Совершенствование методов расчета элементов транспортных тоннелей в условиях морозного пучения грунта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат наук Третьякова Ольга Викторовна

• Третьякова Ольга Викторовна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Третьякова Ольга Викторовна

Введение

Глава

Опыт применения элементов фундаментов, снижающих влияние морозного пучения грунта на искусственные сооружения

1.1. Повреждения конструкций тоннелей от морозного пучения грунта

и способы их предотвращения

1.2. Существующие конструкции и методы расчета элементов фундаментов, снижающих влияние сил пучения на искусственные сооружения

1.3. Существующие исследования явления морозного пучения грунта

и его параметров

Глава

Определение геометрических параметров несущего элемента фундамента транспортного тоннеля, обеспечивающих эффективность в пучинистом грунте

2.1. Расчетные схемы несущего элемента фундамента тоннеля в виде сваи с верхним обратным конусом

2.2. Составление уравнений равновесия сил, действующих на сваю с верхним обратным конусом в пучинистом грунте

2.3. Получение зависимостей для угла наклона поверхности сваи на основе равновесия действующих сил

Глава

Моделирование напряжений морозного пучения грунта для расчетной оценки эффективности фундамента тоннеля в пучинистом грунте

3.1. Определение положения границы промерзания

3.2. Моделирование нормальных напряжений морозного пучения грунта

3.3. Моделирование касательных напряжений морозного пучения грунта

3.4. Рекомендации по инженерно-геологическому проектированию фундамента тоннеля в виде сваи с верхним обратным конусом в пучинистом грунте

Глава

Построение математических моделей работы сваи припортального участка тоннеля в пучинистом грунте и разработка инженерного метода расчета сваи

4.1. Математические модели работы сваи с верхним обратным

конусом в пучинистом грунте

4.2. Инженерный метод расчета сваи транспортного

тоннеля

4.2.1. Алгоритм инженерного метода расчета

4.2.2. Автоматизированный расчетный модуль

4.3. Пример использования инженерного метода расчета сваи для припортального участка транспортного тоннеля

Глава

Сопоставление результатов разработанного метода с существующими экспериментальными данными и вычислениями методом конечных элементов.

Технико-экономическое обоснование эффективности сваи транспортного тоннеля

5.1 Сопоставление результатов разработанного метода с

существующими экспериментальными данными

5.2. Расчет сваи с верхним обратным конусом в ПК «Plaxis» и сопоставление результатов конечно-элементного и аналитического расчетов

5.3. Технико-экономическое обоснование эффективности свай с верхним обратным конусом для транспортных тоннелей в условиях морозного пучения грунта и перспективы использования

свай

Заключение

Список литературы

Приложение

Инженерно-геологические изыскания на объекте «Реконструкция магистрального нефтепровода «Ванкорское

месторождение - НПС «Пурпе»

Приложение

Пример расчета сваи с верхним обратным конусом

Приложение

Данные для технико-экономического сравнения свай по

вариантам

Приложение

Патенты и свидетельства

Приложение

Акты внедрения

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов расчета элементов транспортных тоннелей в условиях морозного пучения грунта»

Актуальность темы исследования

На значительной территории Российской Федерации опасное природное явление - морозное пучение грунтов оказывает негативное воздействие на конструкции тоннелей мелкого заложения, расположенные вблизи земной поверхности. Следствием этого являются неравномерный подъем и деформации конструкций, приводящие к нарушению целостности тоннельных сооружений. Повреждения от влияния морозного пучения грунта зафиксированы на припортальных участках тоннелей Западно-Сибирской, Восточно-Сибирской и Красноярской железных дорог. Отмечено также воздействие морозного пучения грунта на тоннельные сооружения городской транспортной инфраструктуры. Нейтрализация негативного влияния морозного пучения вызывает увеличение вложений на возведение и техническое содержание конструкций тоннелей, что приводит к необходимости поиска новых эффективных решений для снижения этих затрат.

Существующие методы предотвращения негативного влияния морозного пучения на искусственные сооружения предусматривают инженерно-мелиоративные, химические, тепловые и конструктивные методы. Однако большинство из них составляет дополнительную статью расходов при проектировании, монтаже и эксплуатации. Рациональным является поиск конструктивных решений, обеспечивающих нейтрализацию негативного влияния сил пучения, без дополнительных мероприятий, в использовании элементов самого сооружения. Решением проблемы могут быть разработка и применение элементов фундаментов тоннелей, позволяющих оказывать предусмотренное расчетом противодействие силам пучения в большом диапазоне грунтов. Одним из таких направлений является проектирование свай с обратным уклоном поверхности, обеспечивающих снижение влияния морозного пучения грунта.

Существующие разработки в этой области находятся на стадии теоретических исследований или не обладают достаточной технологичностью. Сборные ромбовидные и двуконусные сваи имеют сложную конструкцию и могут

быть изготовлены только на промышленных предприятиях, тогда как для тоннельных сооружений, нередко удаленных от участков производства сборных железобетонных элементов, применение сборных свай сопряжено со значительными транспортными расходами. Требуются решения с применением буровых конструкций свай.

Методы расчета указанных выше конструкций нуждаются в проведении дополнительных натурных исследований, не всегда доступных на стадии проектирования. Для решения проблемы в русле практического использования необходимо совершенствование методов расчета технологичного элемента фундамента тоннеля, обеспечивающего снижение влияния морозного пучения на припортальных участках и пригодного для изготовления на строительной площадке. Все изложенное обусловливает тему исследования.

Степень разработанности проблемы

Разработкой и экспериментальными исследованиями элементов фундаментов, обеспечивающих снижение влияния морозного пучения грунта, занимались П. А. Аббасов, А. О. Добрынин, Г. Б. Кульчицкий, Д. С. Репецкий, А. Б. Пономарев, В. С. Сажин, К. А. Хамидуллин, Б. С. Юшков, L. Domaschuk, G. R. Newton, X. Huang, Y. Sheng и др. На основе проведенных исследований была осуществлена качественная оценка работы свай, имеющих обратный уклон поверхности, в пучинистом грунте. Такая оценка показала повышенное сопротивление свай негативному влиянию касательных сил морозного пучения. А. О. Добрыниным, Д. С. Репецким, Б. С. Юшковым, В. С. Сажиным и др. были разработаны методы расчета отдельных свай таких конструкций.

Однако, несмотря на известную качественную экспериментальную оценку повышенной сопротивляемости свай с обратным уклоном поверхности влиянию морозного пучения грунта, аналитических решений по количественной оценке геометрических параметров таких фундаментов не получено. Расчетные схемы для разных случаев положения границы промерзания и расположения фундамента в грунте не проработаны. Зависимость геометрических параметров сваи от напряженно-деформированного состояния окружающего пучинистого грунта не

установлена. Не построена модель, позволяющая определять геометрические параметры сваи с учетом температурных и грунтовых условий тоннеля, его конструктивных особенностей. Не разработан инженерный метод расчета свай как основного элемента фундамента припортальых участков тоннелей, предусматривающий автоматизированный расчет в компьютерной программе и позволяющий варьировать геометрические параметры сваи.

Цель диссертационного исследования

Цель исследования - снижение влияния морозного пучения грунта на фундамент транспортных тоннелей путем совершенствования расчетных методов определения геометрических параметров его основных элементов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Установить связь геометрических параметров несущего элемента фундамента припортального участка транспортного тоннеля, обеспечивающих снижение влияния морозного пучения, с напряженно-деформированным состоянием пучинистого грунта, оцененным по результатам изысканий или аналитическим методом и разработать на этой основе конструкцию сваи.

2. Получить аналитические зависимости для определения геометрических параметров сваи на основе анализа ее расчетных схем в пучинистом грунте.

3. Довести полученные аналитические решения по определению геометрических параметров сваи, обеспечивающих снижение влияния морозного пучения грунта на припортальные участки транспортных тоннелей, до уровня инженерного метода расчета путем разработки компьютерной программы. Оценить результаты расчета, полученные разработанным методом, сопоставлением с существующими экспериментальными данными.

Объектом исследования является конструкция несущего элемента фундамента припортального участка транспортного тоннеля, снижающая влияние морозного пучения грунта.

Предметом исследования являются методы расчета конструкции несущего элемента фундамента, обеспечивающей снижение влияния морозного пучения грунта.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Построены математические модели работы несущего элемента фундамента припортального участка транспортного тоннеля, реализованного в виде сваи с верхним обратным конусом, в грунте с учетом взаимосвязей компонентов природно-технической системы «тоннель мелкого заложения - пучинистый грунт».

2. Установлена связь конфигурации несущего элемента фундамента с напряженно-деформированным состоянием грунта в процессе его морозного пучения; получены аналитические зависимости для определения угла верхнего обратного конуса сваи, обеспечивающего противодействие морозному выпучиванию и устойчивость вышележащих конструкций.

