Взаимодействие сезоннопромерзающих грунтов с фундаментами вертикальных стержневых элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат наук Цвигунов Дмитрий Геннадьевич

• Цвигунов Дмитрий Геннадьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Цвигунов Дмитрий Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ РАБОТЫ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ОСНОВАНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Анализ процесса морозного пучения грунтов

1.2 Анализ методики исследования влияния морозного пучения на отклонение стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах

1.3 Основные причины и закономерности боковых отклонений вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах

1.4 Влияние крутизны откоса и глубины заделки

на боковую устойчивость вертикальных стержневых элементов

при промерзании грунта

1.5 Влияние вибродинамического воздействия

на вертикальные стержневые элементы

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩЕГО ГРУНТА, УЧИТЫВАЮЩАЯ НАКОПЛЕНИЕ МИГРАЦИОННОЙ ВЛАГИ В ПРОЦЕССЕ ПРОМЕРЗАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1 Построение модели теплофизической задачи

с помощью метода конечных элементов

2.2 Математическая модель теплофизических процессов с учетом фазовых переходов воды

в интервале отрицательных температур

2.3 Определение влажности мерзлого грунта первоначально находящейся в порах за счет незамерзшей воды

при промерзании

2.4 Численное моделирование процессов морозного пучения

в сезоннопромерзающих грунтах

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ С ФУНДАМЕНТВАМИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Исследование взаимодействия сезоннопромерзающих грунтов

с вертикальными стержневыми элементами

3.2 Стабилометрические исследования влияния влажности

на изменение прочностных характеристик грунта

3.3 Составные части и регламент геотехнической диагностики работы вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунта

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ С ФУНДАМЕНТАМИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1 Численное моделирование миграционного процесса влаги

4.2 Численное моделирование процессов оттаивания

промороженных грунтов

4.3 Численное исследование эффективности устройства конструктивных элементов для снижения морозного пучения

в сезоннопромерзающих грунтах

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

В ПРОГРАММНОМ МОДУЛЕ «TERMOGROUND»

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. СВОДНАЯ ВЕДОМОСТЬ ФИЗИЧЕСКИХ

И МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЖУРНАЛ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТА

РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ..........................................................1б4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие сезоннопромерзающих грунтов с фундаментами вертикальных стержневых элементов»

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования.

Обширные территории Дальневосточного Федерального округа характеризуются продолжительным зимним периодом. Глубина промерзания грунтов изменяется в широких пределах, достигая значений в 3м и более.

В связи с возрастанием темпов освоения этих регионов вопросы повышения устойчивости, надежности и долговечности сооружений, возводимых в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, приобретают большое практическое значение. Фундаменты сооружений в сезоннопромерзающих грунтах основания подвергаются воздействию процессов: промерзания, морозного пучения, оттаивания и вибродинамики. Эти процессы особенно интенсивно проявляются в период сезонного оттаивания и промерзания. Фундаменты вертикальных стержневых элементов это относительно легкие сооружения, которые наиболее подвержены этим негативным явлениям.

Многофакторные проблемы (рисунок 1), возникают при эксплуатации вертикальных стержневых элементов заделанных в грунтовые основания.

Рисунок 1 - Факторы эксплуатации железобетонных опор контактной

сети на ДВЖД.

1 - штатная эксплуатация (52%); 2 - выправлено (18%); 3 - эксплуатация с дефектами (9%); 4 - требуется дополнительная выправка (12%); 5 -подвергается повторной выправке (9%);

Исходя из представленных данных до 48% опор контактной сети в сложных условиях эксплуатации не отвечают требованиям проектной документации.

Поэтому, для проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации сооружений, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях, необходимо уметь делать многофакторную оценку естественных инженерно-геологических условий района изучения, позволяющую расчетным путем прогнозировать все возможные неблагоприятные воздействия. Последнее приобретает особое значение в связи с необходимостью разработки специальных мероприятий по охране окружающей среды и обеспечению устойчивости сооружений.

В этих условиях разработка методов расчета основания вертикальных стержневых элементов, позволяющих учитывать изменение теплофизического, напряженно-деформированного состояния грунта уже на стадии проектирования геотехнических работ, является актуальной научной задачей.

Степень разработанности темы.

Данная работа рассматривает работу ВСЭ при реконструкции и строительстве, поэтому данное исследование было направлено для исследования способов защиты и снижения сил морозного пучения с использованием эффективных конструкций утепления и устройств снижающего морозоопасность основания. Такими конструкциями могут быть термические обоймы, воспринимающие нагрузки от сил морозного пучения и вибродинамических воздействий. Исследованию основных причин и закономерностей отклонений вертикальных стержневых элементов, проектированием рациональных конструкций ВСЭ позволяющим снизить или нейтрализовать воздействие сил морозного пучения , занимались посвящены работы таких ученых как Ашпиз Е.С., Быков Н.И., Б.И.Далматов, С.Е. Гречищев, О.Р.Голли, М.Н.Гольдштейн, Э.Д.Ершов, В.Г.Кондратьев, В.Н.Ли, М.А.Минкин, Н.Н. Морарескул, А.Л. Невзоров, В.В. Пассек, А.В.Паталеев, В.С.

Сажин, А.С.Сапов, Г.М.Стоянович, Г.М.Фельдман, Н.А.Цытович, Л.В. Чистотинов, В.Б. Швец и другие авторы. Исследования в этом направлении перспективны, но их результаты пока еще недостаточны для практического применения вследствие ежегодного деформирования ВСЭ.

Объект исследования: область основания сезоннопромерзающих грунтов вокруг вертикальных стержневых элементов.

Предмет исследования: теплофизическое напряженно-деформированнное состояние грунтовых оснований фундаментов вертикальных стержневых элементов под воздействием процессов: промерзания, морозного пучения, оттаивания и вибродинамики.

Целью исследования является снижение или ликвидация деформаций грунтов основания, действующих на конструкции вертикальных стержневых элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить натурные исследования в годичном цикле процессов: промерзания, морозного пучения с учетом миграции грунтовой влаги, оттаивания и вибродинамического воздействия;

2) провести полевые исследования по оценке влияния основных факторов, влияющих на деформативность грунтов основания вертикальных стержневых элементов;

3) выполнить эксперименты в лабораторных условиях на приборе трехосного сжатия для оценки влияния влажности на прочностные свойства грунта;

4) разработать математическую модель сезоннопромерзающего грунта, учитывающая накопление миграционной влаги в промерзающих глинистых грунтах и влияние ее на снижение прочностных и деформационных характеристик грунтов основания вокруг вертикальных стержневых элементов при оттаивании;

5) получить разрешающее уравнение процесса приращения относительных деформаций грунта;

6) выявить связь влияния деформативности грунта на устойчивость вертикальных стержневых элементов;

7) развитие численной методики расчета влияния промерзания и оттаивания, вибродинамического воздействия применительно к Дальневосточному региону.

8) предложить конструктивное решение снижающее деформативность грунтов основания вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах.

Методология и методы исследования:

Методологической основой для решения задач является системный подход, включающий проведение лабораторного, натурного и численного моделирования. Натурное моделирование проводилось на вертикальных стержневых элементах с применением устройства конструктивных элементов для снижения миграции влаги в сезоннопромерзающих грунтах на действующих объектах филиала ОАО «РЖД» ДВЖД. Расчеты теплофизического и напряженно-деформированного состояния грунтов выполнены с использованием метода конечных элементов в программном комплексе FEM models по программе «TERMOGRAUND», разработанной геотехниками Санкт - Петербурга под руководством профессора В.М. Улицкого.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработана математическая модель сезоннопромерзающего грунта, учитывающая накопление миграционной влаги в промерзающих глинистых грунтах и влияние ее на снижение прочностных и деформационных характеристик грунтов основания вокруг вертикальных стержневых элементов при оттаивании;

2) получено разрешающее уравнение процесса приращения относительных деформаций грунта;

3) предложена экспоненциальная зависимость сопротивления грунта сдвигу от его влажности;

4) выявлена зависимость прочностных характеристик грунта при вибродинамическом воздействии, в зависимости от его температуры;

Практическая значимость работы.

1) выявлен годичный цикл изменения температуры грунта, миграции грунтовой влаги, амплитуды колебаний вибродинамического воздействия от проходящего транспорта;

2) предложен поправочный сезонный коэффициент на снижение прочностных свойств грунта за счет влияния вибродинамического воздействия;

3) выявлена связь и предложена формула для оценки сопротивления грунта сдвигу от его влажности;

4) предложен регламент работ по диагностике опор вертикальных стержневых элементов;

5) предложено конструктивное решение фундаментной части вертикальных стержневых элементов снижающее влияние теплопередачи фундамент-грунт;

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты экспериментальных исследований изменения температуры при промерзании и оттаивании грунта, миграции влаги в грунте, амплитуды колебаний при вибродинамическом воздействии;

2) математическая модель грунта, позволяющая учитывать влияние накопленной миграционной влаги в сезоннопромерзающих глинистых грунтах на снижение значений прочностных и деформационных характеристик грунтов основания ВСЭ от влажности и вибродинамического воздействия;

3) связь сопротивления грунта сдвигу от его влажности;

4) влияние вибродинамики на прочностные свойства грунта в зависимости от его температуры;

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность полученных результатов подтверждается:

-применением поверенного и сертифицированного оборудования и средств измерения при выполнении исследования;

-проведением значительных серий полевых методов определения деформационных характеристик грунтовых массивов;

-воспроизводимостью результатов, подтвержденных значительным объемом выполненных полевых экспериментов, проводимых в разные времена года в течение десяти лет;

-применением методики исследования, основанной на использовании современных средств сейсмозондирования, стабилометрических и вибродинамических данных;

-эффективными результатами внедрения предложенного конструктивного решения, снижающего деформативность ВСЭ на эксплуатируемых морозоапасных участках Дальневосточной дирекции инфраструктуры Хабаровской дистанцией электроснабжения.

