Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.08, доктор геолого-минералогических наук Строкова, Людмила Александровна

• Строкова, Людмила Александровна
• доктор геолого-минералогических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Строкова, Людмила Александровна

Введение.

1. Современные представления о создании расчетных моделей оснований зданий и сооружений.:.

1.1. Моделирование в геотехнике.:.,.

1.2. Виды расчетов.„.:.

1.3; Характеристики поведения грунтов.

Г.4; Обзор программ, обеспечивающих оценку НДС. 49'

1.5. Описание.проблемной ситуации .:. 54*

1.6. Выводы;.:.:. ^.

2; Инженерно-геологические условияфайона исследований.6V

2.Е Физико-географические условия-.;.:.64'

2.2. Ееологическое строение и;история формирования района.:.:. 72" 2.3: Еидрогеологическиеусловия;.:.;.'.;

2.4. Особенности грунтов:.86

• 2.5: Выводы.:.,.,.„1.:.94 '

3; Классификации;определяющихуфавнений грунтов

3.1. Современное состояние вопроса.:. 95 ■

3.2] Основные подходы»к решению задачи . 104:

3.3: Классификация определяющих«уравнений;гр)штов.;.

3-4': Рекомендации по^выбору модели поведения грунта.;.

3.5: Выводы. .:.:.„::.:.1

4; Определение параметров грунтов.Г

4.1. Определение основных^ параметров расчетной-модели^;:.

4:2: Определение дополнительных параметров.

4.3. Имитация лабораторных ишолевых испытаний:. 160- •

414: Калибровка входныхшараметров.:.'.:.„.

4.5. Выводы:.:.

5ГПроверки создаваемой;расчетной модели.:.„.

5.1. Критеритоценки адекватности созданных моделей.:.:.180'

5:2. Анализ чувствительности параметров:.;.182;

5.3': Определение интервалов значений.параметров:.:. 193!

5.4. Сопоставление расчетных данных с результатами нат)фных наблюдений: 199 5:5: Вьшоды.::.„.:.;.л.:.:.:.:.:. .:.1.

6. Использование данных натурных наблюдений?при разработке моделей. 2036:1. Прогнозирование трудноопределимых,входныхшараметров.

6.2. Прогнозирование расчетных параметров с Dato Мш/wg.

6.3. Применение численных расчетов для обоснования проектов реконструкции; сооружений.;.;.224'

6.4. Выводы.241;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований»

Исследование поведения грунта как сложной природной среды, составление точного расчетного прогноза его работы в основании инженерного сооружении является одним из важнейших звеньев безопасного строительства не только вновь возводимого сооружения, но обеспечения безопасности окружающей застройки и коммуникаций. Увеличение этажности зданий и сооружений, повышение плотности городской застройки, активное освоение подземного пространства, а также все более частое использование в качестве оснований грунтов, ранее считавшихся непригодными для строительства, ставит задачу совершенствования технологии расчета грунтовых оснований, на основе использования сложных нелинейных моделей поведения грунта специализированных геотехнических комплексов.

Актуальность настоящего диссертационного исследования вытекает из сложившегося противоречия между широким ассортиментом программных продуктов для расчетов напряженно-деформируемого состояния (НДС) системы «грунтовый массив — инженерное сооружение»; росту их использования в инженерной практике; их привлекательности с точки зрения точности, скорости расчета, притягательности для глаз компьютерной графики - с одной стороны и отсутствием теоретических исследований процесса разработки цифровых расчетных моделей - с другой. Данное противоречие преодолевается развитием методологического обеспечения процесса создания расчетных моделей, способов и средств оценки поведения грунтов при взаимодействии с инженерным сооружением.

Вопросы разработки расчетных моделей грунтовых оснований, адекватно отражающих поведение пород, имеют научно-прикладное значение в инженерной геологии.