3. На основе полученных аналитических зависимостей разработан инженерный метод определения геометрических параметров сваи, как основного элемента фундамента для припортальных участков транспортного тоннеля, в заданных климатических и грунтовых условиях, включающий автоматизированный расчетный модуль.

Теоретическая и практическая значимость

Исследование позволило наметить эффективный путь снижения влияния морозного пучения на конструкции припортальных участков транспортных тоннелей за счет использования свай с обратным уклоном поверхности. Результаты работы расширили знания в области расчета элементов фундаментов, позволяющих снижать влияние морозного пучения за счет их конфигурации. Использованы численные методы и существующие экспериментальные данные для проверки достоверности полученных результатов.

Углубление теоретических представлений о явлении морозного пучения грунта заключается в получении аналитических зависимостей касательных напряжений пучения от влажности и удельного сцепления частиц мерзлого грунта, а также нормальных напряжений морозного пучения от избыточной влажности, превышающей объем пор грунта при промерзании, что делает

возможным вычисление напряжений и сил морозного пучения грунта.

Проведена модернизация существующих методов расчета элементов фундаментов в таких направлениях, как: ориентация на определение требуемых геометрических параметров элементов, а не на проверку заданных; учет двух основных случаев положения границы промерзания по высоте фундамента; возможность расчетного определения величин, входящих в уравнения, при отсутствии экспериментальных данных; снижение трудоемкости вычислений за счет использования автоматизированного расчетного модуля. На основе этого разработан инженерный метод расчета несущего элемента фундамента припортального участка тоннеля в виде сваи с верхним обратным конусом в заданных климатических и грунтовых условиях. Для реализации метода разработан автоматизированный модуль по расчету геометрии сваи, обеспечивающий системный подход к решению задачи и снижающий трудоемкость вычислений.

Выполнено технико-экономическое обоснование применения свай с верхним обратным конусом для припортальных участков транспортных тоннелей в условиях морозного пучения грунта, обосновано снижение материалоемкости таких элементов фундаментов, показана перспектива применения свай для опор мостовых сооружений.

Автоматизированный расчетный модуль принят к использованию в практике проектирования АО «Институт «Стройпроект», АО «Мостострой - 11». Результаты исследования используются в учебном процессе при выполнении магистерских работ по профилю программы магистратуры «Автомобильные дороги и аэродромы», в лекционном курсе дисциплины «Методы решения научно-технических задач в строительстве», в практических курсах «Производственная практика (научно-исследовательская работа)», «Производственная практика (научно-исследовательский семинар)».

Методология и методы исследований

Методология и методы исследований базируются на системном подходе к проблеме обеспечения сопротивляемости свай припортальных участков

транспортных тоннелей воздействию морозного пучения грунтов. В работе были использованы аналитические методы, численное моделирование методом конечных элементов, результаты существующих полевых и лабораторных исследований. Вывод основных соотношений опирался на методы механики грунтов, теории упругости, инженерной геологии. Положения, выносимые на защиту:

1. Конфигурация несущего элемента фундамента припортального участка транспортного тоннеля в виде сваи с верхним обратным конусом, геометрические параметры которой получены из условия равновесия сил, действующих на сваю в процессе морозного пучения грунта.

2. Определение угла верхнего обратного конуса сваи, обеспечивающего противодействие морозному выпучиванию и устойчивость вышележащих конструкций.

3. Инженерный метод расчета сваи припортального участка транспортного тоннеля в условиях морозного пучения грунта. Результаты сопоставления разработанного метода с существующими экспериментальными данными.

Степень достоверности и апробация результатов исследования

обусловлены применением теоретических основ и объективных методов научного исследования, широко распространенных в науке и в практике проектирования тоннельных конструкций; обеспечиваются использованием фундаментальных положений теории упругости, механики грунтов и инженерной геологии, а также сопоставлением с существующими экспериментальными данными и результатами расчета методом конечных элементов.

Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждены на следующих конференциях:

- на IV Международной науч.-практ. конференции «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности» (ПНИПУ, Пермь, 2015);

- V Международной науч.-практ. конференции «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности» (ПНИПУ, Пермь, 2016);

- международной конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (ПНИПУ, Пермь, 2016);

- международной конференции «Этика, транспорт и устойчивое развитие: социальная роль транспортной науки и ответственность ученых» (UNESCO, Московский государственный университет путей сообщения, Москва, 2016);

- VI Международной науч.-практ. конференции «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности» (ПНИПУ, Пермь, 2017);

- международной науч.-практ. конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (ПНИПУ, Пермь, 2017);

- международной науч.-практ. конференции «Инновационные факторы развития транспорта. Теория и практика» (СГУПС, Новосибирск, 2017);

- всероссийской науч.-практ. конференции с международным участием «Химия. Экология. Урбанистика» (ПНИПУ, Пермь, 2018);

- научном семинаре в ФГБОУ ВО СГУПС (Новосибирск, 2018), ФГБОУ ВО ТГАСУ (Томск, 2018);

- научном семинаре в ФГБОУ ВО ПГУПС (Санкт-Петербург, 2018);

- научном семинаре в ФГБОУ ВО ТГАСУ (Томск, 2019).

Личный вклад автора состоит:

- в разработке конструкции сваи с верхним обратным конусом;

- получении зависимостей для вычисления угла наклона поверхности сваи при разных положениях границы промерзания грунта, зависимости положены в основу математических моделей работы сваи в качестве фундамента припортального участка транспортного тоннеля;

- разработке инженерного метода расчета несущего элемента фундамента припортальных участков транспортных тоннелей в виде свай с верхним обратным конусом в условиях морозного пучения грунта;

- построении алгоритма компьютерной программы по определению геометрических параметров сваи с верхним обратным конусом.

Публикации и изобретения

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 7 - в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России, 2 - в изданиях, индексируемых международной базой данных Scopus. Новизна результатов подтверждена патентом на полезную модель и свидетельством на программу для ЭВМ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (200 наименований), приложений. Результаты диссертационного исследования изложены на 134 страницах основного текста, включающего 41 рисунок, 22 таблицы.

Глава 1

Опыт применения элементов фундаментов, снижающих влияние морозного пучения грунта на искусственные сооружения

1.1. Повреждения конструкций тоннелей от морозного пучения грунта

и способы их предотвращения

Большая часть крупных железнодорожных тоннелей России проходит по территориям с суровыми климатическими условиями, для которых характерны сезонное промерзание и оттаивание грунтов. Тоннели расположены на Байкало-Амурской магистрали, Транссибирской магистрали, Красноярской железной дороге. Несмотря на сложность климатических и геологических условий, развитие транспортной инфраструктуры в северных районах актуально для российской экономики. Это отмечали Ю. А. Быков [59], В. С. Воробьев [22], С. И. Герасимов [25], К. Л. Комаров [25], В. А. Копыленко [59], В. М. Круглов [59, 62] и другие авторы.

Подвержены негативному влиянию морозного пучения припортальные участки тоннелей крупных магистралей, тоннели мелкого заложения городской транспортной инфраструктуры.

Явление морозного пучения зафиксировано во многих областях РФ, в том числе в Башкортостане, Бурятии, Карелии, Коми, Мордовии, Татарстане, Удмуртии, Хакасии и других. Проявления этого опасного природного процесса отмечены в Алтайском, Красноярском, Приморском, Хабаровском крае и в 38 областях РФ [129].

Опыт строительства тоннелей в районах с суровыми климатическими условиями позволил обозначить морозное пучение грунтов как одну из основных причин нарушения эксплуатационной пригодности сооружений [140].

Повреждения конструкций тоннелей и малонагруженных сооружений от морозного пучения рассмотрены в работах Р. Ш. Абжалимова [4], А. Г. Алексеева [6], В. А. Главатских [98], О. Р. Голли [28], В. А. Гурского [154],

В. И. Заворницкого [51], В. Д. Карлова [55], В. С. Молчанова [81], Г. Н. Полянкина [96], А. К. Поправко [98], Б. Е. Славина [122], Ю. С. Фролова [154], Chaochao Ma, Zhe Ji [199], T. Kibriya, L. Tahir [179], T. L. Pewe, R. A. Paige [197] и других исследователей.

Б. Е. Славиным разработаны «Методические рекомендации...» (1976) [80], где на основе опыта проектирования в холодных районах проанализированы закономерности влияния промерзающего грунта на тоннели, возводимые закрытым способом. По мнению Б. Е. Славина, «в тоннеле поверхностью пучащегося грунта является поверхность выработки .... эта поверхность замкнутая. Наличие в тоннеле жесткой обделки, имеющей плотный контакт с поверхностью выработки, практически исключает перемещение пучащегося грунта в выработку. Поэтому величина сил морозного пучения за обделкой может достигать значительных величин» (1976, [80]; 1992, [122]).