Результаты исследований автора докладывались на региональных, Российских и международных конференциях и семинарах, часть из которых: «Научно - практические и теоретические проблемы геотехники» (Санкт-Петербург, 2007), Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2007), «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007), «Geotechnical engineering for disaster prevention and reduction» (Yuzhno-Sakhalinsk, 2007), «Геотехника: научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах» (Санкт-Петербург, 2008) «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (Хабаровск, 2008), «Extended Abstracts. Ninth International Conference on Permafrost. Institute of Northern Engineering», (Alaska, Fairbanks, 2008), «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург, 2009) «Основы совместных расчетов оснований и сооружений. Совместные инженерно-геологические изыскания как информационная основа для совместных расчетов» (Санкт-Петербург, 2011),

«Геотехника строительства промышленных и транспортных сооружений Азиатско-Тихоокеанского Региона» (Южно-Сахалинска, 2018).

Личный вклад автора. Автором лично выполнены все основные исследования, включая постановку цели и задач работы, обоснование методик исследований, лабораторные и полевые эксперименты, интерпретацию и обобщение полученных результатов. Участие автора подтверждается значительным числом публикаций по теме диссертации, а также результатами апробации на республиканских и международных научных конференциях.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырнадцати печатных работах общим объемом 6,56 печ. л., среди них четыре работы объемом 4,56 печ. л. - в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и четырех приложений. Она имеет объем 177 страницы печатного текста, 67 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 131 наименование, в том числе на иностранном языке.

Автор выражает благодарность за ценные советы, критические замечания и всестороннюю поддержку своему научному руководителю доктору технических наук, доценту С.А. Кудрявцеву в период работы и написания диссертации. Автор искренне благодарит докторов технических наук, профессоров: Е.С. Ашпиза, Р.А. Мангушева, В.Н. Парамонова, Г.М. Стояновича, В.М. Улицкого, В.С. Федорова, кандидата технических наук В.В. Пупатенко; кандидата геолого-минералогических наук Д.Ю. Малеева за внимание, проявленное к настоящей работе, ценные советы и замечания в период проведения исследований и написания диссертации.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ РАБОТЫ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ОСНОВАНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Анализ процесса морозного пучения грунтов

Под морозным пучением грунтов понимается местное увеличение объема грунтов вследствие замерзания содержащейся в них и подтянутой к фронту промерзания в процессе миграции влаги.

Исследование процесса морозного пучения при промерзании и связанных с ним явлений впервые было начато в конце девятнадцатого и продолжено в течение двадцатого столетия русскими инженерами и учеными: С.Г. Войславом, Н.С. Богдановым, С.С. Вяловым, С.Е. Гречищевым, В.И. Гри-цыком, О.Р. Голли, М.Н. Гольдштейн, Б.И. Далматовым, Б.Н. Достоваловым, В.В. Докучаевым, П.И. Дыдышко, Э.Д. Ершовым, В.Ф. Жуковым, Ю.К. Зарец-ким, И.А. Золотарь, В.Д. Карловым, М.Ф. Киселевым, Я.А. Кроником, В.А. Кудрявцевым, А.М. Ларионовым, А.В. Ливеровским, М.А. Минкиным, Н.Н. Морарескул, А.Л. Невзоровым, В.В. Пассек, А.В. Паталеевым, В.И. Пусковым, Л.Т. Роман, В.О. Орловым, В.С. Сажиным, И.И. Сахаровым, В. Свиньи-ным, М.И. Сумгиным, В.П. Титовым, Г.М. Шахунянц, Н.А. Перетрухиным, В.В. Улитиным, В.М. Улицким, С.Б. Уховым, В.И. Федоровым, Г.М. Фельдман, Л.Н. Хрусталевым, А.А. Цернант, Н.А. Цытович, Л.В. Чистотиновым, В.Б. Швец, П.Ф. Швецовым, В.И. Штукенбергом и другими. Из зарубежных ученых процесс морозного пучения исследовали G. Beskow, J.M. Konrad, S. Knutsson, K. Kujala, N.R. Morgenstern, R.D. Miller, E. Penner, A. Phukan, T. Ueda и др.

Морозное пучение грунта в начальном периоде эксплуатации Транссибирской магистрали вызывало повреждения как промышленных, так и гражданских зданий и сооружений. Но железнодорожные сооружения оказались наиболее чувствительны к деформациям, а поэтому на это

негативное влияние, прежде всего, обратили внимание инженеры путей сообщения.

В.И. Штукенберг [114, 115] в своих работах начиная с 1885 г. поднимает вопросы о морозном пучении грунта на железных дорогах и мерах борьбы с пучинами.

Сравнивая пучение, которое может возникнуть при фактическом содержании воды в грунте, с пучинами в природных условиях, В.И. Штукенберг заметил, что последние значительно больше. Это можно объяснить только подтоком грунтовых вод к замерзающему грунту.

B.И. Штукенберг выдвинул гипотезу пучения грунта, которая сводилась к следующему. При замерзании воды в порах грунта в нем образуются трещины, заполненные воздухом и сообщающиеся с еще незамерзшим водоносным слоем. По этим трещинам вода проникает в замерзший слой, замерзает, расширяется. При периодическом повышении и понижении температуры создаются трещины, по которым также поступает вода и т.д. В результате этих процессов происходит постепенный рост процесса морозного пучения. Предложенная гипотеза была выражена математически. Теория В.И. Штукенберга имела ряд недостатков: не выясняла внутренней физической природы явления, была несколько механистической и содержала такое положение, как расширение льда при охлаждении. Положительное значение работ В.И. Штукенберга заключается в том, что они впервые подняли вопросы по изучению морозного пучения грунтов, поставили его на научную основу, в частности, обратили внимание на миграцию воды, которая имеет исключительно важное значение в пучинообразовании.

C.Г. Войслав [7] в лабораторных условиях изучал увеличение объема грунта при замерзании, содержание воды в грунте при периодическом замораживании и оттаивании грунта, степень водопроницаемости и уменьшение объема грунта при оттаивании.

Опыты С.Г. Войслава были первой экспериментальной работой в области морозного пучения грунтов. При этом С.Г. Войслав затронул

сравнительно большой круг факторов, влияющих на изменение объема и свойств грунта при его замерзании и оттаивании.

Л.Н. Любимов в своей работе [44] дал определение и классификацию пучин, указал время появления и исчезновения пучин, а также их географическое распространение. Л.Н. Любимов подробно рассмотрел влияние на пучинообразование таких факторов, как геологическое строение местности, глубина промерзания грунтов, физико-механические свойства грунтов. Наконец, Л.Н.Любимов дал целую систему инженерных мероприятий по борьбе с пучинами, включая наблюдение за пучинами, исправление пучин, дренаж, замену грунта и т.д. Работа Л.Н. Любимова явилась первой книгой, специально посвященной пучению грунта при замерзании. Она характерна широким и разносторонним охватом вопроса. Все моменты, затронутые Любимовым, сохранили свою актуальность и по настоящее время.

Работа В. Свиньина [72] явилась результатом наблюдений за деформациями зданий при замерзании грунтов. В.Свиньин указал, что вскоре после постройки железнодорожные здания имели горизонтальные, наклонные и вертикальные трещины. Поскольку фундаменты были заложены значительно ниже глубины промерзания грунта, появление трещин в конструкциях зданий объяснялось действием грунта на боковую поверхность фундамента за счет расширения грунта в стороны и смерзания его с материалом фундамента. Приведя примеры и проанализировав причины деформаций зданий, В.Свиньин предложил ряд технических мероприятий по борьбе с этими деформациями. В.Свиньиным еще раз ставится вопрос о наличии нормальных сил морозного пучения и об их разрушительном действии на фундаменты и сооружения в целом. Большое значение имеет также то, что статья построена на фактическом материале, взятом из наблюдений в натуре.

Работа Н.С. Богданова [4] посвящена вечной мерзлоте и сооружениям на ней. Н.С. Богданов дал общее описание и классификацию вечной мерзлоты. Пучение замерзающих грунтов было рассмотрено им в разрезе опытов С.Г. Войслава и теории В.И. Штукенберга.

Работа НС. Богданова была первой книгой, рассматривавшей строительство в условиях вечной мерзлоты, и явилась обобщением того опыта, который уже имелся в России к 1912 г. Необходимо отметить, что Н.С.Богданов подчеркнул ведущую роль отечественной науки в данной области знаний.

Исследования того времени велись, главным образом, в направлении изучения опыта строительства и эксплуатации железных дорог Транссибирской магистрали России и поисков эффективных мер борьбы с пучинами. Зарождались отдельные экспериментальные и теоретические работы.

Несмотря на исключительное значение исследований деформаций грунтов при замерзании и оттаивании для железных дорог России, работы в этой области велись в очень малом объеме и только благодаря личной инициативе и энергии отдельных инженеров и ученых. И тем большая честь принадлежит русским инженерам и ученым, впервые изучавшим мерзлые грунты, успевшим сделать и далеко опередить в этой области знаний другие страны.

Большое географическое распространение вечномерзлых и сезоннопромерзающих грунтов вдоль Транссибирской магистрали, многочисленные аварии сооружений под действием сил морозного пучения грунтов или при их оттаивании, пучины на железных и автомобильных дорогах, повышение требований к экономичности и долговечности сооружений - все это настоятельно диктовало самое тщательное изучение замерзающих и мерзлых грунтов.