До середины 20-го века было принято описывать поведение грунта как линейно упругое, подчиняющееся закону Гука, хотя в реальности грунты проявляют не только упругие, но и пластические, хрупкие и вязкие свойства.

Появление высокоскоростных компьютеров, новых современных технологий позволило описывать сложное нелинейное неупругое поведение грунтов: Для оценки напряженно-деформированного состояния системы грунтовый массив - сооружение, выполнения расчетов , ее прочности и устойчивости;: используются такие специализированные программные комплексы, как: ABAQUS, ANSYS, COSMOS, NASTRAN, PLAXTS и многие другиё.

При выполнении расчетов трудности встречаются на всех- этапах проектирования, начиная с опробования, выбора и. определения исходных параметров, геометрического разбиения* пространства; выбора математической; модели-, до интерпретациишолученных результатов;

По данным рабочей группы Европейского Геотехнического сообщества [76] особые трудности у пользователежтеотехнических программ:вызывают:: определение и задание входных параметров;: определение начальных условий; выбор подходящей? модели;, достоверно* описывающей поведение. материала при- нагружении; интерпретация* результатов; Более того; результаты; выполненные при1 помощи, различных программных комплексов; разнятся между собой. И это различие, как правило; возрастает при недостаточно корректном использовании программного комплекса; без учета его возможностей; m особенностей, при-; использовании расчетной модели грунта; не соответствующей его; поведению в реальных.условиях.

В. отличие от других инженерных, специальностей; инженеры-геологи работают с исключительно сложным «материалом»,, реально-дискретным, анизотропным, многофазным^ с: выраженными»,реологическими свойствами. Устанавливаемые экспериментально! «отклики» грунтов на; внешние воздействия зависят от всей» предыстории« формирования; грунтового ■ массива; характера; скорости и, продолжительности приложения ; внешних; сил; от физико-химического составасамогогрунта, и очень часто невозможно однозначно определить закон связи между напряжениями и деформациями, как: это делается, например, дляшеталлов:

Достоверное описание напряженно-деформированного состояния системы «основание-сооружение» определятся, в первую очередь, мерой совершенства описания механических свойств грунтов. Определение механических свойств полевыми и лабораторными методами имеют свои достоинства и недостатки. Полевые методы в меньшей степени нарушают природную структуру грунта и позволяют судить о фактическом напряженном состоянии грунтового массива. Лабораторные методы определения механических; свойств сопряжены с проблемой разуплотнения образцов при отборе, «потерей» информации о природном напряженно-деформированном состоянии основания, однако, позволяют смоделировать работу грунта при возведении сооружения [47].

Трудности экспериментального* определения напряженно-деформируемого состояния грунта в разные, этапы- жизненного цикла: начальный момент, в период строительства и эксплуатации сооружения преодолеваются путем математического моделирования работы основания при взаимодействии с сооружением.* Математическое,, компьютерное моделирование, основанное; на фундаментальных законах природы, экспериментальных данных и теоретических знаниях об объекте, позволяет «проиграть» на компьютере различные мыслимые ситуации? и сопоставить полученные результаты с данными непосредственных наблюдений:

Направленность научно-методологических исследований в изучении НДС грунтов определили труды отечественных ученых: Г.В1 Бондарика, Г.Г.Болдырева, G.G. Вялова, Н.М. Герсеванова, М.Н. Гольдшгейна, В.В. Дмитриева, Ю.К. Зарецкого, И.П. Зелинского, И.П. Иванова, Э:В; Калинина, В.Ф. Котлова, H.H. Маслова, З.Г. Тер-Мартиросяна, С.Р. Месчяна, Д.Е. Полыиина, В.А. Флорина, H.A. Цытовича и других [1, 2, 6, 11, 16,17, 18, 24,47,50]. . .