Б. Е. Славиным написаны главы книги «В помощь строителям БАМа» (1979) [137]. Отмечено негативное влияние морозного пучения грунта на тоннели Восточносибирской железной дороги. Приведен пример тоннеля, заложенного в увлажненных пылеватых грунтах, в котором уже в первую зиму эксплуатации были зафиксированы трещины с последующим их раскрытием, а также перемещение стен внутрь тоннеля. Деформации обратного знака на отдельных участках составляли 150-200 мм. Замеренные силы морозного пучения были значительно выше горного давления. Проводились цементация пород и установка анкеров для крепления обделки. Однако меры не дали должного эффекта, что привело к замене бетонной обделки на чугунные тюбинги. Максимальные напряжения морозного пучения 350 кН/м зафиксированы при заложении тоннелей в водонасыщенных пылеватых суглинках и глинах. Силы пучения вызывали положительные моменты в стенах, отрицательные моменты в своде и в лотковой части тоннеля [137]. Нормальные напряжения морозного пучения, действующие на тоннели Восточносибирской железной дороги, как показано Б. Е. Славиным, составляли 322 и 185 кН/м на разных участках. В документе [80] приведены критические напряжения морозного пучения для тоннельных обделок

- 250 кН/м . Напряжения определены по данным наблюдений на существующих объектах тоннельного транспорта.

Попытка обобщить опыт строительства тоннелей в северных районах сделана А. К. Поправко и В. А. Главатских (1983) в работе «Особенности эксплуатации железнодорожных тоннелей в суровых климатическим условиях» [98]. Были показаны трудности, возникшие при эксплуатации тоннелей на Западносибирской и Красноярской железных дорогах. Проблемы связаны с промерзанием прилегающего грунта и дренажных устройств за счет проникания холодного воздуха внутрь тоннелей. Такие меры, как устройство ворот, утепление и отопление припортальных участков, не принесли ожидаемых результатов. Электрический обогрев лотков приводил к увеличению стоимости эксплуатации тоннелей. «Водоотводные лотки по-прежнему перемерзали, вода выходила на путь, образуя сплошные покровные наледи по основанию тоннеля». Незаглубленные дренажи оказались неэффективными. В качестве причины деформаций и разрушений обделки определено морозное пучение глинистого грунта. Рассмотрен ряд примеров разрушения элементов тоннеля под действием морозного пучения. «В тоннеле № 4 наряду с перемерзанием лотков было отмечено пучение на среднем участке пути, вызвавшее ограничение скорости движения поездов». Произошло «полное обрушение обделки тоннеля № 7». «Постоянное пучение рельсовой колеи - до 50 мм отмечалось в тоннеле № 9...». «В тоннеле № 12 на западном припортальном участке длиной 51 м деформации обделки проявляются в виде перемещения стен внутрь тоннеля.. Наибольшие деформации (до 45 мм) обделка претерпевает в стенах на уровне пят свода. «Весьма интенсивно проходил рост пучения пути в районе восточного припортального участка тоннеля № 13. Если в первый год эксплуатации тоннеля высота горбов пучинных мест не превышала 10 мм, то через десять лет она увеличилась до 40 мм. На пучинных участках наблюдался перекос лотков, а в смотровых колодцах - появление трещин раскрытием до 10 мм». В качестве мер защиты выполнялись организация поверхностного водоотвода, повышение качества дренажных систем и гидроизоляции.

В. С. Молчанов в качестве основных причин повреждений тоннельных конструкций в холодных районах указал промерзание и морозное пучение грунта, нарушение работы дренажных устройств [81]. Наледи в Дуссе-Алиньском тоннеле показаны на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Наледи в тоннеле. Фото Дуссе-Алиньского тоннеля (БАМ, Восточный участок, 1970)

На основе опыта прокладки тоннелей отмечено, что в протяженных тоннелях по температурному режиму можно выделить три зоны приконтурного заобделочного массива: портальные участки, средние участки и «переходные» участки между ними. Средние участки не промерзают, особенно в горных тоннелях под перевалами, где глубина заложения сооружения велика, а температура массива с глубиной растет. Подвержены промерзанию портальные и «переходные» участки тоннельных линий, а также вентиляционные на участках забора воздуха, выходящие на поверхность. Обозначены основные направления движения холодного воздуха, который вызывает охлаждение грунта, как от дневной поверхности, так и изнутри тоннеля. Показано, что после ввода тоннеля в эксплуатацию температурный режим в нем изменяется. Проникание атмосферного воздуха на участках выхода на поверхность приводит к установлению в тоннеле отрицательной температуры и промерзанию примыкающего слоя грунта. По наблюдениям наиболее интенсивно морозное пучение проявляется на портальных участках, стыках обделки, деформационных швах, где сочетаются подъемы от пучения в одном блоке и просадки на

оттаивающих или талых грунтах в другом. На северных порталах процессы промерзания начинаются раньше, чем на южных порталах, где весной происходит опережающее оттаивание. Этот фактор также может создать реальную опасность за счет амплитуды перемещений конструкций от нескольких миллиметров до десяти и более сантиметров. В. С. Молчанов проанализировал опыт строительства автодорожного тоннеля в поселке Кольцово (Новосибирск 2016) [82]. Прокладка тоннеля производилась круглогодично. В период сезонного оттаивания защитный экран из труб дал осадку на 10 см, что указывает на соответствующую деформацию грунта при промерзании. Были выполнены защитные конструктивные мероприятия. Однако подобные деформации грунта при его сезонном промерзании носят ежегодный характер и могут в конечном итоге вызвать разрушение конструкций.

Р. Ш. Абжалимов обследовал пять подземных переходов на пучинистых грунтах. По результатам наблюдений наибольшее поднятие днища тоннеля составило 30 мм [4]. Р. Ш. Абжалимов в патенте [132] предложил метод определения дополнительной нагрузки на заглубленные сооружения от действия морозного пучения, рассматривая в качестве примера тоннель подземного пешеходного перехода.

В. Д. Карлов уделил особое внимание проблеме нарушения эксплуатационной пригодности зданий и сооружений мелкого заложения в условиях морозного пучения грунта. Причиной является недостаточная проработка в нормативной и технической литературе вопросов расчета сооружений в этих условиях. Предложен теоретический метод прогнозирования величин пучения вокруг мелкозаглубленных сооружений, позволяющий выполнять соответствующие расчеты конструкций, способных воспринимать силы пучения [55].

О. Р. Голли в работе [28] обозначила проблему негативного влияния сурового климата на тоннели. Показано, что при понижении температуры атмосферного воздуха внутренняя температура в тоннеле становится отрицательной. Холодный воздух, движущийся от дневной поверхности, приводит к промерзанию грунта

вокруг тоннеля, возникновению сил морозного пучения грунта, что создает опасность нарушения целостности конструкций. Предложены два пути решения вопроса: использование гибкой, податливой или жесткой обделки. В обоих случаях необходим расчет.

В. Е. Соколович в работе [124] исследовал разрушение заглубленных сооружений под воздействием морозного пучения грунта.

А. Г. Алексеев в рамках работы, проведенной в НИИОСП, проиллюстрировал на примерах разрушение заглубленных сооружений от сил морозного пучения и рассмотрел закономерности промерзания грунта вокруг тоннеля мелкого заложения. Автор констатировал, что промерзание происходит в вертикальном и горизонтальном направлениях. При этом формируется «горизонтальное давление морозного пучения, возникающее при промерзании грунта в горизонтальном направлении - через стену подземного сооружения и горизонтальное давление, возникающее при промерзании грунта в вертикальном направлении с поверхности земли» [б]. Экспериментальные исследования проводились на открытом транспортном тоннеле в Московской области. Замерены нормальные напряжения морозного пучения, действующие на стену тоннеля, которые составили от 10 до 200 кН/м .

Среди работ зарубежных ученых также можно отметить те, что посвящены изучению негативного влияния сил морозного пучения на тоннели [191], [177]. Исследователи Китая делали попытки к пониманию механизма влияния морозного пучения на тоннели и защите конструкций от этого негативного фактора [199].

Следовательно, негативное влияние промерзающего грунта на тоннели мелкого заложения обозначено опытом строительства и эксплуатации сооружений и отражено в многочисленных исследованиях российских и зарубежных авторов. Опасный природный процесс морозного пучения грунтов является актуальной проблемой при проектировании в районах с суровым климатом. Учет влияния сил пучения на конструкции предусмотрен в нормативных документах РФ [99, 111, 112, 113, 116, 126, 127, 129, 130].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Третьякова Ольга Викторовна, 2020 год

- - Е—

R j=1aj V У

Подходы, использованные в работах Г. Б. Кульчицкиого, К. А. Хамидуллина, А. О. Добрынина, Д. С. Репецкого, Б. С. Юшкова перспективны. Качественная оценка влияния формы сваи на ее устойчивость в пучинистом грунте дана Г. Б. Кульчицким и К. А. Хамидуллиным. Количественная оценка влияния угла наклона поверхности сваи на величину ее перемещения для ряда углов предложена в работах А. О. Добрынина и Д. С. Репецкого, Б. С. Юшкова. Как показывает проведенный анализ, целью существующих методов расчета свай является не угол уклона поверхности, а вертикальное перемещение сваи. Угол при каждом расчете не вычисляется, а задается из ограниченного количества значений, так как свая изготавливается в заводских условиях. Следует заметить, что величина подъема свободной поверхности грунта, входящая в расчетные формулы, определяется экспериментально. Не учитываются разные случаи глубины промерзания, переменность сечения верхнего конуса сваи. Таким образом, существующие расчетные методы не предполагают определение

требуемого угла наклона поверхности конуса, необходимого для нейтрализации касательных сил пучения.

