Напружено-деформований стан шаруватих ґрунтових основ при взаємодії із транспортними спорудами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури

УДК 624.131.383.042/.044

05.23.02 - основи та фундаменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Напружено-деформований стан

шаруватих ґрунтових основ

при взаємодії із транспортними спорудами

Селіхова Тетяна Олександрівна

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Петренко Володимир Дмитрович, завідувач кафедри "Тунелі, основи та фундаменти", Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України.

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор Сєдін Володимир Леонідович, професор кафедри "Основи та фундаменти" Придніпровської державної академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України;

– кандидат технічних наук, доцент Біда Сергій Васильович, доцент кафедри видобування нафти і газу та геотехніки Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства науки та освіти України.

Провідна організація:

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ основ та фундаментів будівель і споруд у складних інженерно-геологічних умовах Міністерства будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України, м. Київ.

Захист відбудеться 22 лютого 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розісланий січня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К.В. Баташева

Анотації

Селіхова Т.О. Напружено-деформований стан шаруватих ґрунтових основ при взаємодії із транспортними спорудами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 - основи і фундаменти. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню напружено-деформованого стану шаруватих ґрунтових основ при взаємодії із транспортними спорудами.

Проведено аналіз моделювання взаємодії фундаменту з основою за допомогою методу скінченних елементів залежно від його жорсткості. Для показника гнучкості по Горбунову-Посадову теоретично визначена закономірність його зміни від розмірів фундаменту і його товщини.

Обґрунтовано вплив розташування одиничного шару по висоті моделі основи на його напружено-деформований стан у випадку навантаження та власної ваги. З результатів чисельного аналізу зроблений висновок про зменшення впливу слабкого шару на напруження й переміщення ґрунтової матриці в тому випадку, якщо його границі виходять за зону ізополів напружень і деформацій від навантаження.

Проведеними промисловими випробуваннями транспортних споруд на шаруватих основах доведено високий рівень адекватності розроблених автором аналітичних моделей промисловим випробуванням, що вказує на наявність досить правильного відображення властивостей реальної системи "споруда-основа" у чисельних розрахунках, результати яких можна вважати достовірними. фундамент жорсткість навантаження

Ключові слова: шарувата основа, напруження, деформація, моделювання, шляхопровід.

Селихова Т.А. Напряженно-деформированное состояние слоистых грунтовых оснований при взаимодействии с транспортными сооружениями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - основания и фундаменты. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния слоистых грунтовых оснований при взаимодействии с транспортными сооружениями.

В работе доказано, что наиболее правомерным в исследовании напряженно-деформированного состояния слоистых оснований является подход, базирующийся на рассмотрении совокупности частей "сооружение-основание". Разработаны теоретические положения и практические рекомендации по учету специфических особенностей модели основания. Приведены положения о дискретизации модели на конечные элементы, которые увеличивают точность расчета, а также проведен численный анализ моделей с различными видами закреплений.

Проведен анализ моделирования взаимодействия фундамента с основанием с помощью метода конечных элементов в зависимости от его жесткости. Для показателя гибкости по Горбунову-Посадову теоретически определена закономерность его изменения от размеров фундамента и его толщины.

Обосновано влияние расположения единичного слоя по высоте модели основания на его напряженно-деформированное состояние в случае нагрузки и собственного веса. Из результатов численного анализа сделан вывод об уменьшении влияния слабого слоя на напряжения и перемещения грунтовой матрицы в том случае, если его границы выходят из зоны изополей напряжений и деформаций от нагрузки. Впервые проведен анализ модели слоистого основания в случае линзы слабого грунта МКЭ, внедренной в матрицу с большими деформационными характеристиками.

Проведенными промышленными испытаниями транспортных сооружений на слоистых основаниях доказано, что работа таких сооружений отличается сложностью поведения конструкций мостовых и тоннельных путепроводов, влиянием неоднозначных воздействий и практически зависит от прямого воздействия подвижного состава в случае тоннельных путепроводов.

При сравнении результатов численных расчетов с полученными данными испытаний подтверждена высокая степень адекватности разработанных автором моделей реальному промышленному эксперименту. Это указывает на наличие достаточно высокой степени отражения свойств реальной системы "сооружение-основание" в численных расчетах, результаты которых можно считать достоверными.

Ключевые слова: слоистое основание, напряжение, деформация, моделирование, путепровод.

Selikhova T.A. Tensed and deformed state of the stratified ground bases with regards to transport structures. - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of a candidate of engineering on the specialty 05.23.02 - footing and foundations. - Pridneprovsk State Academy of Construction and Architecture, Dnepropetrovsk, 2006.