В 1927 г. опубликована книга М.И. Сумгина [76]. В ней было описано географическое распространение вечной мерзлоты, температуры и гидрология вечной мерзлоты, дана гипотеза происхождения мерзлоты, хозяйственное значение мерзлоты и ее освоения.

Книга М.И. Сумгина послужила началом систематических исследований вечной мерзлоты - мерзлотоведению.

Несколько позже была издана новая работа М.И. Сумгина [77], посвященная физико-механическим процессам во влажных и мерзлых грунтах в связи с образованием пучин на дорогах. В ней были приведены результаты исследований замерзающих грунтов, включая миграцию воды, образование искусственных наледей и расширение грунтов при замерзании. Эта работа М.И. Сумгина была первым широким экспериментальным исследованием в механике грунтов и, в частности, в механике грунтов.

Гигантское строительство в 30-40-х гг. прошлого века, особенно в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов, ставило перед строителями и учеными новые проблемы, связанные с производством.

Особенность российской науки того периода заключается в том, что она всегда подчиняла себя непосредственным задачам страны и не отрывалась от практики. Это ярко проявляется и в изучении мерзлых грунтов: исследования все более и более приобретают инженерное, прикладное направление.

В 1928-1934 гг. появляется целый ряд работ Н.А. Цытовича по лабораторным, полевым и теоретическим исследованиям мерзлых грунтов. Рассматриваются вопросы строительства в области вечной мерзлоты, расчета фундаментов в тех же условиях, распространение тепла в моделях фундаментов, поставленных на мерзлый грунт, определение сил смерзания и т.д. В этих работах Н.А. Цытовича [102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109] зарождается начало новой науки - механики мерзлых грунтов, имеющей исключительное значение для строительства в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов. Материалы, изложенные в этой работе, явились первым самым сжатым обобщением накопленного опыта по изучению мерзлых грунтов.

Андрианов П.И. [1] исследовал пространственное распределение напряжений внутри замерзающего грунта. Для выяснения зависимости этих напряжений от направления тепловой волны было применено просвечивание грунтов лучами Рентгена.

Опыты П.И. Андрианова служили доказательством того, что при замораживании грунта в ограниченном объеме имеет место передвижение частиц грунта в сторону наименьшего сопротивления, т.е. в сторону еще не замерзшего грунта. Таким образом, он впервые установил, что при замерзании грунта в ограниченном объеме имеет место внутреннее пучение грунта.

Исследования мерзлых грунтов и, в частности морозного пучения, приняли плановый и систематический характер, причем исследования велись не только отдельными учеными, но и целыми организациями. Положено начало новым наукам: мерзлотоведение и механика мерзлых грунтов. Установлены основные закономерности в свойствах мерзлых грунтов и основные принципы строительства на мерзлых грунтах. Этому способствовала многосторонняя проверка новых выводов на строительстве, в поле, в лаборатории. Во всех работах тесно переплетаются теоретические положения с мерами практическими.

Аппак П.Е. [2], работая на объектах Амурского железнодорожного лагеря НКВД, систематизировал полученный опыт русских инженеров по гражданскому строительству в условиях вечной мерзлоты Дальнего Востока.

Характерной особенностью работы советских ученых, да и всей нашей отечественной науки, является не только возможность широкого проведения исследований, но и быстрое внедрение результатов исследований в практику строительства. Это еще раз показывает прикладной характер механики мерзлых грунтов и неразрывную связь теории с практикой.

Механика мерзлых грунтов получила твердые научные основы, обширные возможности для решения новых практических задач строительства и богатый перспективами путь дальнейшего развития.

Все грунты, кроме скальных, при определенных природных и техногенных условиях могут быть пучинистыми (морозоопасными) или непучинистыми (неморозоопасными). Пучение происходит при следующих условиях: промерзание, обводнение, наличие пылевато-глинистых частиц или свободного выхода (отжатия) воды из грунта.

Далматов Б.И. [16, 17] отмечал, что подразделение грунтов на пучинистые и непучинистые условно, так как один и тот же грунт в одних условиях может быть пучинистым, а в других - непучинистым. Он предлагает определять пучинистое или непучинистое состояние грунтов.

1. Непучинистое, соответствующее случаю, когда при промерзании грунт в естественных условиях не увеличивается в объеме (V = const).

2. Слабопучинистое, когда миграции влаги к фронту промерзания не происходит, а увеличение объема грунта развивается только за счет изменения объема воды, переходящей в лед (Д V < 9 %); при этом возможно даже некоторое отжатие воды от фронта промерзания. Увеличение объема грунта при промерзании в этом случае не превышает 3 %.

3. Пучинистое, когда увеличение объема грунта развивается за счет миграции к фронту промерзания и увеличения объема воды, переходящей в лед (Д V > 9 %). При пучинистом состоянии объем грунта часто увеличивается главным образом за счет повышения его влажности вследствие миграции воды из нижних слоев. Миграция воды в промерзающих грунтах происходит в парообразном и жидком состоянии каждый раз, когда нарушается равновесное состояние фаз грунта при изменении его температуры, влажности, давления и других факторов, приводящих к возникновению соответствующих градиентов. В результате миграции влаги в промерзающих грунтах образуются включения кристаллов льда в виде прослоек, линз, гнезд и т. п.

Расчет сооружений при использовании сезоннопромерзающих грунтов должен производиться с учетом всех природно-климатических и внешних условий на изменение физико-механических свойств грунтов. Этим требованиям в полной мере отвечает основной принцип российского фундаментостроения - расчет по предельным состояниям. Однако проектирование фундаментов на сезоннопромерзающих грунтах необходимо выполнять с учетом совместной работы здания или сооружения и грунтов основания, находящихся последовательно в двух состояниях: промерзающем и оттаивающем.

Внешним проявлением морозного пучения служат местные, как правило, неравномерные поднятия поверхности слоя промерзающего грунта, сменяющиеся осадкой последнего при оттаивании.

К основным характеристикам деформируемости промерзающего грунта относятся величина пучения Иу и ее производная - интенсивность морозного пучения 8 у.

Величина пучения определяется как приращение объема грунта по отношению к исходному объему коэффициентом пучения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Цвигунов Дмитрий Геннадьевич, 2018 год

/ / ч -

0 ■0,2

0,251 0,258 0,259 0,262 0,27 0,272 0,28 0,283 0,288 0,312 0,33 0,37

Влажность грунта

Рисунок 2.6 - График распределения объема морозобойных трещин в глинах при промораживании: 1 - экспериментальные исследования; 2 - аппроксимация

Качественно такие же результаты были получены для суглинка и супеси. В абсолютном большинстве опытов (колебания обусловлены погрешностями измерений) получалось, что объем, занятый воздухом в 1 см талого грунта, всегда меньше объема воздуха в 1 см этого грунта после его замораживания.

Анализируя полученные в работе Конюшенко А.Г. [35] результаты, зависимость относительных деформаций за счет образования морозобойных трещин от влажности Ж при промерзании для глинистых грунтов можно аппроксимировать следующим выражением:

-0,001972516 + 0,0081876987 • w

—I

Р сг\

(2.51)

1 - 7,732496 • w +14,969634 • w2 Коэффициент корреляции этого уравнения составляет 0,95, а среднеквадратическое отклонение 0,14.

Проведенные измерения показали, что кристаллизующаяся в порах вода не заполняет ту часть пор, которая занята воздухом, а раздвигает твердые частицы; за счет этого увеличивается объем грунта, и, кроме того, увеличивается объем пор, занятых воздухом.

Полученные Карловым В.Д. [27], Конюшенко А.Г. [35] данные позволяют объяснить миграцию влаги к фронту промерзания без привлечения потенциальной теории пленочного и капиллярного механизмов движения влаги.

В талом грунте давление воздуха не уменьшилось, поэтому вследствие возникшего перепада давлений влага продвигается к фронту промерзания. Скорость ее движения определится скоростью фильтрации под действием возникшего градиента давления.

Поступившая к фронту промерзания влага будет двигаться и в зоне фазовых превращений, так как образование льда начинается с образования отдельных кристаллов, которые потом растут и цементируют грунт, но в процессе их роста возможно передвижение воды между кристаллами и твердыми частицами. Превращение в лед новых порций поступившей воды приведет к новому увеличению воздушных пор и, таким образом, процесс может поддерживаться до образования ледяных прослоев.

По опытам Конюшенко А.Г., Анисимова Л.Г. в работе [35] максимум Ус по отношению к объему воздушных пор до промерзания составлял в среднем около 0,1 (см. рисунок 3.7). То есть, максимум увеличения объема в каждую сторону при всестороннем промерзании составит 0,1/3 = 0,035 (3,5 %). При одномерном промерзании Ус = 0,035 (максимум). При малой влажности (меньше wр) и большой (больше wL) Ус = 0.

Таким образом, для расчета деформаций морозного пучения в пространственном случае промерзания необходимо экспериментально определять один параметр - ¥ и физические характеристики талого грунта.

2.5 Выводы по главе 2

1. Приведена математическая модель промерзающего и оттаивающего грунта «Тегто§гоипё», используемая для численного моделирования процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания в годичном цикле МКЭ в пространственной постановке, входящая как составная часть программного комплекса «БЕМ-тоёеЬ». Первым этапом решается теплотехническая задача, в результате которой определяются температурные и влажностные поля в годичном цикле. Вторым этапом решается задача определения НДС грунтов основания в процессе промерзания и оттаивания.