Для создания инженерного метода расчета, пригодного для практического проектирования, необходимо получение аналитических уравнений, позволяющих вычислить геометрические характеристики сваи и параметры пучинистого грунта, и формирование на этой основе рекомендаций для различных климатических и грунтовых условий. Также требуется повышение уровня автоматизации вычислений за счет компьютерных программ, разработанных на базе полученного аналитического решения.

1.3. Существующие исследования явления морозного пучения грунта и его

параметров

Теоретическим и экспериментальным исследованиям морозного пучения посвящены работы многих авторов: Р. Ш. Абжалимова [з], П. Е. Аппака, Г. Бескова [169, 170], В. Г. Березанцева [12], А. П. Боженовой [14], С. С. Вялова [24], М. Н. Гольдштейна [29], Б. И. Далматова [32-36], Б. В. Дерягина [37], Б. Н. Доставалова [40], Ю. Д. Дубнова [86], К. Е. Егерева [42, 43], Э. Д. Ершова [38, 45, 47], В. Н. Ефименко [48, 49], А. Л. Исакова [53], Н. А. Качинского [56], М. В. Киселева [57], В. А. Кудрявцева [63, 64], С. А. Кудрявцева [65, 66, 67],

A. Ф. Лебедева [73], Н. Д. Меренкова [79, 86], А. Л. Невзорова [84], В. О. Орлова [86, 87], Н. А. Перетрухина [90], Г. Н. Полянкина [95], Н. А, Пузакова [102, 103],

B. И. Пускова [104, 105], А. М. Пчелинцева [106, 107], Л. Т. Роман [115], В. С. Сажина [118, 119], М. И. Сумгина [133], В. А. Тебера [150, 193, 194], З. Г. Тер-Матриросяна [134], А. Е. Федосова [153], В. В. Фурсова [74, 87], Н. А. Цытовича [156], В. Г. Чеверева [157], В. А. Штукенберга [159], В. Я. Шишкина [119] Е. П. Шушериной [160] и других исследователей.

Явление пучения характеризуется двумя процессами - объемным пучением при кристаллизации поровой воды и образованием льда в результате миграции влаги. Эти процессы обусловлены содержанием и миграцией влаги в промерзающих грунтах. Н. А. Цытович характеризовал явление морозного

пучения как «увеличение объема грунта при промерзании» [156], считая его одним из ключевых факторов, вызывающих пучение грунта, миграцию влаги.

Другой подход к объяснению процесса морозного пучения предложил J. M. Konrad. Он показал, что существует «кайма промерзания» («frozen fringe») -слой грунта между фронтом промерзания и формирующейся линзой льда. J. M. Konrad установил прямо пропорциональную зависимость между скоростью миграции воды vm через кайму промерзания и градиентом температуры [180]:

vm = SP\gradt\

?

где SP - сегрегационный потенциал, постоянный для данного вида грунта,

2 0

мм /(ч С); grad t - градиент температуры в промерзающей полосе.

Kujala установил зависимость между сегрегационным потенциалом SP

2 0

(мм /(ч С)) и скоростью пучения v^. (мм/сут) [182]: SP=1,1vh

М. Ф. Киселев [57], C. Noon [188] отмечали явление «вторичного пучения», которое связано с подтягиванием и замерзанием воды на кристаллах льда.

Морозное пучение - сложный многогранный природный феномен, который представляет собой комплекс взаимосвязанных процессов с соответствующими силовыми факторами и эффектами их воздействий. Учет влияния морозного пучения на конструкции сложен. Для упрощения задачи предпринимались попытки моделирования этого явления. Еще в работах Б. И. Далматова (1958) были сформулированы условия моделирования и критерии подобия морозного пучения [34]. Е. С. Ашпиз (1984) отмечал, что процесс промерзания «имеет достаточно разработанную математическую формализацию» в виде задачи Стефана, тогда как пучение, в силу большой сложности, не находит полного отражения в моделях. Е. С. Ашпиз вывел критерий подобия для интенсивности пучения [9, 10, 11]. Г. Н. Полянкин (1990) провел аналогию между деформациями, возникающими при морозном пучении грунта и при тепловом расширении тел [95]. В. Д. Карлов (1998) подчеркивал большое значение малых моделей фундаментов. Им были получены критерии подобия плотности миграционного потока к фронту промерзания и силового взаимодействия фундамента с

промерзающим основанием [55]. О. Р. Голли (2000) обобщила исследовательский опыт и разработала методику использования теории подобия для определения закономерностей морозного пучения [27]. Для расчета свай в пучинистом грунте В. С. Сажиным была решена теплофизическая задача по расчету сил пучения с использованием ЭВМ. С. А. Кудрявцев, В. Н. Парамонов, И. И. Сахаров, В. М. Улицкий [152], М. В. Парамонов [88], Г. Н. Полянкин [95], В. С. Сажин [118], В. А. Жуковский [50] решали теплофизические задачи по определению параметров морозного пучения и исследованию работы конструкций в пучинистом грунте методом конечных элементов. Метод позволяет учесть многофакторность явления морозного пучения и дает возможность задействовать в исследовании большой диапазон грунтовых условий и конструкций свай, что обусловливает его высокую точность и максимальную пригодность для проверки существующих и новых аналитических решений. С. Е. Гречищев, Л. В. Чистотинов, Ю. Л. Щур, рассматривая методы моделирования криогенных процессов, заключили, что основным из них является математическое моделирование [31]. Есть основание считать, что к определению закономерностей физики мерзлых грунтов в стадии упругости применимы методы решения задач, предложенные Е. Н. Курбацким [71].

Среди работ зарубежных ученых можно отметить гидродинамическую модель промерзающего грунта (Harlan, 1973, [175]); концепцию вторичного пучения (Miller, 1978 [187]), (Noon, 1996 [188]); модель каймы промерзания (Konrad, Morgenstern, 1981 [180, 181]); исследования напряжений пучения (Michalowski, 2006 [184-186]); термогидромеханическую модель промерзающего грунта (Thomas, 2009 [196]), модель замерзания грунта по типу затвердевания металла (Voller, 1991 [186]).

Нормальные напряжения и силы морозного пучения грунта. Э. Д. Ершов в уравнении для нормальных напряжений пучения учел равенство деформации пучения и суммы деформаций сжатия элементов фундамента, талого и мерзлого грунта в напряженной зоне [46]:

а = Куч ■ (кД1 + £/Еи + 3Б/2пЕт£ )-1,

где кд - коэффициент жесткости конструкции; ЕМ и ЕТ - модули деформации мерзлого и талого грунта; Б - площадь конструкции, воспринимающей усилие; ^ -глубина промерзания (толщина промерзшего слоя).

По данным Э. Д. Ершова, основная составляющая деформации пучения, связанная с миграцией влаги, имеет вид [38]:

Нь = 1,09 К аф gradtЫ ,

V

пр.

где кап - косинус угла наклона линз льда; аф - коэффициент, оф = dWнзfdt, г •см 3 град-1; ^ - мощность промерзающего слоя, см; Vпр. - скорость промерзания, см-с-1.

О. Р. Голли получила нормальные силы морозного пучения на модели в лабораторных условиях и перешла к натурным значениям методом аффинного преобразования графиков лабораторных величин. [27]. Приведено выражение для нормальных напряжений пучения, связанных экспоненциальной зависимостью с деформациями пучения [27]:

а = А е п Нпу"., где А и п - параметры, определяемые экспериментально.

Горизонтальные нормальные силы пучения, действующие на боковые поверхности фундаментов, обозначены А. Г. Алексеевым [6], Б. И. Далматовым [32], В. О. Орловым [86], Н. Д. Меренковым [79], Н. А. Перетрухиным [90], Г. Н. Полянкиным [95], В. С. Сажиным и В. Я. Шишкиным [119].