Изучением вопросов,физического и математического моделирования^ в инженерной геологии и в, механике грунтов занимались и продолжают заниматься: в: Австрии H.F.Schweiger (Graz), в Великобритании: J.Burland,

R.J. Jardine, D:M.Potts, L. Zdravkovic (Imperial College London); C.E.Augarde, G.T.Houlsby (Oxford), D.M. Wood, C.P.Wroth, (Cambridge); в Германии P.A. Vermeer (Stuttgart); R. Katzenbach (Darmstadt), T. Schanz (Weimar); A. Niemunis (Karlsruhe); в Канаде R.K. Rowe, K.L. Soderman; в Ноной Зеландии I.F. Collins, в России H.B. Коломенский; E.H. Коломенский, Г.А. Сулакшина, Ф.П. Нифантов, В.Н: Пуляев, В-Е. Ольховатенко, F .Г. Щербак, A.B. Перельмутер, В.И. Сливкер; F.F. Болдырев; М.В: Малышев; Е.Ш Швецов, K.F. Шашкин; в-США J. Andrade, R;I. Borja (Stanford), P. Mayne (Georgia), J.M. Duncan (Virginia);. C.-Tl Change Ji A. DiMaggio; ; V.N. Kaliakin; (Delaware); P.V. Eade:(ÎWashington); всЩвейцариш- A.M; Puzrin, S. Springman (Zurich); в»Японии;Щ Matsuoka; T. Nakai; F. Tatsuoka; Jï Koseki,,R: Kuwano; Kl Ishihara (Tokyo) и другие.

Для? расчетов; оснований- и. фундаментов« по .предельными состояниям разработаны и аиробированы следующие определяющие уравнения (модели) грунтов: линейной m нелинейной упругости; упругие модели с изменяющимися модулями упругости, гиIюрупругости, гипоупругости, идеальной упру-гопластичности, пластичности.с упрочнением (изотропным, кинематическим и смешанным); гиперпластичиости; гипопластичности, вязкоупругости, вяз-копластичности, вязко-гипопластичности:- Анализ выполненных исследований показывает,. что совершенных теорий; однозначноописывающих напряженно-деформированное состояние грунтового массива еще нет. Каждая из существующих теорий, справедлива только*- в/ определенных условиях и для определенных материалов.

Выбор модели грунта для расчета затруднен, ввиду отсутствия специализированных инсфументов; списка операций, с помощью. которых можно выбрать модель. грунта. Само содержание ; и; методологическое обеспечение процесса создания расчетной модели должны сделаться объектом пристального научного исследования. Зачастую пользователи; геотехнических про-граммшри разработке моделей полагаются на.опыт и иткенерную интуицию, причем специалист иногда в принципе не может описать на формальном языке «механизм» принятия решений.

Более того, моделируемая среда не обладает классически понимаемой статистической природой. Вероятностное пространство (в конечном случае) состоит из элементарных- событий, считающихся несовместными. Это обусловливает ту особую роль, которую играют в статистической теории независимые случайные величины и, соответственно, независимые признаки. В реальной же ситуации, признаки, те же показатели физико-механических свойств грунтов, почти всегда взаимозависимы: В большинстве моделей: используется . предположение нормальности. распределения признаков; в то время как, обычно; признаки; не распределены по какому-либо хорошо- известному закону. Часто бывает трудным: или невозможным получение выборки достаточного объема, для того, чтобы статистические оценки были достоверными. Кроме того, в вероятностном подходе очень сложно описать факт отсутствия, информации [18]. Соответственно, встает, под сомнение достаточность применения в процессе разработки модели только классических вероятностей и вероятностных случайных процессов:

Таким образом, в, свете; явного отсутствия- соответствующих методик, норм по созданию цифровых расчетных моделей грунтовых оснований, выбору модели, поведения грунта, необходимопринципиальное совершенствование существующей.технологии разработки расчетной модели, создаваемых в условиях разного рода неопределенностей. Большое содействие в этом может оказать теория нечетких множеств, заложенная в фундаментальных работах Лотфи Заде [12, 13, 197]. Основной причиной появления этой теории стало наличие нечетких и приближенных рассуждений; при описании: человеком процессов, систем, объектов [37]. \

Настоящая работа посвящена;описанию процедуры численного прогноза деформирования грунтовых оснований сооружений в условиях плотной застройки на основе полевых и лабораторных исследований грунтов, использования сертифицированной геотехнической программы «Р1ах1Б», сопоставления расчетов с данными натурных наблюдений.