Theoretical positions and practical recommendations on the account of model specific features of base model are developed in work. Positions about model discretisation on finite elements, which multiply exactness of calculation, are resulted, and the numerical analysis of models with different types of fixings is conducted.

The analysis of design of interaction of foundation with base by finite elements method in depending on his inflexibility is conducted. For the index of flexibility on Gorbunov-Posadov conformity to the law of his change from the sizes of foundation and his thickness is certain in theory.

Influence of single layer location on the height of base model on his tensed and deformed state in the case of loading and own weight is grounded.

By the conducted industrial tests of transport structures on the stratified bases is proved, that work of such structures differs by complication of behavior of bridge and tunnel constructions, by influencing of ambiguous actions and practically depends on direct effect of rolling stock in the case of tunnel overpasses.

At comparison of numeral calculations results with findings of tests the high degree of adequacy of the developed by the author models is confirmed, that specifies in the presence of high enough degree of reflection of the real system "structure-foundation" properties in numeral calculations, the results of which can be considered reliable.

Keywords: stratified base, tension, deformation, simulation, overpass.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток транспортного будівництва в Україні, яке пов'язане зі спорудженням швидкісних магістралей із підвищенням об'ємів промислових перевезень, визначає виникнення проблеми розрахунку транспортних споруд на основах, представлених шаруватими ґрунтовими формаціями. У зв'язку із цим серйозне значення має забезпечення умов нормальної експлуатації таких споруд, що викликано негативними явищами, які притаманні складним транспортним об'єктам.

Одним зі шляхів рішення даної проблеми є максимальне урахування специфічних властивостей шаруватих ґрунтових основ, які взаємодіють із транспортними спорудами, що забезпечує найбільш повне знання й можливе прогнозування поводження системи "транспортна споруда-ґрунтова основа". Існуючі на сьогоднішній день методи розрахунку основ не дозволяють одержати надійні та достовірні результати у випадку шаруватих ґрунтових основ. Тому задача, яка полягає в дослідженні напружено-деформованого стану таких основ і вирішується в дисертаційній роботі, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до теми науково-дослідних робіт Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна (ДНУЗТ) "Розробка методу діагностики та критеріїв оцінки стану земляного полотна залізничної колії для підготовки визначення видів і термінів ремонтних робіт з використанням комп'ютеризованої системи" (номер державної реєстрації 0103U003006).

Мета й задачі дослідження. Метою даної роботи є визначення напружено-деформованого стану шаруватих ґрунтових основ при взаємодії із транспортними спорудами, зокрема шляхопроводів тунельного і мостового типів.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані й вирішені наступні задачі:

1. Проаналізовано сучасні підходи до проблеми визначення напружено-деформованого стану системи "споруда-основа" транспортних споруд із шаруватими ґрунтовими основами.

2. Застосовано адекватний розв'язуваній задачі метод дослідження, розроблені теоретичні положення й практичні рекомендації з урахування специфічних особливостей моделей основи при визначенні їх напружено-деформованого стану (НДС) за допомогою методу скінченних елементів (МСЕ).

3. Проведено аналіз моделювання взаємодії фундаментів транспортної споруди із шаруватою основою із застосуванням МСЕ залежно від їхньої жорсткості та з урахуванням показника гнучкості за Горбуновим-Посадовим, а також теоретично визначена закономірність його зміни залежно від розмірів фундаменту і його товщини.

4. Досліджено вплив розташування одиничного шару по висоті моделі основи, а також вплив його деформаційних характеристик на напружено-деформований стан системи "фундамент-шарувата основа".

5. Проведено промислові випробування конструкцій мостових і тунельних шляхопроводів на шаруватих основах з урахуванням взаємодії в системі "споруда-основа" та розроблено методику розрахунку реальних транспортних споруд на шаруватих основах.

Об'єктом дослідження є шаруваті ґрунтові основи транспортних споруд.

Предметом дослідження є напружено-деформований стан шаруватих ґрунтових основ при взаємодії їх із транспортними інженерними спорудами.

В якості методів досліджень були обрані: метод аналізу й узагальнення даних, які наведені у наукових літературних джерелах по досліджуваному питанню, методи лабораторних і промислових досліджень і метод скінченних елементів. Дані лабораторних випробувань були отримані в галузевій науково-дослідній лабораторії механіки ґрунтів ДНУЗТа. Дані промислових досліджень являли собою результати випробувань, проведених на транспортних спорудах Криворізького гірничо-металургійного комбінату (КГМК).