2. Теплофизическая часть программы впервые учитывает комплекс факторов: нестационарность, физическую и теплофизическую нелинейность работы грунтов при промерзании и оттаивании в пространственной постановке. Строгое решение этих задач предусматривает учет фазовых превращений воды в интервале отрицательных температур, а также наличие в зоне промерзания влаги, мигрирующей к фронту промерзания. Именно эта влага при близости к фронту промерзания подземных вод вносит основной вклад в деформацию морозного пучения, а также деформацию последующего оттаивания.

3. Миграция влаги от уровня подземных вод к фронту промерзания определяется в зависимости от вида промерзающих грунтов и скорости промерзания. Увеличение влажности промерзающих грунтов за счет миграции является основой для оценки процесса морозного пучения и оттаивания грунтов промороженных оснований.

4. Напряженно-деформированное состояние грунта в процессе промерзания определяется тремя основными факторами: увеличением объема грунта при замерзании предзимней влажности, первоначально находящейся в его порах; увеличением объема грунта при замерзании воды, мигрирующей в промерзающую толщу основания; образованием морозобойных трещин в грунте при его промерзании.

5. Напряженно-деформированное состояние грунта в процессе оттаивания можно определить двумя путями: по результатам лабораторных определений по методике ГОСТа; в случае отсутствия лабораторных испытаний по зависимостям, установленным на основе физических показателей промороженного грунта.

6. В зависимости от изменения влажностных полей в годичном цикле происходит снижение деформационных и прочностных характеристик грунтов вокруг вертикальных стержневых элементов, что влияет на сдвиговые деформации оттаивающего основания. Данный процесс учитывается в этапе определения НДС грунтов основания в процессе оттаивания.

ГЛАВА 3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ С ФУНДАМЕНТВАМИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Исследование взаимодействия сезоннопромерзающих грунтов с вертикальными стержневыми элементами

В этой главе приведены результаты комплексного исследования взаимодействия сезоннопромерзающих грунтов с вертикальными стержневыми элементами с использованием современных аппаратно-программных комплексов предназначенным для инженерно-геологического обследования грунтов основания.

В первом блоке исследований проводится геодезическая съемка, определяются величины отклонения от проектных положений вертикальных стержневых элементов и определяется глубина заложения их фундаментов.

Во втором блоке исследований выполнены работы по георадарному обследованию, сейсмопрофилированию, мониторингу температуры грунтов основания вертикальных стержневых элементов, лабораторным исследованиям грунтов основания.

Совершенствование элементной базы геофизической аппаратуры позволяет использовать ее для решения широкого круга практических задач в области обследования грунтов земляного полотна и самих вертикальных стержневых элементов. Современные сейсморазведочные станции на базе 24-битных аналого-цифровых преобразователей, а также соответствующее программное обеспечение обеспечивают решение следующих задач при определении условий эксплуатации вертикальных стержневых элементов железных дорог:

1. Исследование распределения физико-механических характеристик грунтов основания вокруг вертикальных стержневых элементов.

2. Литологическое распределение грунтов в области фундаментов вертикальных стержневых элементов, с выделением ослабленных зон непосредственно в его основании.

3. Изучение вибродинамического воздействия подвижного состава на грунты основания вертикальных стержневых элементов.

4. Визуальное обследование технического состояния и линейных размеров вертикальных стержневых элементов с определением глубины заложения фундаментов.

Первые три задачи решаются с помощью методов, известных в инженерной сейсморазведке и сейсмометрии. Для решения конкретной задачи выбираются датчики с соответствующими характеристиками, режимы регистрации колебаний, периоды дискретизации и динамический диапазон регистрирующей аппаратуры, усиление и способы фильтрации входного сигнала.

Четвертая задача относится к области неразрушающих методов обследования строительных конструкций, и ее решение находится вне методологии инженерной геофизики, применяемой для исследования геологических слоев. С другой стороны, существующие методы дефектоскопии и определения прочности (ультразвук и склерометрия) для железобетона являются локальными и могут быть использованы лишь как вспомогательные, когда необходимо иметь интегральные оценки технического состояния и линейных размеров целого вертикального стержневого элемента.

Определение дефектов в материале вертикального стержневого элемента имеет важное, но не первостепенное значение, так как она не является несущей конструкцией и, как правило, деформируется как единое целое вследствие нарушения технологии строительства и эксплуатации. Кроме того, сами дефекты, трещины и сколы являются следствием деформаций в ее основании при выпучивании или изначальной недостаточной глубине заложения.

Определение глубины заложения в грунте. Контроль глубины заложения вертикального стержневого элемента на эксплуатируемых железных

дорогах является важной практической задачей. Ввиду их большого количества и отсутствия прямого доступа к подошве фундамента вертикального стержневого элемента, альтернативы неразрушающим методам не существует. Поскольку надземная часть вертикального стержневого элемента доступна для прямого измерения, то для определения величины заглубления достаточно определить длину всего вертикального стержневого элемента и вычесть из нее длину надземной части.

Если рассматривать вертикальный стержневой элемент как тонкий стержень (продольные размеры которого намного превышают поперечные), то его длину, м, можно представить в виде:

Ь = , (3.1)

где Ур - скорость распространения продольной волны, м/с; /п - резонансная частота, Гц; п = 1, 2, 3.

Выражение (3.1) является граничным условием дифференциального уравнения для продольной волны в стержне, вибрирующем на собственной частоте.

Для определения длины вертикального стержневого элемента необходимо иметь два параметра - скорость продольной волны Ур и частоту /п.

Резонансную частоту можно определить, имея амплитудно-частотную характеристику, получаемую посредством быстрого преобразования Фурье (рисунок 3.1).

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14

Время, с

Рисунок 3.1 - Запись колебания вертикального стержневого элемента

контактной сети при ударе

Для проведения эксперимента [23] был выбран вертикальный стержневой элемент № 155 (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Аппаратно-программный комплекс при проведении эксперимента КПК: 1 - сейсмостанция «Сейсмолог» 24-битного Е, А АЦП; 2 - период дескритизации 0,5-32 мс; 3 - комплект датчиков «геофон» GX-20DX-super; 4 - аккумуляторная батарея 12 В

Возбуждение продольной волны производилось импульсным источником -молотком - посредством вертикальных ударов по металлическому стержню, вставленному в монтажное отверстие вертикального стержневого элемента. Для регистрации колебаний использовались вертикальные геофоны GX-20DX SUPER (с верхним пределом полосы пропускания 2000 Гц) и сейсмостанция Сейсмолог-8. Длина записей в отчетах составляла 1024, период дискретизации -0,125 миллисекунды. Коэффициент усиления входной цепи был равен 50, аппаратная фильтрация не применялась.

Одна из полученных записей представлена на рисунке 2.3. Преобладающий период колебаний в материале вертикального стержневого элемента соответствует частоте 242 Гц. Это частота уверенно прослеживается и на повторных записях, что хорошо видно на полученных спектрах Фурье. Кроме этого основного резонансного пика, на спектрах постоянно прослеживаются еще три: 94, 531 и 977 Гц.

200000

150000

ев

?Д

к 100000 <

50000 0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Частота, Гц

Рисунок 3.3 - Спектр Фурье колебания вертикального стержневого элемента при ударе

Указанные резонансные пики образовались путем сложения основной частоты 242 Гц и частот, кратных длине вертикального стержневого элемента, которые возникают при многократных отражениях между ее концами.

Полученный спектр является частным случаем сложного колебательного процесса вертикального стержневого элемента, когда она участвует в двух независимых друг от друга колебаниях. На всех полученных спектрах прослеживается четкая закономерность - четыре резонансных пика находятся друг от друга на интервале частот, кратном частоте /п = 148 Гц.

Используя выражение (3.1), подставляя в него полученное значение ^ и известную длину вертикального стержневого элемента Ь = 13,6 м вычисляем скорость продольной волны в вертикальном стержневом элементе - Ур = = 4026 м/с. Очевидно, что, зная скорость Ур, можно решить обратную задачу по определению длины всего вертикального стержневого элемента и, как следствие, ее заглубленной части [89].

Георадарное профилирование. Работы по обследованию грунтов основания выполнены в июне 2007 г. совместно с сотрудниками кафедры «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» Дальневосточного государственного университета путей сообщения (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Георадарное обследование земляного полотна

Решались следующие задачи:

- определение границы раздела геологических слоев;

- обследование геологической структуры грунта;

- определение просадок.

Георадарное обследование проведено геофизическим комплексом «ЛОЗА-М» (рисунок 3.5) - переносным импульсным радиолокатором подповерхностного зондирования повышенной мощности с отображением радиолокационных профилей в процессе измерения. Георадары серии «ЛОЗА» относятся к классу геофизических приборов для исследования подповерхностной структуры почвы на глубины от единиц до десятков метров, в зависимости от модели прибора, используемой антенны и параметров зондируемой среды (таблица 3.1). Георадар обеспечивает получение регистрируемого геологического профиля на жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ), определение глубины и места залегания подземных неоднородностей, разнообразных предметов и объектов в земле: фундаментов, уровней грунтовых вод и границ раздела геологических слоев. Принцип действия георадара основан на зондировании электромагнитными импульсами земной поверхности на различную глубину и восстановлении картины раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью по отраженному сигналу.

