Экспериментальное и теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния двухфазной вязкоупругой среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.17, кандидат технических наук Демин, Владимир Анатольевич

• Демин, Владимир Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Демин, Владимир Анатольевич

Общая характеристика работы

1. Современное состояние теоретических и экспериментальных 10 исследований двухфазного полупространства

1.1. Расчетные модели упругого однофазного полупространства

1.2. Теории расчета упругих двухфазных сред

1.3. Теории расчета вязкоупругих двухфазных сред

1.4. Кинематические модели упругой и вязкоупругой двухфазных сред

1.5. Испытания грунтов методами одноосного сжатия

1.6. Экспериментальные исследования общего и порового давлений

1.7. Экспериментальные исследования изменения порового давления во 27 времени

1.8. Экспериментальные исследования влияния остаточного порового 37 давления на прогноз осадок

1.9. Выводы по результатам анализа современного состояния вопроса. 42 Цель и задачи диссертации

2. Напряженно-деформированное состояние упругого двухфазного полупространства

2.1. Основные уравнения кинематической модели упругого двухфазного 45 полупространства

2.2. Расчетные формулы для определения параметров кинематической 56 модели упругого двухфазного полупространства

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное и теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния двухфазной вязкоупругой среды»

Актуальность работы.

Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) двухфазных сред относится к задачам, решение которых связано с большими математическими трудностями. Известные математические модели двухфазных сред, построенные на основании определенных гипотез, не всегда подтверждаются экспериментально. Поэтому создание новых моделей и их экспериментальная проверка является, несомненно, актуальной задачей. Тем более, если рассматривать в качестве двухфазной среды грунт, служащий основанием зданий и сооружений. Помимо двухфазной структуры (скелет и поровая вода), водонасыщенный грунт еще является вязкоупругим материалом, что усложняет решение задачи исследования напряженно-деформированного состояния.

Проведенные в данной работе исследования связаны с теоретическим и экспериментальным обоснованием новой кинематической модели двухфазного вязкоупругого полупространства в виде водонасыщенного грунта - наиболее типичного основания зданий и сооружений. Следовательно, эти исследования являются актуальными и имеют теоретическое и прикладное значение.

Целью диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование НДС двухфазного вязкоупругого полупространства, представленного в виде загруженного внешней нагрузкой участка водонасыщенного грунта.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

• исследование НДС упругого двухфазного полупространства на основании кинематической модели;

• применение принципа Вольтерра и метода ломаных для перехода от упругого решения для двухфазного полупространства к вязкоупругому и для определения вязкоупругих характеристик материала;

• разработка конструкции экспериментальной установки и техники проведения испытаний двухфазного полупространства;

• проведение экспериментальных исследований по определению вязкоупругих характеристик двухфазной среды и разработка методики обработки результатов этих исследований с применением метода ломаных;

• приложение полученных экспериментальных данных к расчету двухфазного полупространства.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

• получены теоретические и экспериментальные результаты исследования НДС двухфазного полупространства на основании кинематической модели;

• разработана экспериментальная установка для испытания водонасыщенного крупногабаритного образца, расположенного в характерной толще грунта, где удаление от дневной поверхности до образца имитируется водяным столбом над грунтом и получены новые экспериментальные данные, характеризующие вязкоупругие параметры двухфазной среды;

• выявлен механический эффект, подтверждающий, что введение водяного столба в экспериментальной установке обеспечивает несущую способность поровой воды;

• разработан алгоритм определения вязкоупругих параметров водонасыщенного грунта как вязкоупругого строительного материала по экспериментальным данным;

• разработан алгоритм получения немонотонного оригинала по заданному немонотонному изображению применительно к двухфазному полупространству.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается:

• использованием известных методов и уравнений строительной механики;

• выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и оттарированных контрольно-измерительных приборов;

• удовлетворительным согласованием результатов численных и аналитических решений с данными лабораторных испытаний.

Практическая ценность работы заключается в том, что предлагаемые результаты исследований могут использоваться при расчете полупространства из водонасыщенного грунта для разных инженерных сооружений. В дальнейшем результаты исследований могут быть использованы при проектировании и расчете осадок инженерных объектов, которые строятся на основаниях из слабых грунтов.

На защиту выносится:

• результаты исследования НДС двухфазного полупространства на основании кинематической модели;

• новый механический эффект, который заключается в том, что введение водяного столба при экспериментальном исследовании образцов двухфазной среды обеспечивает несущую способность поровой воды без последующего значительного ослабления этой способности;

• алгоритм определения вязкоупругих параметров водонасыщенного грунта как вязкоупругого строительного материала по экспериментальным данным;

• алгоритм получения немонотонного оригинала по заданному немонотонному изображению применительно к двухфазному полупространству.