Признаки предмета исследования и его определение. Диссертационная работа направлена на совершенствование технологии разработки цифровых расчетных моделей грунтов^ повышение надежности их функционирования; за счет оценки неопределенностей при создании расчетной модели, установления, принципов и критериев, отбора математической модели; разработки классификационной схемы моделей грунта, установления параметров-моделей, проверок расчетов.

Направленность исследований соответствует следующим' приоритетным направлениям развития науки и техники; критическим технологиям Российской Федерации, утвержденным ПрезидентомРФ(Пр-842 от21.05:2006), в разделе «Технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и биосферы»; федеральным законам «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (№ 384-ФЭ от 30.12.2009; части Г и 6 статьи 15); «О техническом регулировании» (№ 184-ФЗ от 27.12.2002) и пунктам 5.4. «Физическое и математическое моделирование взаимодействия зданий и сооружений: с геологической средой» и 5.5. «Специальные исследования характеристик, грунтов по: отдельным- программам: для нестандартных, в том, числе нелинейных методов? расчета оснований фундаментов и конструкций зданий и сооружений» Перечня работ инженерно-геотехнических изысканий^ утвержденного приказом № 624 Минрегиона РФ от 30.1212009:

Тема диссертационного исследования соответствует пп. 2, 3 и 12 паспорта специальности 25.00.08 - Инженерная 'геология, мерзлотоведение и грунтоведение: . • ■ • .

2). Физические, физико-механические и физико-химические свойства грунтов, природа их деформируемости и прочности, корреляция между свойствами, классификационные и расчетные показатели свойств грунтов.

3). Напряженное состояние массивов пород (грунтовых толщ), оценка их прочности, устойчивости и деформируемости при природных и техногенных нагрузках.

12). Физическое, математическое, аналоговое и другое моделирование геологических, геокриологических и инженерно-геологических процессов, прогноз их развития во времени - пространстве, оценка и управление геологическими опасностями и геологическими рисками.

Целью1 диссертационной работы»является научное обоснование технологии создания цифровых расчетных моделей грунтовых оснований и разработка практических рекомендаций по их применению для прогноза деформаций оснований.

Для достижения цели были решены следующие основные задачи:

1) разработка основ и определение принципиальной технологической схемы- инженерно-геологического изучения и численного1 прогноза деформирования грунтовых« оснований;

2) анализ источников- и методов исследования неопределенностей при изучении поведения пород при ¡взаимодействии с инженерным сооружением и создании расчетных схем;

3) структурирование информации об- областях применения уравнений; поведения грунтов при нагружении в расчетах по предельным состояниям оснований зданий и сооружений;

4) систематизация методик определения основных и дополнительных параметров- физико-механических свойств грунтов, установление их расчетных значений для оценки деформаций оснований при помощи- нелинейных расчетных моделей' специализированных' геотехнических комплексов;

5) систематизация методов проверки создаваемой цифровой' расчетной модели и оценки ее адекватности реальному поведению.

Объектом исследования являются природно-технические системы элементарного и локального уровней в городах Мюнхен и Кемерово. Выбор модельных территориальных объектов исследования обусловлен» относительно хорошей изученностью свойств геологической среды, наличием данных технического мониторинга за деформациями оснований и сооружений, с вытекающей отсюда возможностью объективного анализа, и прогноза процессов деформирования грунтов с учетом взаимодействия с инженерными сооружениями.