Рисунок 3.5 - Общий вид прибора: 1 - приемный блок; 2 - передатчик; 3 - регистратор; 4 - приемная и передающая антенна; 5 - рама

Таблица 3.1 - Максимальная глубина зондирования в некоторых грунтах с помощью георадара «ЛОЗА-В» на центральной частоте 100 МГц

Среда Диэлектрическая проницаемость е Глубина зондирования, м Разрешение по глубине, м

1. Сухой песок 2,6 42 0,1

2. Влажный песок 25 25 0,03

3. Глина сухая 2,4 13 0,1

4. Глина влажная 15 3 0,07

Принцип действия радаров основан на излучении сверхширокополосных электромагнитных импульсов без несущей в подстилающую среду и регистрации их отражений от границ раздела слоев или объектов.

Глубина проникновения электромагнитных волн определяется главным образом электрическим сопротивлением грунта и центральной частотой спектра зондирующего импульса. Диэлектрическая проницаемость грунта влияет на скорость распространения и длину электромагнитных волн в среде. Влажность и содержание минеральных солей ухудшают условия распространения электромагнитных волн и снижают максимальную глубину зондирования.

Отличительной особенностью георадаров серии «ЛОЗА», по сравнению с известными зарубежными и отечественными аналогами, является большой энергетический потенциал, позволяющий работать в средах с высокой проводимостью, например в суглинке или влажной глине, что для других георадаров не представляется возможным из-за их малого потенциала.

На объекте намечены и выполнены пять продольных профилей и два поперечных профиля в местах расположения вертикальных стержневых элементов. Шаг профилирования 0,7 м выдерживался по рулетке. Метки на поперечных профилях соответствуют бровкам земляного полотна, осям пути, междупутью.

Результаты профилирования (рисунок 3.6) обрабатывались программой Кгой65 по типовым методикам. Обработка продольных профилей с вводом

исходных данных в формате AutoCad выполняется в программном комплексе «Обработка георадарных профилей» разработанного учеными ДВГУПС (Г.М. Стоянович, В.В. Пупатенко, Ю.А. Сухобок). Результатами георадарного исследования является границы раздела геологических слоев (рисунок 3.7). При исследовании грунтов основания традиционными методами инженерно -геологического обследования (бурение, шурфование) сложно определить реальное распределение деформационных характеристик грунта.

Рисунок 3.6 - Поперечный георадарный профиль (бинарная форма записи) на участке у вертикального стержневого элемента № 155

Рисунок 3.7 - Обработанный поперечный георадарный профиль на участке у вертикального стержневого элемента № 155

В результате выполненных работ можно сделать следующие выводы.

1. Георадарным обследованием на подходах к мосту выявлены три зоны пересечения осью земляного полотна палеорусел, где под техногенными отложениями наблюдается погребенная отрицательная форма рельефа, образованная поверхностным водотоком. Деформации просадок на этих участках реализовались практически полностью в период строительства.

2. Процесс образования деформаций верхней части земляного полотна связан с оттаиванием и последующей консолидацией верхних слоев за счет оттаивания мерзлых грунтов при зимней отсыпке (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Обработанный поперечный георадарный профиль на участке у вертикального стержневого элемента

Сейсмическое профилирование. Сейсмическое зондирование выполняется на апаратно-программном комплексе, предназначенном для инженерно-геологического обследования грунтов искусственных сооружений и оснований зданий и сооружений, разработанном в ДВГУПСе доцентом Малеевым Д.Ю (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 - Сейсмопрофилирование земляного полотна

Обследование проведено апаратно-программный комплексом (рисунок 3.10), предназначенным для инженерно-геологического обследования объектов земляного полотна, искусственных сооружений и оснований зданий и сооружений, а также диагностики состояния элементов верхнего строения пути. Комплекс разработан в Дальневосточном государственном университете путей сообщения и прошел апробацию на объектах земляного полотна Дальневосточной и Сахалинской железных дорог.

Рисунок 3.10 - Аппаратно-программный комплекс для сейсмопрофилирования земляного полотна

В июле 2007 г. была выполнена геодезическая съемка, по результатам которой составлен поперечный профиль земляного полотна на экспериментальном участке (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 - Поперечный профиль земляного полотна

Отобраны образцы грунта, в лабораторных условиях определены физические характеристики грунтов. Результаты плотности грунтов использованы для привязки распределения плотности в поперечном сечении, полученного на основе сейсмического обследование объекта на продольных и поперечных волнах. В итоге в определенном порядке были получены следующие результаты.

1. Методом сейсмического профилирования установлено распределение скорости распространения продольных волн Ур в теле насыпи (рисунок 3.12).

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Рисунок 3.12 - Распределение скорости распространения продольных волн Ур

в теле насыпи

2. Рассчитано распределение плотности грунта, определено по

эмпирической формуле р = 0 6226 +1173 г/см3 (рисунок 3.13).

1000 ' '

Рисунок 3.13 - Распределение плотности грунта

3. На основе полученного скоростного распределения Ур и распределения плотности грунта р путем пересчета по имеющимся эмпирическим

зависимостям получено значение динамического модуля упругости Eg с использованием формулы В.И. Джурика (рисунок 3.14):

^ Ед = (2,277 ± 0,034) ^ Ур - (3,779 ± 0,107), МПа ;

Ео = Ед

' п -1 Л

V150п +1у

где - динамический модуль упругости; п - пористость.

, МПа,

(3.2)

(3.3)

о-

-5000-

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Рисунок 3.14 - Распределение динамического модуля упругости

4. Значение Ео определялись из лабораторных значений пористости п и по значениям с помощью зависимости

(3.4)

Ео = Ед

' п -1 Л

150п +1

+1.173, МПа

где п - пористость;

Еg - динамический модуль упругости (рисунок 3.15).

-5000

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

0

0

Рисунок 3.15 - Распределение модуля деформации в поперечном сечении, МПа

Исследование вибродинамического воздействия подвижного состава

Исследования проводились на 8544 км. «Транссибирской магистрали» на участке «ст. Хабаровск II - ст. Красная речка» Дальневосточной железной дороги [91]. Измерения проводились в период максимального промерзания, оттаивания грунта и в летний период. Исследование проводилось совместно с сотрудниками кафедры «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» Дальневосточного государственного университета путей сообщения (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16 - Исследование вибродинамического воздействия

Для регистрации колебаний использовались вертикальные геофоны GX-20DX SUPER (см. рисунок 3.2) (с верхним пределом полосы пропускания 2000 Гц) и сейсмостанция Сейсмолог-8. Длина записей в отчетах составляла 1024, период дискретизации - 0,125 миллисекунды. Коэффициент усиления входной цепи был равен 50, аппаратная фильтрация не применялась.

Изучение распространения колебаний осуществлялось путем установки датчиков в различных точках по высоте вертикального стержневого элемента (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 - Установка датчиков на вертикальном стержневом элементе

Сейсмодатчики крепились на вертикальном стержневом элементе специальными хомутами. При помощи каждого датчика записывались две составляющие пространственных колебаний: горизонтальная поперек оси пути Ау и вдоль оси пути Ах. Измерения осуществлялись по различным вариантам прохода подвижного состава: по четному или нечетному направлениям, по обоим направлениям одновременно.

Для исследования были выбраны промежуточные вертикальные стержневые элементы № 155 и 156 на вертикальные стержневые элементы на исследуемом участке унифицированные железобетонные консольные. На вертикальном стержневом элементе № 156 к моменту начала исследований уже были применены конструктивные мероприятия, предусматривающие снижение действия горизонтальных и касательных сил морозного пучения, снижение вибродинамического воздействия поездной нагрузки, передающихся на фундаментную часть вертикального стержневого элемента, с использованием пенополистирольной муфты на фундаментной части железобетонной консольной опоры и дополнительного заполнения щебенистным грунтом

фракции 30-40 мм засыпки вокруг вертикальных стержневых элементов с тщательным уплотнением при выполнении мероприятий по выправке в рабочее состояние.

В результате, после расшифровки и обработки данных по записи колебательного процесса получены следующие результаты. Наибольшее вибродинамическое воздействие на вертикальные стержневые элементы подвижной состав оказывает в период оттаивания грунтов насыпи земляного полотна и в летний период (рисунок 3.18).

6 5 4 3 2 1 0

л а о с о ей Н О о

3 Ш

3 \ 1

А )

2 Г

*

0

40

80

120

мкм

160

200

240

Рисунок 3.18 - Амплитуды колебаний: 1 - период оттаивания; 2 - летний период; 3 - период промерзания

При проведении исследования выявлено, что вертикальный стержневой элемент № 155 подвергается наибольшему вибродинамическому воздействию, чем вертикальный стержневой элемент № 156 с конструктивными мероприятиями защиты (рисунок 3.19).

6 5

£ 4 о

с $ 3

н

§ 2

л

И

1

1 / г / >

/ / У / / г

1 Г * 2

А Г 1 г

у

80 120 160 200 240

мкм

Рисунок 3.19 - Амплитуды колебаний: 1 - опора № 156; 2 - опора № 155

0

0

0

с

Термометрические исследования теплового режима грунтов у

вертикальных стержневых элементов с применением системы мониторинга температуры «Термоскан», геодезический контроль за положением вертикальных стержневых элементов [93]. Для наблюдения за температурным режимом использована система мониторинга температуры «Термоскан» (рисунок 3.20), предназначенная для производства работ по измерению температуры в непрерывном и однократном режимах. В состав комплекта «Термоскан» входит: измерительный блок, включающий в себя контроллер, измерительную косу с датчиками температуры, карманный персональный компьютер, аккумуляторную батарею, программное обеспечение «Термоскан».