А. Г. Алексеев записал выражение для нормальных напряжений морозного пучения в условиях открытой системы в следующем виде [6]:

= [(0^ pW1(W - Ww) + 1,09а) Ет ]■ [о,5(1 + ей )Р(1 +еЛ )^н ]1,

где pd - плотность сухого грунта; р^ - плотность свободной воды; pd /рм> -коэффициент пересчета массовой влажности в объемную; w - природная влажность грунта; ww - влажность по незамерзшей воде; аТ - количество воды, мигрирующей в мерзлый грунт; ЕТ - модуль деформации талого грунта; еН -коэффициент пористости грунта в начале пучения в талом состоянии; безотносительная деформация пучения; в - коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона.

Н. Д. Меренков, Н. А. Перетрухин замеряли горизонтальные силы пучения на

боковых поверхностях фундаментов при помощи струнных датчиков [79, 86, 90]: «0,25 мПа на глубине 0,2 м при достижении 2/3 глубины промерзания; 1,3 МПа на глубине 0,08 м; 0,8 мПа на глубине 0,33 м.; 0,1-0,2 мПа на глубине 0,9 м при глубине промерзания 1,3-1,7 м» [79].

Нормальные силы морозного пучения, действующие на подошву фундаментных столбов (50 кг/см и более), были определены в экспериментах В. О. Орлова. По его наблюдениям «в начальный период промерзания в грунте возрастает поровое давление, создающее начальные условия для напряженного состояния грунта, а следовательно, и пучения» [86]. В. О. Орлов указывал, что при пучении грунта «обязательно должно возникнуть усилие горизонтального направления», которое оказывает на фундамент «боковое давление». При симметричном промерзании грунта у боковых граней фундамента он зафиксировал горизонтальные силы пучения до 0,066 мПа при глубине промерзания 1,45-1,72 м [86].

В. С. Сажин и В. Я. Шишкин [119] рассматривали «радиальные нормальные напряжения» на боковой поверхности пирамидальной сваи.

Н. Н. Морарескул ставил задачей экспериментальные исследования нормальных сил морозного пучения в лабораторных условиях [83].

Касательные напряжения и силы морозного пучения грунта. Вопросами устойчивости фундаментов в грунте при действии касательных сил пучения занимались многие исследователи. Отмечалось, что основным критерием оценки устойчивости к действию сил морозного пучения является величина подъема фундамента. Подъем конструкций, заглубленных ниже границы промерзания, вызывают касательные силы, возникающие при преодолении сил смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента. Эти силы стремятся переместить конструкцию к дневной поверхности. При этом создаются условия для сдвига мерзлого грунта относительно боковых граней.

Б. С. Юшков рассмотрел несколько схем реализации этого напряженно-деформированного состояния на примере свайного фундамента [166]. Схемы определялись степенью совместности сдвиговых деформаций сваи и мерзлого

грунта. При совместном перемещении сваи и пучинистого грунта статические связи не нарушаются и касательные силы не возникают. При различных сдвиговых и изгибных деформациях сваи и мерзлого грунта силы смерзания преодолеваются. Начинается смещение слоя мерзлого грунта относительно сваи. Возникают касательные силы пучения, равные сопротивлению этому смещению, или, иными словами, - устойчивому сопротивлению смерзания.

К. Е. Егерев исследовал распределение касательных сил пучения на боковой поверхности свай [42, 43, 86]. При увеличении глубины промерзания зафиксировано смещение максимума касательных напряжений к этой границе. Показано увеличение удельной касательной силы пучения с понижением температуры до 2/3 глубины промерзания.

В. О. Орлов, Ю. Д, Дубнов, Н. Д. Меренков измеряли касательные напряжения на Игарке, в Сковородино [86] и показали закономерности развития напряжений, которые возникают при кристаллизации влаги в грунте и смерзании его с фундаментом; затем следуют переход прилегающего к свае грунта в напряженно-деформированное состояние и его смещение относительно сваи с релаксацией и перераспределением напряжений по высоте сваи.

В. О. Орлов рассмотрел способы определения касательных напряжений пучения: полевой, лабораторный и расчетный. По его мнению, полевые «разовые (за один сезон) наблюдения не могут приниматься в качестве расчетных характеристик пучения при назначении долгосрочного прогноза» [86]. Лабораторные исследования «могут осветить лишь качественную сторону этого процесса. Нарушения естественной структуры грунта при лабораторных испытаниях вносят дополнительные погрешности в оценку характеристик пучения» [86]. В. О. Орлов пришел к выводу, что «расчетный способ позволяет определить характер пучения как при краткосрочном, так и долгосрочном прогнозе» [86].

Б. И. Далматов [32] и Ю. Д. Дубнов [41] определили, что средняя величина касательных сил пучения равна устойчивой прочности смерзания, т.е. установившемуся сопротивлению движению опытной стойки в мерзлом грунте,

которое зависит от величины отрицательной температуры, возрастая с ее понижением линейно при температуре до минус 15 градусов; от влажности (льдистости) грунтов [86]. Касательные напряжения при этом имеют меньшую величину, чем на стадии первоначального сдвига, но определяют фактическую картину развития напряжений пучения [24, 85]. Средняя величина сил выпучивания 1-2 кг/см . Устойчивое сопротивление смерзания Б. И. Далматов вычислял по формуле [32]:

где «с и Ь - параметры прямой, определяемые в лабораторных условиях и

2 0 2

зависящие от вида грунта и его влажности, с = 4...5 т/м ; Ь = 1...1,5 т/ С-м ; t -температура мерзлого грунта в градусах» [32].

Б. И. Далматов выразил нормативную удельную касательную силу выпучивания следующей зависимостью:

где ^ - толщина пучащегося слоя грунта; h - глубина промерзания, м; - средняя температура слоя промерзшего грунта толщиной h.

Р. Ш. Абжалимов по результатам экспериментов за 2006 г. получил среднее

В. И. Пусков по результатам исследования сил пучения на железобетонных стойках также отметил рост касательных сил с увеличением отрицательной температуры и глубины промерзания и установил «снижение общей величины морозного пучения грунтов в зоне силового влияния фундаментов, взаимодействующих с ними как через боковые грани, так и через подошву, независимо от характера сопротивления этих фундаментов морозному выпучиванию» [104]. Зафиксированы появление сдвига мерзлого слоя относительно фундамента при глубине промерзания 20-50 см и максимальная удельная касательная сила пучения при глубине промерзания 50-70 см.

М. Я. Крицкий [61] выявил повышенное сопротивление касательным силам морозного пучения свай в кусте по сравнению с одиночной сваей.

тг = с+Ы,

(с + Нр.),

2

значение касательных сил пучения вокруг одиночной сваи 1,12 кг/см [1].

Исследованиями касательных сил морозного пучения, действующих на сваи, занимались T. L. Pewe, R. A. Paige [197], E. Penner, [189, 190], D. Ladanyi,

A. Foriero, [183], K W Biggar, D. Sego, [171], T. Kibriya, L. Tahir, [179] и другие зарубежные авторы. E. Penner показал, что напряжения смерзания уменьшаются с увеличением перемещения свай, т.е. имеют место релаксация напряжений и фиксация во времени достигнутой устойчивой величины напряжений [183], что и было установлено Н. А. Цытовичем [156] и С. С. Вяловым [24].

С. С. Волохов [19-21], Г. Л. Праздникова [100], И. Б. Савельев [117], Е. П. Шушерина [160] отмечали существенную роль контактной зоны на границе «фундамент - промерзающий грунт» в формировании прочности смерзания и касательных напряжений.

Связь касательных напряжений с нормальными напряжениями морозного пучения установил В. И. Пусков. Он заметил, «что при отсутствии местной нагрузки на поверхности грунта в слое сезонного промерзания объемная деформация f полностью реализуется в направлении вертикальной оси и включает в себя, помимо fz, деформации бокового пучения, трансформированные в направлении оси z возникающим боковым давлением о^» [104]. Г. Н. Полянкин показал влияние горизонтальных нормальных сил на величину касательных: «обжимающие фундамент в промерзающем слое напряжения заметно сказываются на характере изменения касательных напряжений по глубине» [95].

B. Д. Карлов, рассматривая методы определения деформации морозного пучения, подчеркнул, что «рассмотренные методы позволяют определять и величину удельных сил морозного пучения грунта в зависимости от степени стесненности деформаций пучения» [55]. В свою очередь, такая степень стесненности деформаций пучения обусловливает нормальные напряжения морозного пучения. Действительно, по заключению Н. А. Цытовича, «порядок максимальной величины нормальных сил морозного пучения можно оценить, исходя из величин давлений, которые развивают кристаллы льда при стесненном замерзании воды» [156]. Э. Д. Ершов утверждал, что «напряжения в промерзающих породах обусловлены недопущением деформаций пучения» [45].