Предметом исследования является процесс разработки цифровых расчетных моделей грунтовых оснований для оценки их деформаций при использовании специализированных геотехнических' программ и совершенствование технологииразработки таких моделей.

Методы исследования: системно-функциональный/анализ; теория нечетких множеств; теория вероятностей и математическая статистика; теория надежности;! математическое моделирование методом конечных элементов (МКЭ). Оценка деформируемости грунтов проводилась в ходе компрессионных,, трехосных ^-консолидации и полевых испытаний дилатометром. При обработке, анализе и интерпретации данных наблюдений использовались программы «MS Excel», «Deductor» и другие.

Личный вклад авторам Диссертация выполнялась на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ во время обучения в докторантуре. В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором в лабораторных исследованиях, при их обработке и моделировании во- время 'стажировки bi Техническом* университете города Мюнхена: Лично автором были проведены и обработаны результаты около 300 определений классификационных показателей по 30 скважинам; 100 трехосных испытаний, 40 испытаний методом одноплоскостного среза грунтов, 12 испытаний методом кольцевого среза; выполнена разработка около 200 цифровых расчетных моделей. . .

Конкретными результатами; содержащимися в работе и полученными лично автором, являются:

1. Принципиальная технологическая схема создания цифровой расчетной модели, начинающаяся с инженерно-геологического изучения объекта и заканчивающаяся численным прогнозом деформирования грунтовых оснований.

2. Классификация определяющих уравнений для грунтов при решении геотехнических задач, уточнение руководящих положений по отбору моделей для расчета.

3. Результаты специальных исследований механических характеристик грунтов для нелинейных методов расчета деформаций грунтовых оснований при помощи специализированного геотехнического комплекса.

4. Методики определения, калибровки, проверки расчетных параметров физико-механических свойств грунтов.

5. Процедура оценки чувствительности выходных параметров расчетных моделей (величины деформаций, перемещений и напряжений) к изменению входных параметров (показателей физико-механических свойств грунтов).

6. Результаты численного прогноза деформирования грунтовых оснований модельных территориальных объектов.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Постановка новой научной проблемы - методологическое обеспечение процесса создания цифровых расчетных моделей для численного прогноза деформаций грунтовых оснований. Исследование и научное обоснование процедур процесса создания цифровых расчетных моделей.

2. Впервые разработана классификация определяющих уравнений грунтов при помощи деревьев решений и рекомендованы руководящие положения по отбору моделей поведения грунтов при нагружении для расчета деформаций оснований сооружений.

3. С новых позиций выявлены и описаны методы определения и назначения параметров модели, конкретизирована процедура калибровки параметров деформируемости грунтов.

4. Предложены процедуры тестирования цифровых расчетных моделей, например, анализ чувствительности выходных параметров расчетных моделей к изменению входных параметров' на примере расчета осадок и перемещений подпорных стен.

5. Впервые использован разведочный анализ данных мониторинга для прогнозирования деформаций поверхности, связанной с проходкой туннелей.

Достоверность научных положений, выводов и практических. рекомендаций подтверждена теоретическими выкладками, совпадением численных результатов с решениями, полученными, аналитически и результатами натурных наблюдений. Достоверность экспериментальных данных обеспечена; использованием современных приборов (трехосных, компрессионных, сдвиговых) и методик проведения исследований (FOGT, DIN,. GEN, ISO) в аккредитованных лабораториях . Технического Университета г. Мюнхена и Томского политехнического'университета. Положения теории: основываются: на известных достижениях фундаментальных и прикладных научных дисциплин (механика, грунтов; теория? нечетких множеств, теория вероятностей и математическая; статистика)- сопряженных с предметом исследования дис-. сертациш ■ ■ ;