Рисунок 3.20 - Система мониторинга температуры «Термоскан»: 1 - карманный персональный компьютер; 2 - контроллер;

3 - измерительная коса с датчиками температуры; 4 - аккумуляторная батарея

Измерительная коса состоит из датчиков температуры DS18B20, соединенных 3-проводной шиной. Количество датчиков и расстояние между ними задается при изготовлении косы. Измерительная коса подключается к измерительному блоку через 4-контактный разъем. Диапазон измеряемых температур от -55 до +125 °С, точность + 0,5 °С в диапазоне от -10 до +85 °С.

Питание измерительного блока осуществляется от блока питания 12 Вольт или аккумулятора 12 Вольт.

Для измерения температуры грунтов были оборудованы целевые термометрические скважины диаметром 50 мм и глубиной 2,5 м для регулярного замера температур по глубине промерзания грунтов через каждые 0,5 м у вертикальных стержневых элементов № 151, 153 на 8540 км. Скважины разработаны ручным буровым комплектом. В связи с наличием межмерзлотных или подмерзлотных вод и осыпании стенок скважины, на всю ее глубину установлена защитная стальная труба, герметизированная снизу и в соединениях, диаметр которой должен обеспечивает свободный спуск и подъем косы «Термоскана» (рисунок 3.21). Выступающая над поверхностью грунта часть защитной трубы закрывается крышкой из пенополистерола. Входное отверстие скважины (трубы) в промежутках между наблюдениями плотно закрывается пробкой, предупреждающей возможность попадания в скважину атмосферных осадков и образование в ней конденсата или снежной шубы. Результаты наблюдений в годичном цикле приведены на рисунке 3.22.

Рисунок 3.21 - Измерение температуры грунта в термометрической скважине

Температура грунта, град.

Рисунок 3.22 - Результаты термометрических наблюдений в сезон 2006/07 гг.:

--январь;--февраль;--март;--апрель;--май;

--июнь;--июль;--сентябрь;--октябрь;--ноябрь

Для проверки эффективности теплоизоляционных материалов в зиму 2007/08 г вертикальный стержневой элемент № 155 утеплена муфтой из пенополистирола толщиной 100 мм и высотой 1600 мм, состоящей из трёх секторов (рисунок 3.23).

Рисунок 3.23 - Муфта из пенополистирола перед установкой

Муфта установлена в октябре 2007 г. при выправке вертикального стержневого элемента, совместно с эксплуатирующей организацией Хабаровской дистанцией электроснабжения ЭЧ-2 (рисунок 3.24). Конструкция из пенополистирола выпускается в Хабаровском предприятии «Радуга -Сервис». Результаты наблюдений за изменением температуры грунтов в термометрических скважинах у вертикальных стержневых элементах № 153 и

155 за годовой цикл с сентября 2007 г. по август 2008 г. показывают следующее. Температура грунта в скважине № 155 на глубине 1,0 м от поверхности изменилась по сравнению со скважиной № 153. Так в октябре +10 и +12 °С (см. рисунок 3.22), в феврале -6 и -4 °С (рисунок 3.25). По сравнению с незащищенным вертикальным стержневым элементом № 153, эффект от утепления вертикального стержневого элемента № 155 позволил повысить температуру по глубине на 30-40 %, несмотря на то, что сам материал вертикального стержневого элемента из железобетона является хорошим мостиком передачи холода.

Рисунок 3.24 - Установка муфты после выправки вертикального стержневого элемента

-8

н

X

^

а и

л н о о X

В

о

2

-6 -4

Температура грунта, град. -2 0 2 4 6 8

10 12 14 16

< 5 9

* * 2

\

0

1

2

3

Рисунок 3.25 - Результаты термометрических наблюдений в сезон 2007/08 гг. в октябре: 1 - скважина № 153; 2 - скважина № 155

Применение теплоизоляционного материала из пенополистирола позволило снизить фронт промерзания (нулевую изотерму) до 1,4 м на откосе насыпи земляного полотна и соответственно снизить силы морозного пучения. На откосе насыпи силы морозного пучения значительно влияют на устойчивость вертикального стержневого элемента, оказывая на них нормальное и горизонтальное воздействие, так как нулевая изотерма захватывает фундаменты. Это вызывает горизонтальные отклонения вертикальных стержневых элементов, существенно ухудшая их эксплуатационные качества.

За период наблюдений в зимний сезон 2006/07 гг. (рисунок 3.26) суммарные величины боковых отклонений вертикальных стержневых элементов на уровне контактного провода на нулевом месте в направлении поля составили: у вертикальных стержневых элементов на 8540 км. 59 см -72,5 см, в том числе отклонения при промерзании грунта соответственно составили 18,9 см; 25,1см и 24,0 см.

Температура грунта, град.

-18 -16 -14 -12 -10 -8-6-4-2 0 2

ей H

X

^

а

(-Н

H о о х В о

2

0

0,5

1

1,5 2 2,5 3

2

1

Рисунок 3.26 - Результаты термометрических наблюдений в сезон 2007/08 гг. в феврале: 1 - скважина № 153; 2 - скважина № 155

Отклонения вертикальных стержневых элементов появляются с началом промерзания грунта и продолжаются до февраля месяца. Результаты наблюдений показали, что наибольшие боковые отклонения вертикальных стержневых элементов в поле, составляющие 80-95 % общей их величины за зимний период, возникают в период с декабря по февраль. В феврале-марте, в

период полного промерзания грунта, отклонения вертикальных стержневых элементов почти полностью отсутствуют. Дальнейшее нарастание деформаций возобновляется с наступлением теплого времени года, после оттаивания грунта. Горизонтальные перемещения в этот период происходят только под воздействием вибродинамической поездной нагрузки в сторону пути (рисунок 3.27).

% 800

750

а о 700

я о 650

и N 600

Я 550

Щ О 500

я 450

о 400

IX X XI XII

I II III IV V VI VII VIII

Рисунок 3.27 - Отклонение вертикальных стержневых элементов контактной сети в сезон 2006/07 гг. на 8540 км: 1 - опора № 155; 2 - опора № 156

Для проверки эффективности конструктивных мер защиты в зиму 2008/09 гг. на 8544 км. Вертикальный стержневой элемент № 156 после выправки утеплена муфтой из пенополистирола и в котлован засыпан щебень фракции 30-40 с послойным уплотнением шпалоподбойкой с удлинённой лапой. Для участка насыпи с вертикальными стержневыми элементами с использованием конструктивных мер защиты, горизонтальных деформаций вертикальных стержневых элементов не наблюдалось (рисунок 3.28).

л а о Я о и 8 Я

Я

О «

и н О

450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -50

IX X XI XII I II III IV V VI VII VIII

Рисунок 3.28 - Отклонение вертикальных стержневых элементов в сезон 2008/09 гг. на 8544 км: 1 - опора № 155; 2 - опора № 156

2

1

2

По результатам исследований для ликвидации деформаций вертикальных стержневых элементов в насыпях железных дорог целесообразно применять конструктивные мероприятия предусматривающие:

1) снижение действия горизонтальных и касательных сил морозного пучения по поверхности контакта фундаментной части с грунтом, передающихся на фундаментную часть вертикального стержневого элемента с использовании пенополистирольной муфты на фундаментной части железобетонного консольного вертикального стержневого элемента глубиной не менее 1,5 м;

2) снижение вибродинамического воздействия поездной нагрузки путем дополнительного заполнения щебенистным грунтом фракции 30-40 мм обратной засыпки вокруг вертикальных стержневых элементов с тщательным уплотнением при выполнении мероприятий по их выправке в рабочее состояние.

Исследование нестационарного процесса вибродинамического воздействия на ВСЭ в сезоннопромерзающих грунтах.

Цель исследования - оценка вибродинамического воздействия на грунты основания ВСЭ в годичном цикле и во времени. Исследования проводились в период с апреля 2008 по май 2018 гг. Измерения деформаций, амплитуд колебаний проводились сезонно - весна, лето, осень, зима.

Исследования выполнились под моим руководством в составе творческого коллектива кафедры «Мосты, тоннели и подземные сооружения» Дальневосточного государственного университета путей сообщения на сезонно-промерзающих грунтах. В качестве экспериментальной площадки выбран участок «Транссибирской магистрали» на 8544 км перегона «станция Хабаровск II - станция Красная речка» Дальневосточной железной дороги. Для исследования выбраны ВСЭ № 155 и № 156, как наиболее деформированные, с отклонением в полевую сторону от места приложения вибродинамического воздействия. На рисунке 3.29 показано фактическое состояние ВСЭ № 156 в 2008 г.

Рисунок 3.29 - Положение ВСЭ № 156 в начале исследования

Как видно из рисунка 3.29 наблюдается сильное деформирование ВСЭ № 156 на экспериментальной площадке.

Для исследования вибродинамического воздействия на грунты основания ВСЭ и регистрации колебаний использовались вертикальные геофоны GX-20DX SUPER (с верхним пределом полосы пропускания 2000 Гц) и сейсмостанция Сейсмолог-20/24 (рисунок 3.30). Длина записей в отчетах составляла 1024, период дискретизации - 0,125 миллисекунды. Коэффициент усиления входной цепи был равен 50, аппаратная фильтрация не применялась.

Рисунок 3.30 - Аппаратно-программный комплекс при проведении исследования : 1 - планшетный компьютер; 2 - сейсмостанция «Сейсмолог» 20/24 со встроенным аккумулятором; 3 - разъем для подключения косы с комплектом

датчиков «геофон» GX-20DX-super;

Расположение датчиков для регистрации вибродинамического воздействия на грунты основания ВСЭ представлена на рисунке 3.31.

Рисунок 3.31 - Расположение датчиков на ВСЭ

За физический ноль измерений принята отметка поверхности грунта, вызванная необходимостью изучения свойств волны, проходящей как по стержню, так и по грунту, изменение которой вызвано сменой среды прохождения.