Анализ существующих экспериментальных данных (таблицы 1.2, 1.3) позволил обозначить предпосылки для вычисления напряжений морозного пучения: величины нормальных напряжений в открытой системе зависят от влажности, температуры грунта и времени промерзания; касательные напряжения пучения зависят от температуры грунта, закона ее распределения по глубине, от влажности грунта, времени промерзания и от особенностей контактной зоны; нормальные и касательные напряжения пучения являются двумя сторонами одного объемного процесса, который считается подчиняющимся законам упругого деформирования, что позволяет применять для их описания основные соотношения теории упругости [26].

Определение температуры промерзающего грунта. Существуют различные гипотезы о законе распределения отрицательной температуры в грунте по глубине при его промерзании. О. Р. Голли использовала предположение о распределении температуры в промерзающем слое по экспоненциальной зависимости [27]. Линейное распределение температуры приняли в своих работах Е. С. Ашпиз [9], Э. Д. Ершов [47]. С. А. Кудрявцев [65] и другие авторы.

С учетом ряда факторов отмечено отличие температур прилегающего к земле слоя воздуха и поверхности промерзающего грунта. По мнению В. О. Орлова, выделение теплоты при фазовых переходах воды в лед приводит к превышению температуры поверхности грунта по сравнению с воздухом на 1,5 - 2 0С.

Э. Д. Ершов отмечал существование радиационной поправки, показывающей превышение температуры поверхности земли над температурой воздуха вблизи нее за счет солнечной радиации ориентировочно на 10 С [47]. А. Л. Исаков также отметил небольшую величину радиационной поправки, замечая, что ее значения становятся ощутимыми при низких температурах [53].

Таким образом, опираясь на проведенные исследования [86], [47], [53], есть основание считать, что температура поверхности земли при расчетах промерзания и пучения грунта может быть принята равной температуре воздуха вблизи земной поверхности, полученной по данным метеостанций без учета поправок.

Таблица 1.2 - Величины нормальных напряжений морозного пучения

Автор исследования Метод исследования Глубина заложения фундамента, м Мощность мерзлого слоя под подошвой или с боковой стороны фундамента, м Температура мерзлого грунта, С Скорость пучения мм/сут. Направление нормальных сил пучения Нормальные напряжения пучения, кН/м2

1 2 3 4 5 6 7 8

А. Е. Федосов 1935 [153] Лабораторные испытания Вертикальные и горизонтальные 150180

Н. Н. Морарескул, Н. А. Цытович 1950 [156] Лабораторные испытания Вертикальные 500800

В. О. Орлов 1958 [86] Полевые испытания 0,9 -1 Горизонтальные боковые 30 -35

1,45 -1,72 64 - 66

В. О. Орлов, 1958 (слой ежегодного промерзания, не сливающийся с вечной мерзлотой, залегающей на глубине 4,5 м) [156] Полевые испытания 1,09 0,18 -0,9 0,95 Вертикальные 160

0,33 -1,4 1,36 510

0,41 -2,4 1,35 950

0,51 -4,4 1,22 3100

0,6 -4,7 1,12 3800

0,67 -4,9 0,96 4700

Н. А. Толкачев 1964 [135, 136] Вертикальные 72-400

М Ф. Киселев 1967 [57] Полевые испытания 1,0 0,6 Вертикальные 136

Н. А. Перетрухин (1967) [90] Полевые испытания 0,6; 1,2; 1,8 Горизонтальные 200300

ВНИИ транспортного строительства Б. Е. Славин 1969 [137] Полевые испытания 1-6* Вертикальные и горизонтальные 185322

Э. А. Маров 1970-1971 [75] Полевые испытания 0,3 2,4 Вертикальные 760

Окончание таблицы 1.2

1 2 3 4 5 6 7 8

ВНИИ транспорт. стр. Б. Е. Славин 1976 [80] Рекомендуемые значения Вертикальные и горизонтальные 30-250

Н. Д. Меренков (1971) [79] Полевые испытания 0,08 1,3 - 1,7 Горизонтальные 1300

0,33 800900

1,08 100200

В. С. Сажин, В.Я. Шишкин 1982 [118] Полевые испытания 1.2 0 -1,2 Горизонтальные 1400 -1600

Э. Д. Ерщов 1985 [38] Лабораторные испытания 0,5 Вертикальные 220 -620

Рекомендации 1986 [113] Данные расчета 0,9 -2 Вертикальные 63,9

-4 183

А. Г. Алексеев 2004 [6] Полевые испытания 2,2 1,02,2 Горизонтальные 10-200

Таблица 1.3 - Величины касательных напряжений морозного пучения

Автор исследования Метод Глубина Касательные

исследования промерзания, м напряжения пучения, кН/м2

Н. А. Цытович Полевые 0 - 0,5 270 -300

(1973)[156] исследования 0 -1,0 140-160

0 - 1,5 120 -135

0 - 2,5 100

0 - 3,5 и > 80

Б. И. Далматов, Н. А. Цытович (1958 - 1959)[156] Полевые исследования 100-200 150

В. О. Орлов, Ю. Д. Дубнов, Полевые

Н. Д. Меренков исследования 50 -200 175

(1957 - 1963)[86]

Г. Н Полянкин (1980) [95] Полевые исследования 80-300 190

Р. Ш. Абжалимов (2006) [3] Полевые 120 120

исследования

D. Ladanyi, А. Foriero (1998)[183] Полевые исследования 1,12 60 -160

Выводы по первой главе

1. На основании анализа опыта многолетней практики строительства и эксплуатации тоннелей в условиях сурового климата подтверждено и обобщено негативное влияние морозного пучения грунтов на припортальные участки тоннельных сооружений.

2. Обзор и анализ методов снижения влияния морозного пучения на сооружения показали, что одним из перспективных направлений является повышение эффективности конструкций искусственных сооружений без дополнительных мер, в частности, за счет использования элементов фундаментов в виде свай с обратным уклоном поверхности.

3. Рассмотрены существующие конструкции и методы расчета свай с обратным уклоном поверхности, снижающих влияние сил пучения на искусственные сооружения. А. О. Добрынин, Г. Б. Кульчицкий, А. Б. Пономарев, Д. С. Репецкий, Б. С. Юшков, К. А. Хамидуллин экспериментально подтвердили повышенную несущую способность такой конструкции в условиях ее подъема касательными силами морозного пучения грунта. Однако, несмотря на большой объем проведенных экспериментальных и теоретических исследований, аналитическая зависимость для определения угла наклона поверхности сваи в заданных климатических и грунтовых условиях не получена. Не разработан метод расчета сваи с обратным уклоном поверхности, основанный на математических зависимостях между геометрическими параметрами сваи и напряженно-деформированным состоянием промерзающего грунта, пригодный в практике инженерных расчетов фундаментов припортальных участков транспортных тоннелей. Согласно изложенному, сформулирована цель данного исследования, которая заключается в снижении влияния морозного пучения грунта на фундамент транспортных тоннелей путем совершенствования расчетных методов определения геометрических параметров его основных элементов.

Глава 2

Определение геометрических параметров несущего элемента фундамента транспортного тоннеля, обеспечивающих эффективность в пучинистом грунте

Эффективность сваи, используемой в качестве несущего элемента фундамента припортального участка транспортного тоннеля, в пучинистом грунте определяется устойчивостью сваи, что может быть достигнуто за счет равновесия действующих сил. Последнее позволяет предотвратить подъем сваи силами морозного пучения, что вносит вклад в обеспечение целостности вышележащих конструкций тоннеля. Добиться отсутствия подъема сваи можно различными способами. Повышение нагрузки на сваю путем увеличения веса расположенного на сваях участка тоннеля приводит к неоправданному росту затрат, так как это используется не для повышения несущей способности сооружения, а только для предотвращения выпучивания сваи. Другой способ заключается в использовании свай, снижающих влияние сил пучения на сооружение. Конструкция таких свай предполагает создание уклона поверхности, который приводил бы к появлению дополнительных удерживающих усилий, противодействующих силам пучения, вызывающим подъем свай.

Если свая имеет квадратное сечение, то необходимые усилия, противодействующие выпучиванию, можно получить, придав верхнему участку сваи пирамидальную форму, причем верхнее квадратное основание имеет меньший размер, за счет чего создается наклон боковых граней сваи, приводящий к появлению удерживающих от выпучивания сил.

Одним из вариантов создания уклона поверхности цилиндрической сваи может быть устройство конуса в верхней части сваи, нижнее основание конуса соответствует диаметру сваи. За счет этого создается наклонная поверхность сваи, на которой формируются силы, противодействующие силам пучения. В данной

работе исследуется цилиндрическая свая с верхней частью в виде обратного усеченного конуса, рассмотренная в работах автора [16, 141, 142, 144, 145, 146].

2.1. Расчетные схемы несущего элемента фундамента тоннеля в виде сваи с

верхним обратным конусом

При построении расчетных схем сваи с верхним обратным конусом учитываются силовые факторы, позволяющие частично или полностью нейтрализовать силы морозного пучения за счет обратного уклона поверхности верхней части сваи. При этом полагаем справедливыми следующие гипотезы:

1. Грунт в пределах высоты сваи однородный.