Наукова новизна отриманих результатів відбита в наукових положеннях, розроблених і сформульованих автором:

1. На основі аналізу показника гнучкості за Горбуновим-Посадовим доведено, що з розмірами фундаменту він зв'язаний наступними залежностями - експоненціальною у випадку балочних і поліноміальною другого порядку у випадку плитних фундаментів, причому точність апроксимації отриманих графіків підтверджує наявність функціональної залежності.

2. За допомогою методу скінченних елементів доведено, що вплив слабкого шару на зміну напружень і переміщень основи практично припиняється у випадку, коли шар лежить нижче мінімальної ізолінії напружень від активного навантаження фундаменту.

В роботі дістало подальший розвиток застосування показника гнучкості за Горбуновим-Посадовим при дослідженні НДС шаруватих основ за допомогою МСЕ, розвинена пружно-пластична модель шару кінцевої товщини для випадку шаруватих основ, а також удосконалено процес дослідження основ при взаємодії із транспортними спорудами.

Практичне значення отриманих результатів. Використання отриманих результатів в інженерній практиці дозволяє:

- на стадії проектування транспортної споруди обґрунтовано прогнозувати напружено-деформований стан споруди на шаруватих основах;

- при дослідженні основи найбільш повно враховувати специфічні властивості її напруженого стану при взаємодії з конструкцією транспортної споруди;

- розробити методику розрахунку транспортних споруд різного класу складності в інженерно-геологічних умовах з різним ступенем неоднорідності ґрунтів.

Особистий внесок здобувача. Автором розроблені методики розрахунку реальних транспортних споруд у вигляді шляхопроводів мостового й тунельного типів і проведені практичні розрахунки й лабораторні випробування ґрунтів.

В спільних роботах автором виконано аналіз та постановка задачі [1, 2, 5, 15], проведені числові розрахунки МСЕ та їх аналітична обробка [4, 6, 7, 9, 16], розроблені теоретичні положення досліджень [3, 10, 11, 17] та наведені практичні рекомендації [13, 14].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення й результати дисертаційної роботи доповідалися на наступних наукових конференціях, симпозіумах і семінарах: Всеукраїнська науково-практична конференція "Підвищення надійності й довговічності конструкцій мостів", м. Дніпропетровськ, жовтень 2004 р.; П'ята Всеукраїнська науково-технічна конференція "Механіка ґрунтів, геотехніка й фундаментобудування", м. Одеса, листопад 2004 р.; 65 Міжнародна науково-практична конференція "Проблеми й перспективи розвитку залізничного транспорту", м. Дніпропетровськ, травень 2005 р.; Регіональна науково-практична школа-семінар "Прогресивні технології будівництва, безпеки і реструктуризації гірничих підприємств", 24-26 листопада 2005 р., м. Донецьк.

Робота обговорювалася на засіданнях кафедр "Тунелі, основи та фундаменти" ДНУЗТа, "Основи та фундаменти" Придніпровської державної академії будівництва й архітектури та відділа основ та фундаментів будівель і споруд у складних інженерно-геологічних умовах Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 17 наукових праць, у тому числі: статей у фахових виданнях - 12, статей у нефахових виданнях - 1, тез конференцій - 4.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг - 198 сторінок, з них 152 сторінки основного тексту, 51 рисунок на 46 сторінках, 10 таблиць на 10 сторінках, список використаних джерел з 118 найменувань на 10 сторінках й 2 додатки на 36 сторінках.

Зміст роботи

У першому розділі наведений аналіз виконаних раніше досліджень у галузі будівництва й експлуатації транспортних споруд в складних інженерно-геологічних умовах. Проаналізовано наслідки будівництва й експлуатації транспортних споруд на шаруватих основах, які свідчать про актуальність пошуку рішень у питанні визначення напружено-деформованого стану (НДС) таких основ з урахуванням їх взаємодії із зазначеними конструкціями. Причому прогнозування поведінки системи "споруда-основа" дозволить наперед, на стадії проектування, одержати ґрунтовну і повну інформацію про можливі наслідки такої взаємодії і оперативно застосувати раціональні способи їх коректування для поліпшення експлуатаційних властивостей споруди.

Різноманітність складних інженерно-геологічних умов доводить особливу важливість розрахунку шаруватих, структурно-нестійких і слабких ґрунтових підстав. Слід зазначити, що через відсутність надійної інформації про складні інженерно-геологічні умови транспортних споруд розуміння найважливіших процесів, що відбуваються при взаємодії навантажень з ґрунтовими основами, часто буває утруднене. Як наслідок, є обмежені можливості прогнозування основних факторів цієї взаємодії. Причому вказані складнощі пов'язані із стадіями як проектування і розрахунку, так і спорудження конструкцій. При цьому навіть достатній об'єм знань про конструктивні особливості транспортної споруди в цілому не вирішує проблеми її поведінки при взаємодії з основами, які представлені шаруватими ґрунтами. Відсутність репрезентативної інформації або недостатня вивченість питань взаємодії в системі "транспортна споруда-ґрунтовий масив" приводить до негативних наслідків в процесі експлуатації такої споруди.