Апробация работы.

Основные положения, результаты исследований докладывались и обсуждались: на научном семинаре «Межкафедральной, научной и экспериментальной лаборатории» Тюменской государственной архитектурно-строительной академии под руководством доктора ф.-м.н., профессора Л.Е.Мальцева (ТюмГАСА, 1998-2001 г.); на 1-й научной конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей (ТюмГАСА, 1999 г); на П-й научной конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей (ТюмГАСА, 2000 г); на научно-методической конференции преподавателей, посвященной 30-летию ТюмГАСА (ТюмГАСА, 2000 г); на научной конференции посвященной памяти первого ректора А.Н.Косухина (ТюмГНГУ, 2001 г); на научном семинаре кафедры теоретической и прикладной механики Тюменского государственного нефтегазового университета под руководством д.т.н., профессора Ю.Е.Якубовского (ТюмГНГУ, 1998-2001 г.); на заседании кафедр «Строительная механика» и «Механика грунтов, основания и фундаменты» (ТюмГАСА, 2001 г); на III-й научной конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей (ТюмГАСА, 2002 г); на научно-техническом семинаре факультета "Мосты и тоннели" (ПГУПС, 2003 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и литературы. Работа содержит 174 страниц машинописного текста, 85 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 91 наименования, в том числе 7 - на иностранном языке.

Заключение диссертации по теме «Строительная механика», Демин, Владимир Анатольевич

Основные результаты и выводы

1. Проведенное на основании модели исследование НДС двухфазного полупространства позволило выявить перераспределение усилий между жидкой и твердой фазами.

2. Применение принципа Вольтерра и метода ломаных позволило осуществить переход от упругого решения для двухфазного полупространства к вязкоупругому. Кроме того, разработана техника применения метода ломаных для приближенного получения оригинала по известному изображению. В частности, по существенно немонотонному изображению в диссертации получен немонотонный оригинал.

3. Разработана конструкция экспериментальной установки и техника проведения испытания элементов двухфазного полупространства в виде крупногабаритных образцов из водонасыщенного грунта, позволяющая выявить влияние остаточного порового давления.

4. Проведены экспериментальные исследования с крупногабаритными образцами из двухфазного тела. Экспериментально показано, что коренное отличие двухфазного тела от однофазного заключается в том, что при постоянной нагрузке происходит перераспределение усилий между жидкой и твердой фазами. Согласно проделанным экспериментам это взаимодействие описывается немонотонной функцией.

5. Выявлен новый механический эффект, подтверждающий, что введение водяного столба в экспериментальной установке выше крупногабаритного образца обеспечивает несущую способность поровой воды.

6. Разработана методика определения по экспериментальным данным вязкоупругих характеристик водонасыщенного торфа как вязкоупругого материала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Демин, Владимир Анатольевич, 2005 год

1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах. М.: Стройиздат, 1983. - 248 с.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 279 с.

3. Александров А.В. Основы теории упругости и пластичности. М.: В.Ш., 1990.-399 с.

4. Амарян JI.C. Прочность и деформируемость торфяных грунтов. М., изд. «Недра», 1969, 187 стр.

5. Амарян JI.C. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. М., изд. «Недра», 1990, стр. 117.

6. Амарян JI.C. Методы расчета прочности и сжимаемости торфяных грунтов. В кн.: Материалы к первой Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. Под ред. проф. JI.C. Амаряна. Калинин, 1972, ч.1, с. 69-89.

7. Амбарцумян С.А. Разномодульная теория упругости. М.: Наука, 1982. 318 с.

8. Арутюнян Н.Х. Некоторые вопросы теории ползучести. М.-Л.: Гостехиздат, 1952. 323 с.

9. Баранов Д.С. Руководство по применению прямого метода измерения давлений в сыпучих средах и грунтах. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1965.

10. Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б.С. Прогноз осадок свайных фундаментов. М.: Стройиздат, 1994. - 384 с.

11. Бай В.Ф., Демин В.А. Обработка эксперимента с крупногабаритным образцом обводненного торфа по двум моделям. Сб. докладов научно-технической конференции, посвященной 30-летию ТюмГАСА. Издательско-полиграфическое предприятие «Тюмень», 2000. с.61-71.

12. Бай В.Ф. Экспериментальная установка для проведения испытания образца обводненного грунта. // Известия вузов. Нефть и газ, 2001, №3. С.58-62.

13. Бай В.Ф., Мальцева Т.В., Набоков А.В. Экспериментальное определение параметра в упругом варианте кинематической модели грунта. // Изв. вузов. Нефть и газ, 2001, № 5. С.81-87.