В систему наблюдений входит ВСЭ, заглубленный в грунт на глубину 3 м. Исходя из общепринятых законов строительной механики, при воздействии на стержневой вертикальный элемент внешними силами, распределение усилий в стержне характеризуется эпюрой напряжений. В случае, проведения исследований, эпюра напряжений представляет собой треугольник с максимальным значением напряжений на отметке заделки и минимальным

значением в уровне свободного конца стержня. Следовательно, при переходе от равномерно распределенной нагрузки к сосредоточенной, результирующее усилие оказывается на стержень на высоте, равной 1 /3 от высоты надземной части ВСЭ.

Установка сейсмодатчиков на тело ВСЭ до отметки 4,5 м выше физического нуля обоснована критерием безопасности ведения работ на железных дорогах общего пользования. Выше данной отметки на исследуемом ВСЭ расположены элементы контактной сети, являющиеся источником помех. Колебания с частотами, кратными 50 Гц, являются помехами, вызванными наводкой и блуждающими токами. При прохождении поезда в условиях принятой системы наблюдений регистрация колебаний невозможна ввиду наличия помех, вызванных контактной сетью.

Таким образом, приведенная схема наблюдений позволяет оценить степень вибродинамического воздействия на ВСЭ от подвижного состава посредством регистрации колебаний в интервале максимального развития воздействия внешних сил, не нарушая условий безопасного пропуска подвижного состава.

Шаг между датчиками принят равным 1,5 м. При использовании многоканальных установок можно выбрать любой шаг при регистрации колебаний в вертикальной плоскости. Тем не мене, выбранная экспериментальная схема обусловлена необходимостью колебаний ВСЭ с ожидаемой частотой.

Сейсмодатчики крепились на вертикальном стержневом элементе специальными хомутами. Измерения осуществлялись по различным вариантам прохода подвижного состава: по четному или нечетному направлениям, по обоим направлениям одновременно (рисунок 3.32).

Рисунок 3.32 - Проведение измерений при проходе подвижного состава на ВСЭ № 155 На вертикальном стержневом элементе № 156 в период проведения исследований были применены конструктивные мероприятия, предусматривающие снижение действия горизонтальных и касательных сил морозного пучения, снижение вибродинамического воздействия поездной нагрузки, передающихся на фундаментную часть вертикального стержневого элемента, с использованием пенополистирольной муфты на фундаментной части железобетонной консольной опоры и дополнительного заполнения щебенистным грунтом фракции 30-40 мм засыпки вокруг вертикальных стержневых элементов с тщательным уплотнением при выполнении мероприятий по выправке в рабочее состояние (рисунок 3.33).

Рисунок 3.33 - Выправка в рабочее состояние ВСЭ № 156 с последующей установкой

мероприятий защиты

Процесс камеральной обработки полевых данных, а именно, записей колебаний ВСЭ по заданной рабочей схеме исследования, позволил сформулировать основные положения о колебательном процессе ВСЭ в результате вибродинамического воздействия подвижного состава на сезонномерзлый грунт в течение года.

В результате, после расшифровки и обработки данных по записи колебательного процесса получены следующие результаты. Наибольшее вибродинамическое воздействие на вертикальные стержневые элементы подвижной состав оказывает весной в период оттаивания грунтов насыпи земляного полотна и в летний период (рисунок 3.34).

Рисунок 3.34 - Амплитуды колебаний колебаний ВСЭ по периодам: 1 - период максимального промерзания (зима); 2 - период промерзания (осень); 3 - период максимальной осадки (лето); 4 - период максимального оттаивания (весна)

На рис. 3.35 приведены графики уровня максимальных колебаний стержневых элементов №155 и №156, вызванных движением по пути подвижного состава. Смещения ВСЭ показаны в относительных величинах. За начальную отметку принято проектное положение стержня, а амплитуды колебаний приведены на графике в процентах приращений относительно физического нуля. При проведении исследования выявлено, что вертикальный стержневой элемент № 155 подвергается наибольшему вибродинамическому воздействию, чем вертикальный стержневой элемент № 156 с конструктивными мероприятиями защиты.

ВСЭ №156 ВСЭ №155

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Амплитуда колебаний, % Амплитуда колебаний, %

Рисунок 3.35 - Амплитуды колебаний: 1 - опора № 156; 2 - опора № 155

С целью определения вибродинамического воздействия подвижного состава на ВСЭ в период максимального оттаивания произведена проходка шурфов на глубину 1,5 м ниже нулевой отметки согласно рабочей схеме. На глубине 1,5 м у подошвы шурфов, пройденных вплотную к стенкам ВСЭ №155 и №156, установлены сейсмодатчики к стенкам шурфов. Процесс записи колебательного процесса подземной части ВСЭ, вызванного вибродинамическим воздействием подвижного состава, аналогичен наблюдениям надземной части.

Колебательный процесс подземной части ВСЭ №155 и №156 приведен в терминах максимальных скоростей в грунте (м/с). На графиках 3.36 и 3.37 представлены пиковые скорости, зарегистрированные нулевым датчиком, а также датчиком, расположенным в шурфе на отметке «-1,5 м».

Рисунок 3.36 - Максимальные скорости грунта в зоне ВСЭ №156 на отметках «0» м (черный)

и «-1,5 м» (красный) соответственно

Рисунок 3.37 - Максимальные скорости грунта в зоне ВСЭ №155 на отметках «0» м (черный)

и «-1,5 м» (красный) соответственно

Таким образом, приращение амплитуд скоростей грунта говорит о изменении свойств волны при переходе от надземной части к подземной и напрямую характеризует физико-механические свойства грунта.

Анализ колебательного процесса подземной части ВСЭ, погруженной в грунт показал, что наибольшие амплитуды колебаний развиваются в стержне на протяжении периода максимального оттаивания грунта. В зимнее время грунты, слагающие разрез, находятся в мерзлом состоянии. Упругий отпор таких грунтов во много раз превосходит внешние усилия, действующие на ВСЭ. На основании результатов исследований сделан вывод о нулевом уровне амплитуд колебаний подземной части ВСЭ в зимний период.

Исходя из анализа выполненных исследований вибродинамического воздействия подвижного состава на грунты ВСЭ был выведен поправочный сезонный коэффициент D - на снижение прочностных свойств грунтов за счет влияния динамического воздействия транспорта

Си = 2,083 Б e- 0,137 w (3.5)

0=1.00 -зимний период;

Б=0.95 -- осенний период

Э=0.90-летний период;

Э=0.85 - весенний период

3.2 Стабилометрические исследования влияния влажности на изменение прочностных характеристик грунта

Для прогноза состояния оснований зданий и сооружений в условиях глубокого сезонного промерзания пучиноопасных грунтов в случае устройства эффективных конструктивных мероприятий защиты оснований и фундаментов от сил морозного пучения требуется совместная оценка теплофизического и напряженно-деформированного состояния грунтов (НДС) в процессе их промерзания-оттаивания. В случае развития сил морозного пучения в основании объемные деформации грунта различаются как по глубине, так и во времени, притом что механические характеристики различных слоев резко изменяются в ходе промерзания. Осадки являются основной причиной недопустимых деформаций оснований сооружений при оттаивании в районах сезоннопромерзающих и вечномерзлых грунтов. В связи с этим были проведены исследования изменения прочностных и деформационных характеристик грунтов в зависимости от влажности, так как они являются основными показателями осадок оснований зданий и сооружений. Исследования проводились для установления корреляционной зависимости сопротивления сдвигу от влажности, которая закладывается в расчетную модель грунта оттаивающих оснований. Исследования пылеватых суглинков

проводились методом трехосного сжатия по ГОСТ 12248-96 [16] для определения сопротивления не дренирующему сдвигу Си, модуля общей деформации Ео и коэффициента поперечной деформации V для пылевато-

глинистых грунтов Южной части Дальнего Востока. Параметры прочности и деформативности грунтов определялись по результатам стабилометрических испытаний цилиндрических образцов грунта в камере трехосного сжатия автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса АСИС, разработанного в ООО «НПП «Геотек» [4]. На рисунке 3.37 представлено устройство трехосного сжатия, состоящее из рабочей камеры и механизма управления вертикальной нагрузкой и всесторонним давлением. Оснащено тензометрическим датчиком силы, двумя тензометрическими датчиками давления, двумя датчиками линейных перемещений. Управление вертикальной нагрузкой и всестороннее обжатие осуществляется сжатым воздухом.

Рисунок 3.37 - Устройство трехосного сжатия Комплекс АСИС представляет собой совокупность функционально

объединенных механических устройств (приборов), измерительной системы и

программного обеспечения ПО ИВК «АСИС». Основные функциональные

особенности автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса

АСИС следующие:

- автоматическое управление процессом испытаний (нагружением и разгрузкой) образцов грунта в устройствах, входящих в его состав;

- воздействие на испытываемые образцы вертикальными и горизонтальными нагрузками;

- измерения вертикальных и горизонтальных нагрузок, действующих на образцы; измерения вертикальных, горизонтальных и радиальных деформаций образцов;

- обработка результатов измерений, выполнение вычислений и определение характеристик прочности и деформируемости грунтов;

- архивирование и визуализация результатов измерений и вычислений.

Согласно ГОСТ 5180-84 высота образца принималась равной 76 мм, а

диаметр 38 мм. Для определения сопротивления недреннированному сдвигу водонасыщенных грунтов была принята схема неконсолидированно-недренированного испытания. Перед испытаниями и после них проводилось определение влажности образца, которая является основным показателем состояния грунтов.