Критичний аналіз аналітичних і числових методів розрахунку основ показав недоцільність застосування аналітичних методів, однобічна спрямованість яких, що полягає у використанні моделей, які майже вичерпали себе, свідчить про недостатність наукового обґрунтування підходу до проблеми визначення НДС системи "споруда-основа". Визначено, що основною проблемою в розрахунках НДС основ за допомогою методу скінченних елементів (МСЕ) є використання моделей, властивих аналітичним методам розрахунку без їхньої найменшої модернізації, поліпшення й уточнення.

Розгляд проблеми дослідження НДС шаруватих основ при дії транспортного навантаження, розробка нових моделей таких основ за допомогою МСЕ, а також аналіз робіт в області взаємодії фундаменту й основи, викладених в працях С.В. Біди, О.К. Бугрова, Є.Ф. Винокурова, С.С. Вялова, М.Н. Гольдштейна, М.І. Горбунова-Посадова, Б.І. Далматова, К.Е. Єгорова, М.Л. Зоценка, Ю.О. Кірічека, С.М. Клепікова, С.Г. Кушнера, Т.В. Маркеловой, В.Л. Сєдіна, П.Л. Пастернака, В.Н. Парамонова, О.О. Петракова, А.В. Пілягина, С.Б. Ухова, В.Б. Швеця, В.Г. Шаповала, О.В. Школи й інших учених створило умови вірної постановки задачі й знаходження можливих шляхів її рішення.

Установлено, що найбільш плідним у дослідженні напружено-деформованого стану шаруватих і структурно-нестійких основ є підхід, що базується на розгляді системи "споруда-основа" у цілому. Для реалізації досліджень при такому підході необхідно застосовувати найбільш сучасний й адекватний метод досліджень у вигляді математичного моделювання на основі МСЕ.

У другому розділі виявлені особливості моделювання основи в розрахунках МСЕ й розроблені теоретичні положення, а також практичні рекомендації з їхнього урахування. Проведено числовий аналіз моделей з різними видами закріплень, який довів, що довільність у виборі закріплення або формальний підхід до побудови моделей системи "споруда-основа" навіть із позицій фундаментальних положень механіки суцільного середовища й механіки ґрунтів ведуть до одержання неадекватних дійсності даних, що доведено порівнянням результатів з тестовими задачами. У той же час аналіз фізичної картини поводження системи дає можливість побудови моделі, яка найбільш адекватна реальним умовам.

Надані практичні рекомендації з дискретизації скінченно-елементної моделі, а також аналітично й за допомогою числового аналізу доведено, що застосування просторової моделі з об'ємних елементів дає більш точні результати дослідження з порівняння із плоскою.

Проведено аналіз моделювання взаємодії фундаменту з основою МСЕ залежно від їхньої жорсткості. Для показника гнучкості по Горбунову-Посадову теоретично визначена закономірність його зміни залежно від розмірів фундаменту і його товщини. Це надає можливість раціонального проектування фундаментів із заданою жорсткістю та прогнозування його взаємодії з основою. Аналіз діаграм залежності показника гнучкості від розмірів фундаменту показав, що при постійному класі бетону можна, досліджуючи зворотну залежність показника гнучкості від товщини фундаменту, керувати геометричними розмірами фундаменту, домагаючись його проектування з необхідними властивостями. На рис. 1-2 показані залежності апроксимації показника гнучкості від розмірів фундаменту в плані і його товщині.

Рівняння тренда залежності показника гнучкості t (для балочних фундаментів) - експоненціальне:

,

де - деякий коефіцієнт, - напівдовжина фундаменту.

Пошук оптимальної жорсткості фундаменту зводиться до пошуку розподілу коефіцієнта в прямій задачі (визначення показника жорсткості в множині фундаментів з різними геометричними розмірами) або коефіцієнтів й у зворотній задачі (прогнозування жорсткості фундаменту відповідно до геометричних розмірів).

Для фундаментів, які можна вважати плитами, також проведений аналіз зміни показника гнучкості по Горбунову-Посадову. На рис. 3 наведена зведена діаграма залежності показника гнучкості для плитних фундаментів від розмірів фундаментів (3Ч 3, 3Ч 4, 3Ч 5, 3Ч 6, 3Ч 7, 3Ч 8, 3Ч 9, 3Ч 10 м) з бетону класу В 30 (модуль деформації 33,1·106 кПа), основою для яких є суглинок щільний (модуль деформації 52·103 кПа).

