаниях // Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства : сборник тезисов докладов III Всероссийского научно-практического семинара, Москва, 17 июня 2020 года / Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет,. 2020. C. 19-20.

108. Федеральный закон «О безопасности гидротехнических сооружений» от 21.07.1997 N 117-ФЗ.