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации на. учно-методические,основы численного прогноза деформирования; грунтовых оснований ¡позволяют существенно: увеличить точность« и достоверность расг, четов, уменьшить трудозатраты и временные ресурсы^ на; этапе: разработки расчётной модели;: сократить неопределенности в- определении параметров* грунтов и при назначении входных параметров, что позволит улучшить качество проектирования;: сократить сроки подготовки специалистов к работе с программными комплексами: . , . Классификация .определяющих^ уравнений: для грунтов; имеет цель обеспечения единообразия; и сопоставимости результатов? расчетов. Типичные значения и методики определения некоторых параметров грунтов могут быть внесены; в нормативные документы и; рекомендации по проектированию* оснований зданий и.сооружений:

На защиту выносятся следующие положения:

1. Научной основой оценки и прогноза деформирования грунтов является классификация* определяющих- уравнений, представленная^ в виде деревьев решений, позволяющая сделать выбор модели поведения основных типов грунтов.

2. Экспериментальное определение основных и дополнительных параметров физико-механических свойств, грунтов; калибровка показателей деформируемости^ определение начального напряженного состояния, назначение входных параметров-численного моделирования с учетом имитации: лабораторных испытаний, служат методико-тёхнологической основой численного прогноза деформирования фунтов.

3. Для повышения точности расчетов при моделировании напряжен-но-деформированного;состояния конкретнрй природно-технической системы следует, выполнять анализ чувствительности решений к входным параметрам, вычисление абсолютных и относительных погрешностей решения.

4. С целью корректировки создаваемых цифровых расчетных моделей, выполнения прогнозов и обоснования' оптимальных проектных решений, необходимо использовать данные технического мониторинга за деформациями оснований и сооружений: Содержание и методы анализа данных мониторинга детально раскрываются на примере решения задач, связанных с оседанием земной поверхности, вызванным« проходкой-туннелей: ' Апробация работы. Основные положения диссертацию докладывались и обсуждались на;конференциях: «Международный.год Земли;.» Томского государственного архитектурно-строительного университета; «Геодинамика и напряженное состояние недр1 Земли», 2009 г., организованной- Институтом горного дела СО РАН (г. Новосибирск); V Всероссийского конференции, «Перспективы, развития; инженерных изысканий для- строительства в РФ», организованной АСИС" и ПНИИИС^ 2009;-г. (г. Москва); на научных семинарах кафедры гидрогеологии и.инженерной:геологии Томского политехнического университета, Читинского государственного университета.

Публикации; Из'90 работ автора по теме диссертации опубликовано 35 работ, в т.ч. 26 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК и два учебных пособия общим: объемом;34,1 п. л.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения,

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Строкова, Людмила Александровна

6.4. Выводы

1. При создании расчетных моделей значимую роль играют натурные наблюдения. Именно с использованием этих данных возможна корректировка конструктивных решений как вновь ,проектируемых, так и реконструируемых сооружений:

2., Установлены взаимосвязи между геометрическими, геологическими параметрами,, описывающими проходку горных выработок и величиной осадки земной поверхности над ними. 3. Выявлены основные закономерности-в динамике развития процесса оседания земной поверхности из-за проходки горных выработок.при помощи технологии Data Mining. . '

4 . Разработан иные модели процесса оседания; позволяют прогнозировать; значения деформаций при новых условиях* проходки городских туннелей;' ■ * ■ '■'" ':.''. ••. ■ ' •'• '•

5. На примере численных расчетов осадок музыкального театра г. Кемерово показаны преимущества предложенной, технологии создания расчетных; моделей грунтовых оснований: использование вычислительного эксперимента для сравнения вариантов с различными конструктивными решениями по устройству фундаментов; в снижении затрат времени на создание расчетных схемпутем копирования геометрии, сетки, свойств материалов в различные варианты расчета.

6. Приведенные результаты показывают, что разработанные научно-методические основы позволяют с высокой степенью точности прогнозировать деформирование грунтовых оснований, давать рекомендации по устройству фундаментов, намечать пути решения по снижению негативных;последствий при эксплуатации или реконструкции инженерных сооружений.

242