Испытания проводились сериями, по 6 испытаний с одной влажностью грунта. На рисунке 3.38 приведен результат испытания суглинка текучепластичного при влажности w = 31 %.

Для водонасыщенных грунтов прочность на сдвиг определяется только силами сцепления и выражается как недренированная прочность Си.

По полученным результатам коэффициент сцепления 0.045 МПа, и сопротивление сдвигу составило Си = 0,045 МПа

и

ч о (и 8

Я

£

&

ев

X

0,350,30,250,20,15 0,10,05 0

С„2

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Вертикальная нагрузка, МПа

Рисунок 3.38 - Определение сопротивления сдвигу Си суглинка текучепластичного при влажности н = 31 %

Было проведено более 30 испытаний пылеватых суглинков южной части Дальнего Востока. Исходя из проведенных в лаборатории ДВГУПС и ранее выполненных исследований других авторов [52, 80] определения сопротивления сдвигу глинистых грунтов в зависимости от влажности в широком диапазоне ее изменения был составлен обобщенный график рассеивания (рисунок 3.39).

Влажность н, %

Рисунок 3.39 - График зависимости недренированного сопротивления сдвигу от влажности

Значения недренированного сопротивления сдвигу от влажности изменяются в широком диапазоне. Таким образом, исходя из выполненного исследования, было составлено экспоненциальное уравнение зависимости

сопротивления сдвигу от влажности, которое позволило ограничить круг будущих исследований по разработке численной грунтовой модели в процессе оттаивания:

Си = 2,0833 г"0'137", (3.6)

где w - влажность грунта.

Полученная зависимость позволяет качественно и количественно оценивать изменение картины напряженно-деформированного состояния грунтов оснований. Результаты исследований установления корреляционной зависимости сопротивления сдвигу от влажности позволили разработать расчетную модель грунта оснований в процессе оттаивания транспортных сооружений и их оснований для численного моделирования методом конечных элементов работы надежных конструкций. По полученной зависимости становится возможным установить предел текучести грунта в зависимости от его влажности и температуры.

3.3 Составные части и регламент геотехнической диагностики работы вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах

Геотехническая диагностика (мониторинг) вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах - комплекс работ, основанный на натурных наблюдениях за поведением конструкций вновь возводимого или реконструируемого сооружения, его основания, в том числе грунтового массива, окружающего (вмещающего) сооружение, и конструкций сооружений окружающей застройки. [СП 22.13330.2011, пункт 12.1]

Целью геотехнической диагностики является обеспечение безопасности строительства и эксплуатационной надежности объектов нового строительства или реконструкции и сооружений окружающей застройки за счет своевременного выявления изменения контролируемых параметров конструкций и грунтов оснований, которые могут привести к переходу объектов в ограниченно работоспособное или аварийное состояние.

Геотехнический диагностика вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах осуществляют в соответствии с программой, которая разрабатывается и утверждается в составе проектной документации.

Программой геотехнической диагностики вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах определяются состав, объемы, периодичность и методы работ с учетом инженерных изысканий на площадке строительства, конструктивных решений. При разработке программы геотехнической диагностики следует руководствоваться требованиями СП 22.13330.2011 (пункты 12.8 и 12.9).

К контролируемым параметрам при геотехнической диагностике вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах относятся: осадки фундаментов и крен; температура и влажность грунта; амплитуда колебаний ВСЭ.

Регламент диагностика работы вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах состоит трех блоков.

В первом блоке исследований проводится геодезическая съемка, в которой определяются:

1. отметки земной поверхности;

2. величины вертикальных и горизонтальных отклонений от эксплуатационных и проектных положений вертикальных стержневых элементов;

3. глубина заложения фундаментов ВСЭ.

В втором блоке исследований проводятся:

1. работы по георадарному обследованию для определения границ раздела геологических слоев;

2. сейсмопрофилированию и сейсмозондированию для определения физико-механических свойств грунтов,

3. измерение температур температуры грунтов основания вертикальных стержневых элементов в течение разных сезонов года;

4. Вибрационные обследования проводят в целях получения фактических данных об уровнях амплитуд колебаний ВСЭ и конструкций фундаментов в течение разных сезонов года при наличии динамических воздействий от транспорта;

5. лабораторным исследованиям грунтов основания.

Во третьем блоке исследований проводятся:

1. численное моделирование методом конечных элементов существующего теплофизического и напряженно-деформированного состояния грунтов основания ВСЭ по предлагаемой модели;

2. численное моделирование методом конечных элементов конструкции фундаментной части ВСЭ, позволяющей снизить или исключить их деформации.

3.4 Выводы по главеЗ

1. При исследовании грунтов основания традиционными методами инженерно-геологического обследования сложно определить реальное распределение деформационных и прочностных характеристик грунта.

2. По результатам экспериментального комплексного исследования с использованием георадарного обследования и сейсмозондирования определены: границы раздела геологических слоев; распределение деформационных и прочностных характеристик грунта с учетом образования неоднородных областей; глубина заложения фундаментов вертикальных стержневых элементов. Построен инженерно-гелогический разрез основания вертикального стержневого элемента.

3. Для прогноза состояния оснований ВСЭ в условиях глубокого сезонного промерзания пучиноопасных грунтов в случае устройства эффективных конструктивных мероприятий защиты оснований и фундаментов от сил морозного пучения требуется совместная оценка теплофизического и

напряженно-деформированного состояния грунтов (НДС) в процессе их промерзания-оттаивания.

3. Для установления корреляционной зависимости сопротивления сдвигу от влажности проводились исследования в стабилометрическом приборе. Эта зависимость закладывается в расчетную модель грунта оттаивающих оснований ВСЭ. Полученная зависимость позволяет более качественно и количественно оценивать напряженно-деформированное состояние грунтов оснований ВСЭ. Результаты исследований установления корреляционной зависимости сопротивления сдвигу от влажности позволили разработать расчетную модель грунта оснований в процессе оттаивания транспортных сооружений и их оснований для численного моделирования методом конечных элементов.

4. Предложены составные части и регламент геотехнической диагностики работы вертикальных стержневых элементов в сезоннопромерзающих грунтах в годовом цикле работы.

ГЛАВА 4

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТОВ С ФУНДАМЕНТАМИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1 Численное моделирование миграционного процесса влаги

Промерзание, морозное пучение и оттаивание влажного грунта являются сложными термодинамическими процессами в промерзающих основаниях. Количественная оценка деформаций грунтов, связанных с морозным пучением и оттаиванием, является одной из сложных задач геомеханики. Основной трудностью решения указанной задачи является необходимость учета изменения состояния грунтов промерзающего и оттаивающего основания и теплофизических характеристик среды в условиях нестационарного состояния. В процессе промерзания и оттаивания одновременно с изменением температурного поля имеет место миграция влаги к фронту промерзания.

При проведении исследований процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания целесообразно учитывать зависимость относительной деформации морозного пучения от скорости промерзания грунтов основания, так как процесс морозного пучения в значительной степени обусловлен миграционным подсосом влаги от уровня подземных вод к фронту промерзания. Чем медленнее скорость перемещения фронта промерзания, тем больше влаги переносится к фронту промерзания, что вызывает значительные деформации морозного пучения промерзающего основания.

Исследования отечественных ученых (Н.А. Цытович, Я.А Кроник, В.Ф. Киселев, Б.И.Далматов, Н.Н. Морарескул и др.) показывают, что основным процессом в промерзающих грунтах является перераспределение в них влажности вследствие миграции воды при промерзании. При замерзании воды в грунте изменяются характеристики грунта и его физико-механические

свойства. Для анализа изменения характеристик грунта при миграции влаги во время процесса промерзания/оттаивания были проведены исследования и составлены уравнения зависимости сопротивления сдвигу от влажности и от скорости промерзания.

Численное моделирование производилось в программном комплексе «FEM-models», разработанном геотехниками Санкт-Петербурга под руководством профессора В.М.Улицкого. Составной частью «FEM-models» является программа «Termoground», которая позволяет исследовать с помощью численного моделирования в пространственной постановке процессы промерзания, морозного пучения и оттаивания в годичном цикле методом конечных элементов. Решение задачи численного моделирования процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания проводится в два этапа. Первоначально решается теплотехническая задача, в результате которой определяются температурные и влажностные поля на каждый период времени. Вторым этапом решается задача определения напряженно-деформационного состояния грунтов основания в процессе морозного пучения и оттаивания.

На основании многочисленных наблюдений за колебанием грунтовых вод на территории России с сезонным промерзанием грунтов в годовом цикле колебания уровня грунтовых вод наблюдаются два максимума: весенний и осенний. Весенний максимум в большинстве случаев характеризует наивысшее положение уровня в годовом цикле.

При решении теплофизической задачи промерзания грунта методами численного моделирования рассматривались варианты с разным уровнем грунтовых вод и различной скоростью промерзания. Исследования выполнялись для пылеватого суглинка тугопластичной консистенции как наиболее распространенного для южных районов Дальнего Востока.

В задачах численного моделирования рассматривалась различная скорость промерзания грунта со среднемесячной температурой воздуха от -2 до -9 °С соответствующая интервалу перехода промерзающего грунта в мерзлое состояние.

Уровень грунтовых вод варьировался в интервале от 1 до 2,5 м от дневной поверхности.

На рисунке 4.1 представлен график изменения температуры в годичном цикле на глубине 0-2 м от поверхности грунта. Среднемесячная температура окружающего воздуха была принята для г. Хабаровска.

25 20 15 10 5 О -5 -10 -15 -20 -25