2. Граница промерзания является подвижной. По мере продвижения границы промерзания талый грунт переходит в мерзлое состояние. Выше границы промерзания находится мерзлый грунт, ниже - талый.

3. Граница промерзания (фронт промерзания) горизонтальная.

4. Свойства мерзлого и талого грунта различны.

5. В мерзлом и в талом грунте справедливы упругие физические соотношения.

6. Температура на поверхности грунта переменна, температура в промерзшем слое изменяется по глубине по линейному закону от отрицательной температуры на поверхности грунта до нуля градусов на границе промерзания.

7. Согласно второму закону Фурье температурные колебания в породах происходят со сдвигом фаз, который пропорционален глубине. Это вызвано ограничением скорости распространения температурной волны в породах за счет их теплофизических свойств. Такое запаздывание охлаждения и промерзания грунта в работе не учитывается, и рассматривается температура мерзлого грунта на определенной глубине в тот же момент времени, что и на поверхности.

8. Сдвиговые и изгибные деформации сваи и мерзлого грунта различны, что вызывает нарушение связей смерзания грунта с фундаментом и возникновение касательных сил пучения, которые определяются сопротивлением смещению слоя мерзлого грунта относительно сваи.

9. Свая вертикальная, работает по схеме сваи трения (висячей).

Грунт рассматривается как линейно деформируемое полупространство с жестким включением в виде сваи с верхним обратным конусом, выполненной по схеме сваи трения. В полупространстве расположена расчетная область (рисунок 2.1).

верхним обратным конусом с пучинистым грунтом

Нижняя граница расчетной области является подвижной, перемещающейся от дневной поверхности грунта к линии сезонного промерзания. Подвижная граница промерзания служит границей раздела фаз. В промерзшем грунте расчетной области происходят кристаллизация воды с 9%-ным увеличением ее объема и пополнение тонких пленок воды на минеральных частицах влагой, поступающей к холодному фронту со стороны более высоких температур. В результате этих процессов в порах грунта увеличивается количество замерзшей и незамерзшей воды. При превышении объема замерзшей и незамерзшей воды над объемом пор в грунте возникают внутренние напряжения, приводящие к перемещению стенок пор, что вызывает увеличение грунта в объеме. При ограничении расширяющегося грунта поверхностью сваи развиваются напряжения, нормальные к этой поверхности. Нормальные сжимающие силы оказывают влияние на развитие касательных сил, которые могут вызвать

сдвиговые деформации грунта относительно сваи. При нарушении связей смерзания грунта со сваей (прочности смерзания) слой мерзлого грунта начинает смещаться относительно сваи, и возникают касательные силы пучения, обусловленные сопротивлением смещению слоя относительно сваи (устойчивому сопротивлению смерзания). Касательные силы вызывают подъем сваи. При наличии обратного уклона поверхности сваи нормальные к этой поверхности силы пучения приобретают вертикальную составляющую, направленную к основанию сваи и противодействующую ее подъему.

Рассматривается цилиндрическая вертикальная свая трения с верхней частью в виде усеченного конуса. Предложены две расчетные схемы сваи: при положении границы промерзания в пределах конусной части (рисунок 2.2,а) и за пределами конусной части сваи (рисунок 2.2,6).

Уровень грунта

х.У

0 SfSina

Sf cosa

m 'fi

Tfj cosa l/Tf

?!

V2

f3b

F1 cosa

4

„ SfSina

"'»bsJ

Sf cosa

Tfi4Tflcoso Граница

сезонного промерзания

cosa LTfl

SfSina 0

lUná '

Sf cosa

(G)|

F1 cosa

m^J®1

i.

i'

i (G)j

Tfl 4 Tfl eos a

t

I Tf^ Граница

сезонного I _ промерзания

Г

а) б)

Рисунок 2.2 - Расчетные схемы сваи с верхним обратным конусом: а - граница промерзания в пределах конусной части сваи; б - граница промерзания в пределах цилиндрической части сваи.

Tfi, Т-р - касательные силы морозного пучения;

S f — силы морозного пучения, нормальные к боковой поверхности сваи;

Sf sin а - составляющая нормальных сил пучения в пределах конусного участка

сваи, противодействующая касательным силам пучения;

Fj, F2 - силы трения грунта на боковой поверхности сваи в талой зоне;

P - сумма внешней постоянной нагрузки и собственного веса сваи.

Напряженное состояние в грунте вблизи поверхности сваи зависит от величины внешней нагрузки, свойств грунта, геометрии сваи. Примем систему координат (x, y, z) такой, что вертикальная ось z совпадает с осью сваи, а оси х и у направлены по горизонтали по поверхности грунта, как показано на рисунке 2.2.

Напряжения, действующие на поверхность сваи, порождают статически эквивалентную им систему сил, действующих на рассматриваемую сваю. Для составления уравнений равновесия заменим напряжения, действующие по периметру поверхности сваи, статически эквивалентными им силами.

Нормальные силы морозного пучения Sf действуют перпендикулярно к боковой наклонной поверхности конусной части сваи. Спроецируем Sf на вертикальную и горизонтальную оси. Получим вертикальную Sf sin а и горизонтальную Sf cos а составляющие нормальных сил морозного пучения. Эти составляющие действуют на поверхность сваи в пределах глубины промерзания, если она выше участка сваи постоянного сечения (см. рисунок 2.2,а) или в пределах обратного конуса сваи, если фронт промерзания опустился ниже обратного конуса (рисунок 2.2.6). Представим указанные составляющие в виде следующих выражений:

а) при глубине промерзания в пределах конусной части (см. рисунок 2.2,а):

Sf sina = \&f 2nR(z)sina dz, (2.1)

0

I

Sf cosa = \&f 2nR(z)cosa dz, (2.2)

0

где Of - нормальное давление (напряжение) морозного пучения грунта на единичной площади боковой поверхности сваи; Sf - интегральная нормальная сила морозного пучения на конусной части сваи; а - угол наклона боковой поверхности сваи, град; Rl¡ - радиус участка сваи постоянного сечения; z - вертикальная координата по высоте сваи.

б) при глубине промерзания ниже конусной части сваи (см. рисунок 2.2,б ):

zk

Sf sin a = \&f 2nR(z)sin a dz , (2.3)

0 zk

Sf cosa =\&f 2nR(z)cosa dz. (2.4)

0

Таким образом, вертикальная составляющая сил морозного пучения Sf sin а направлена от поверхности грунта и противодействует ее выпучиванию касательными силами Тп и Tf2. Величина удерживающей составляющей нормальных сил морозного пучения обусловливается углом наклона поверхности конуса и определяется из условия равновесия сил, действующих на сваю в пучинистом грунте.

Использованные гипотезы и физическая картина процесса взаимодействия сваи с пучинистым грунтом позволили перейти от полей напряжений к усилиям в слоях промерзшего и талого грунта, окружающего сваю, и разработать математическую модель работы сваи в пучинистом грунте.

Моделирование работы сваи с верхним обратным конусом в пучинистом грунте включает совместное решение двух задач: решение уравнений равновесия сил, действующих на сваю с верхним обратным конусом в пучинистом грунте, относительно геометрических характеристик сваи; моделирование процесса морозного пучения грунта и его силовых факторов.

Моделирование процесса морозного пучения грунта включает нахождение положения границы промерзания на основании решения задачи Стефана; определение величины отрицательной температуры на расчетном уровне сваи, отсчитываемом от поверхности грунта; вывод формул для нормальных и касательных напряжений пучения.

Математической моделью работы сваи в расширяющемся при пучении грунте является система уравнений, которая отражает зависимость между силами, действующими на сваю в заданных грунтовых и климатических условиях, и геометрией сваи. Эта модель отражает равновесие сил, действующих на сваю.

2.2. Составление уравнений равновесия сил, действующих на сваю с верхним

обратным конусом в пучинистом грунте

Рассмотрим равновесие сваи круглого поперечного сечения с конусообразным участком в верхней части с учетом действующих нагрузок и сил морозного пучения грунта в двух вариантах:

1) свая с верхним обратным конусом (см. рисунок 2.2);

2) свая с верхним обратным конусом в составе сооружения (рисунок 2.4). Запишем уравнения равновесия для случаев положения границы промерзания в пределах конуса и за пределами конусной части сваи.