14. Бай В.Ф., Мальцева Т.В., Набоков А.В. Механические характеристики двухфазного образца. // Изв. вузов. Нефть и газ, 2002, №1. С.98-106.

15. Бай В.Ф., Мальцева Т.В., Набоков А.В. Новая методика определения параметров теории фильтрационной консолидации. // Изв. вузов. Нефть и газ, 2002, №2. С. 103-106.

16. Березанцев В.Г. Некоторые задачи теории предельного сопротивления грунтов нагрузке / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Ленинград, 1949.

17. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: В.Ш., 1968.-512 с.

18. Ванюшкин С.Г. Особенности взаимодействия многоволновых фундаментов-оболочек с основанием / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Днепропетровск, 1985.

19. Винокуров Ф.П., Тетеркин А.Е., Питерман М.А. Строительные свойства торфяных грунтов. Минск: изд. АН БССР, 1962, 281 с.

20. Власов В.З., Леонтьев Н.Н. Балки, плиты, оболочки на упругом основании. М.: Госиздат физ.-мат. Литературы. 1960. - 420 с.

21. ГОСТ 23908-79. Грунты: Метод лабораторного определения сжимаемости. -М.: Изд-во стандартов, 1982.- 11с.

22. ГОСТ 25100-82. Грунты. Классификация. М.: Изд-во стандартов, 1982. 9 с.

23. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Изд-во стандартов, 1986. 24 с.

24. ГОСТ 12248-96 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.

25. Гастев В.А. Курс теории упругости и основ теории пластичности. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1973. 180 с.

26. Гусак А.А., Гусак Г.М., Бричников Е.А. Справочник по высшей математике. 2-е изд., Мн. Тетрасистемс, 2000. - 640 с.

27. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания, фундаменты. М.: Стройиздат, 1981.-319 с.I

28. Добров Э.М., Кузахметова Э.К. К вопросу о консолидационных характеристиках торфяных грунтов. В кн.: Материалы к первой Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. Под ред. проф. Л.С. Амаряна. Калинин, 1972, ч.1, с. 127 - 132.

29. Заяц В.Н., Шибут А.И. Вторичная консолидация в процессе уплотнения торфяных грунтов. В кн.: Материалы к первой Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. Под ред. проф. Л.С. Амаряна. Калинин, 1972,ч.1, с. 122- 125.

30. Зарецкий Ю.К. Вязко пластичность грунтов и расчеты сооружений. М.: 1988.

31. А.А. Ильюшин, Б.Я. Победря. Основы математической теории термовязкоупругости. Изд-во «Наука», М., 1970,280 с.

32. Ильин В.П., Мальцев JI.E., Соколов В.Г. Расчет строительных конструкций из вязкоупругих материалов. Л.: Стройиздат, Ленингр. Отд-ние, 1991. 190 е.: ил.

33. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 104 с.

34. Касаткин Б.С., Кудрин А.Б., Лобанов Л.М., Пивторак В.А., Полухин П.И., Чиченев Н.А. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: Справочное пособие. Киев: Наукова думка, 1981. - 583 с.

35. Казарновский В.Д., Скляднев А.И., Штырхун Е.Ю. Учет остаточного порового давления при прогнозе конечной осадки насыпей на слабых грунтах. // Вопросы проектирования и строительства автомобильных дорог. М., 1993. -С.133-136.

36. Киселев В.А. Плоская задача теории упругости. М.: В.Ш., 1976. - 152 с.

37. М.А. Колтунов. Ползучесть и релаксация. М., «Высшая школа», 1976, 277 с.

38. Коновалов П.А., Кушнир С.Я. Намывные грунты как основания сооружений М.:Недра, 1991. 256с.: ил.

39. Королев А.С., Ивкин Т.Н. Расчетные и нормативные значения модуля общей деформации торфа. В кн.: Материалы к первой Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. Под ред. проф. Л.С. Амаряна. Калинин, 1972, 4.1, с. 262 - 270.

40. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Основные дифференциальные уравнения математической физики. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. — 768 с.

41. Коновалов П.А., Зехниев Ф.Ф. Ускорение консолидации водонасыщенного слабого грунта с помощью плоских песчаных дрен. // Сб. научных трудов в 2 т. под общей редакцией Ильичева В.А. М.: Стройиздат, 1987. - т.1. - С. 274-276.

42. Кукушкин В.А. Аппаратура и методика трехосных испытаний торфа на крупных монолитах. В кн.: Материалы к первой Всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. Под ред. проф. Л.С. Амаряна. Калинин, 1972, ч. 1, с. 242 - 249.

43. Куриленко Н.И. Стержневая модель распределительной способности одно-и двухфазных грунтов / Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тюмень, 1992. 228 с.

44. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1965. 204 с.

45. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа (справочное руководство): Пер. с англ./ Под ред. A.M. Лопшица. М., 1961.-524 с.

46. Мальцев Л.Е. Модель механики грунтов с кинематическим описанием взаимодействия фаз. Сб. "Итоги исследований" ТИММС СО РАН №5, -Тюмень, 1994.

47. Мальцев Л.Е., Степанова Т.В. Кинематическая модель механики грунтов. Сб. "Фундаментостроение в условиях Тюменского региона" ТюмИСИ, 1993.

48. Мальцева Т.В. Фундаментальное решение задачи Фламана для двухфазной вязкоупругой полуплоскости. Изв.вузов. Нефть и газ, 2000, №2 с.72-78.

49. Мальцев Л.Е., Карпенко Ю.И. Теория вязкоупругости для инженеров-строителей. Тюмень, 1999.

50. Малышкин А.П. Взаимодействие лопастных свай с окружающим грунтом. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пермь 1993.-207 с.

51. Мальцева Т.В. Действие сосредоточенной силы на двухфазное упругое полупространство. // Изв. вузов. Нефть и газ, 2001. №1.

52. Мальцев Л.Е., Мальцева Т.В., Демин В.А. Экспериментальное определение параметров кинематической модели для водонасыщенного образца грунта. Изв. вузов. Нефть и газ, 2001, №2. с. 96-102.

53. Мальцев Л.Е., Куриленко Е.Ю. Двумерные задачи теории упругости: Учебное пособие. Тюмень, 1992. - 170 с.

54. Мальцева Т.В. Фундаментальное решение задачи Фламана для двухфазной вязкоупругой полуплоскости. // Изв. вузов. Нефть и газ, 2000. №2. — С. 72-78.

55. Мальцев Л.Е., Соколов В.Г. Метод параметров для решения статических задач линейной теории вязкоупругости для нестареющего материала // Исслед. По механике строит, констр. и материалов. Труды ЛИСИ, 1989. с. 32-37.

56. Методические рекомендации по испытанию глинистых пород методами одноосного сжатия и сжатия-растяжения. Министерство геологии СССР. М., 1977.

57. Натансон И.П. Краткий курс высшей математики. СПб., 1999. - 736 с.

58. В.М. Пестренин, И.В. Пестренина. Применение аппроксимации в задачах линейной вязкоупругости анизотропного тела. Механика композитных материалов, 1988, №3, - 462-467 с.

59. Ю.Н. Работнов. Элементы наследственной механики твердых тел. Изд-во «Наука», М., 1977, 384 с.

60. Ржаницын А.Р. Теория ползучести. М.: Стройиздат, 1968. 416 с.

61. Сильченко П.М. Разработка вопросов расчета фундаментов в виде оболочек методом начальных параметров / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1977.

62. Степанова Т.В. Моделирование процесса консолидации вязкоупругих двухфазных грунтов / Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тюмень, 1994. 98 с.

63. Филоненко-Бородич М.М. Теория упругости. М., 1959. - 271 с.

64. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: в 3 т. М. - т. 2,1969. - 800 с.

65. Тер-Мартиросян З.Г. Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений. М.: Стройиздат, 1990, 200 с.

66. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа. 1983. - 288 с.

67. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. 4-е изд. - М.: Недра, 1975. - 303 с.

68. Чикишев В.М., Малышкин А.П. Взаимодействие пяты лопастной сваи с грунтом основания. // Проблемы свайного фундаментостроения. Труды III Международной конференции в Минске. Часть 1 //. Пермь: ППИ, 1992, с. 77-79.

69. Юшков Б.С. Исследования изменения во времени сил трения по боковой поверхности свай / Сборник трудов «Основания и фундаменты в геологических условиях Урала». Пермь, 1981. С. 64-67.

70. Biot М.А., Journal of Applied Physics, №23, 1956. C.91-96.

71. Biot M.A. Theory of deformation of a porous viscoclastic anisotropic sofld. Journal of Applied Physics, №5, 1956. C.459-467.

72. Mandel J. Proc. of the Third International Congress on Soil Mechanics, vol. 1, 413, Zurich, 1953.

73. Boltzmann L. Ann. Phys., 7, 1876, s. 624.

74. Brazier L. G. Flexure of thin cylindrical shells and other thin sections/Pros. Roy. Soc., 1927, vol. 116.P. 104-114.

75. Davis R., Davis H., Brown E. Plastic flow and volume change of concrete // ASTM, Pros., vol. 37,1937, p. 11.

76. Volterra V. Drei Vorlesungen. Leipzig und Berlin, 1914. 155 s.