Свая с верхним обратным конусом (см. рисунок 2.2) Уравнение равновесия сваи с верхним обратным конусом в грунте при действии сил пучения представляет собой сумму проекций всех действующих сил на вертикальную ось (см. рисунок 2.2) и записано в виде следующих выражений: при <^< гк: - Р - Б/ + (Tf 1 - F2 = 0, (2.5)

при zz: - Р - Б/ + Tf1cosa+ Т^ - F2 = 0, (2.6)

Б/ - интегральная нормальная сила морозного пучения на конусной части сваи:

£

8/ = \ 2пЯк (г^г - для случая ^ < гк; (2.7)

о

Б/ = | о/2nRK (г- для случая %> гк; (2.8)

о

Т/1 - интегральная касательная сила морозного пучения на конусной части сваи:

£

Т^ =\т12^ - для случая £< гк; (2.9)

о

Т/1 = \т/2лКК- для случая £> гк; (2.10)

о

Т/2 - интегральная касательная сила морозного пучения на участке сваи постоянного сечения:

Т/2 = £Т/ 2п^2; (2.11)

F] - интегральная сила сопротивления грунта на боковой поверхности сваи в талой зоне на конусной части сваи:

F1 = | /2пЯк (№; (2.12)

£

F2 - интегральная сила сопротивления грунта на боковой поверхности сваи в талой зоне на участке сваи постоянного сечения:

гц

^ = \/2пЯц^ - для случая £< (2.13)

F2 - í f 2^dz - для случая zk;

(2.14)

Gf - нормальное горизонтальное напряжение морозного пучения грунта, действующее на боковую поверхность сваи; Tf - касательное напряжение морозного пучения грунта на боковой поверхности сваи; f - расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности сваи в талой зоне; Р - сумма внешней нагрузки и собственного веса сваи; а - угол наклона боковой поверхности конуса сваи, град; площадь элементарной полоски конуса по периметру dFk = 2nRk(z)dz; площадь элементарной полоски цилиндрической части сваи по периметру dFц = 2nRцdz.

Введем допущение: tgа ~ sinа. (2.15)

Погрешность допущения для угла наклона поверхности сваи в 10 град составляет

не более 1,5 %:

lga- sina 100 % - 0,1763 " 0Д737100 % -1,5 % .

sin a

0,1737

V

Ур. поверхности грунта

а)

Рисунок 2.3 - Схема конуса сваи: к выражениям (2.15) - (2.18) (а); к определению

промежуточного радиуса конуса (б)

Согласно рисунку 2.3,а запишем: tgа = x¡Lk ^ x = Lktgа ,

cosa = Lk¡¡; sin а = xfl ^ ; l = Lk/ cosa; l = x/sin а

(2.16) (2.17)

С учетом (2.15), (2.16) и (2.17) получим:

cos a - Lk/l - Lk(sin a)/x - Lk sin a/Lklga « 1. (2.18)

а) Уравнение равновесия сваи с верхним обратным конусом при глубине промерзания f < Zk имеет вид (2.5) (см. рисунок 2.2,а). Так как согласно (2.18) cos a ~ 1, из уравнения (2.5) имеем:

- P - Sf sin a + Tf 1 - F1 - F2 - 0.

V

f 1

(2.19)

z

С учетом выражений (2.7, 2.9, 2.12, 2.13) уравнение (2.19) запишем в виде:

£ £ Ч 2ч

-P-(\ofdFk)sma + \TndFk - J fxdFk - J f2dF4 = 0. (2.20)

0 0 £ Zk

б) Уравнение равновесия сваи с верхним обратным конусом при глубине промерзания f > Zk (см. рисунок 2.2,6) имеет вид (2.6). Так как согласно (2.18) cos а ~ 1, из уравнения (2.6) имеем:

- P - Sf sin a + + Tf - F = 0.

f2

(2.21)

С учетом выражений (2.8, 2.10, 2.11, 2.14) уравнение (2.21) запишем в виде:

£

- P - ( S°fdFk )sina+ í^f1dFk + íTf7 dF - ¡ f2dFn = 0

(2.22)

Свая с верхним обратным конусом в составе сооружения

Р]___________д

о Sfsina Sf cosa a

Граница £(0) \ coso If"^

_LJ_ II _LL J_L J_L _L_L _LL _L1 ±

сезонного J

промерзания zh F-, дГ

F1 cos о

с, Sfsina Sf cosa al

t

^__mL_L_iaFi_________.__!_

i

(G)

, Ru

___

Tfl cosa и if1

I

F! cosa

EM T,4

I'

Граница {(S)

J_L J_L J_L J_L _LL _LL

сезонного -

промерзания F2 I

i

(G)

Sfsina 0 Sf cosa

Tf 1M Tfl cos a

* Sl.

JTf2

J_L J_L _LL

I"

а) 6)

Рисунок 2.4 - Расчетные схемы сваи с верхним обратным конусом в составе сооружения: а - граница промерзания в пределах конуса сваи; б - граница промерзания в пределах цилиндрической части сваи

k

в) Уравнение равновесия сваи с верхним обратным конусом в составе

сооружения при глубине промерзания < Zk (см. рисунок 2.4,а) имеет вид (2.5) и (2.19).

С учетом расположения расчетных сечений на рисунке 2.4,а уравнение (2.19) запишем в виде:

- Р - (\GfdFk )8Ш а + \Tf1dFk - | fldF¡k - | = 0. (2.23)

г) Уравнение равновесия сваи с верхним обратным конусом в составе сооружения при глубине промерзания г0< zk < ^ (рисунок 2.4,б) имеет вид (2.6) и (2.21).

С учетом расположения расчетных сечений на рисунке 2.4,б уравнение (2.21) запишем в виде:

I ^

- Р - ()эш а + jтfl^ + ¡тf2^ц - I/'2^ц = 0. (2.24)

Г 2 ц

2к

2.3. Получение зависимостей для угла наклона поверхности сваи на основе

равновесия действующих сил Свая с верхним обратным конусом (см. рисунок 2.2) а) Зависимость для угла наклона поверхности конуса сваи получим, используя уравнение равновесия сваи в пучинистом грунте (2.20) при глубине промерзания £< Zк (см. рисунок 2.2,а) :

I I

-Р-(\GfdFk)вта + |т^ - | fxdFk - |= 0. (2.20)

0 0 I 7к

Площадь элементарной полоски поверхности конуса по периметру согласно рисунку 2.3, б:

dFk = 2пКк (г^ .

Переменный радиус конуса (см. рисунок 2.3,б):

Як (2) = Як + Л , А = ztgа « г эта .

Получим выражение для промежуточного радиуса конуса сваи:

к

0

0

0

0

Rk (z) = Rk + z sina.

Из условия, что (Rц -Rk)/zk = tga « sina, имеем: Rk = Яц - zK sin a Тогда выражение для промежуточного радиуса конуса примет вид: Rk(z) = R - zk sina + zsina = Rn - sina(zk - z).

(2.25)

С учетом этого площадь элементарной полоски поверхности конуса по его периметру составит:

dFk = 2ж[Яц - sina(2к - г)^. (2.26)

Площадь элементарной полоски поверхности цилиндра по его периметру:

dFц = 2^2. (2.27)

Уравнение (2.20) с учетом (2.26) и (2.27) примет вид:

4 4

- P - (\af 2п[R4 - sin a(zk - z)]dz)sin a + $Tf x2x[R4 - sin a(zk - z)]dz

0 0

zk

(2.28)

$ f{2%[R4 - sina(zk - z)]dz - $ f22nR4dz = 0,

■'k ~ /J— J J 2----ц

zk

4 4 4

- P -$Gf 2пЯц (sina)dz + 2x(zk - z)(sina) dz + $Tf ^xR^z

0 0 0

4 zk zk

f 12x(zk - z)(sina)dz - $ fx2nR4dz + $ f12x(zk - z)(sina)dz

0 4 4

-$ f22nR4dz = 0.

zk

После преобразования уравнения (2.28), предполагая, что напряжения не меняются по высоте зоны интегрирования, получим:

4 4 4

- P - 2xRl¡o-f sina $ dz + 2па f (sina) $ (zk - z )dz + 2xRl¡Tf 1 $ dz -

0 0 0

4 zk zk

2xTf1(sin a)$ (zk - z)dz - 2nR4fx $ dz + 2xf1(sina) $ (zk - z)dz - (2.29)

0 4 4

t

- 2nR4f2 $ dz = 0.

z

z

z

k

Полагаем, что все напряжения в пределах заданных интервалов равны их средним

значениям:

£ —I

о

£

| й2 = 2

о

=£, (2.зо)

о

£ £ £ £ £ 1

|(2к- 2 )й2 = 12кй2 -12й2 =2к |й2 -12й2 = 2к£ - 2 £2, (2.31)

о о о о о 2

2к

Iй2 = 2к -£, (2.32)

2к 2к 2к 2к 2к I (2к - 2)й2 = 12кй2 - 12й2 =2к | й2 - |2й2 =

£ £ £ £ £

= 2к (2к - £) -22 - £2),

2ж(У/(2к£ -1 £2)(8т а)2 -

1 2 1

2 £ ) - 2/ ,2к (^к - £) - 2

+ 2кЯцТ/£ - 2^/(2к - £) - 2^/2(2ц - 2к) - Р = о

(2.33)

Iй2 = 2ц - 2к . (2.34)