При застосуванні умови , установлено, що всі фундаменти, крім фундаментів 3Ч 8 м з товщиною 0,2 м й 3Ч 9 м з товщинами 0,2 й 0,3 м, є жорсткими плитами. Для більшої наочності побудований графік залежності показника гнучкості від розмірів фундаменту для різних товщин і проведена його апроксимація. Рівняння тренда носить характер полінома другого порядку типу , де , і - деякі коефіцієнти, причому достовірність апроксимації дорівнює R2=1, що вказує на наявність функціональної залежності й свідчить про загальний зв'язок представлених графіків.

Для розглянутих випадків неоднозначних взаємодій транспортних споруд і шаруватої основи розроблені моделі, які найбільше адекватно відповідають положенням концепції "споруда-основа" і застосовуються для розрахунків реальних споруд

Розроблені автором моделі найбільше повно відповідають концепції "споруда-основа" і тому вони адекватні реальним спорудам, що є основою для більш точного аналізу НДС і взаємодій споруди й основи.

У третьому розділі наведені результати теоретичної реалізації авторської методики розрахунку транспортних споруд на шаруватих основах. Причому обґрунтовано доцільність застосування пружно-пластичної моделі основи для дослідження НДС системи "споруда-основа" і наведені положення її практичного використання при вирішенні задачі МСЕ. Деформування ґрунтів в умовах складного напруженого стану визначається наступними нелінійними залежностями:

(1)

де , - відповідно середні напруження й деформація в точці (деякому одиничному об'ємі); , - відповідно інтенсивності напружень і деформацій в i-й точці (деякому одиничному об'ємі); , - відповідно параметри Надаї-Лоде для виду напруженого й деформованого станів.

Для розрахунків на основі пружно-пластичної моделі автором обрана умова течії, що описується критерієм Кулона-Мору:

, (2)

де

міцність на одноосьовий стиск (С - питоме зчеплення; - кут внутрішнього тертя); - індекси напружень.

Залежність між напруженнями та деформаціями при пружно-пластичному деформуванні, яка записана автором, в рівняннях МСЕ має наступний вигляд (рис. 5.):

. (3)

або в скороченому матричному виді

, (4)

де - модуль пружності; - матриця зміненої жорсткості; - стовпчик деформацій.

Проведено порівняльний числовий аналіз МСЕ декількох випадків шаруватої основи, причому рішення задачі виконується в пружно-пластичній постановці на основі змішаної задачі теорії пружності й пластичності. На рис. 6 представлено результати розрахунків восьми варіацій розташування шару по висоті (варіації № 1 й № 4 опущені). Розміщення шарів у варіаціях таке: нульова варіація - шар відсутній; 1-я варіація - шар розташований на глибині 0 м; 2-я варіація - шар розташований на глибині 1 м; 3-я варіація - шар розташований на глибині 1,5 м; 4-я варіація - шар розташований на глибині 2 м; 5-я варіація - шар розташований на глибині 3 м; 6-я варіація - шар розташований на глибині 3,5 м; 7-я варіація - шар розташований на глибині 4 м.

На основі виконаного аналізу можна відзначити, що вплив слабкого шару на зміну напружень основи практично припиняється у випадку, коли шар лежить нижче останньої (мінімальної) ізолінії напружень від активного навантаження фундаменту. Це положення доводиться результатами порівняльного аналізу нульової й 7-й варіацій, поширення ізополів й ізоліній напружень яких ідентично (відносна розбіжність варіацій не більше 3 %), що свідчить про вірність висунутого наукового положення. Також досліджений вплив деформаційних характеристик шару на розподіл напружень і переміщень основи й зроблений висновок про значний вплив зміни деформаційних характеристик основи на дані параметри.

Проведено числовий аналіз впливу товщини одиничного слабкого шару на зміну НДС основи, який довів, що варіація його товщини спричиняє зміну переміщень у вигляді зломів ізоліній, що характеризується впливом деформаційних характеристик шарів, і негативно відображається на загальній картині деформованого стану, перетворюючи однорідну картину поширення даного параметра в неоднорідну. Слід також зазначити, що найбільше характерно неоднорідність деформованого стану проявляється в зломах ізоліній у межах шару, а також у тенденції розширення площі переміщень у границях слабкого шару.

Уперше на основі МСЕ розроблена модель шаруватої основи у вигляді лінзи, що дозволило досліджувати споруди, які характеризуються нерівномірними осадками, що досить складно прогнозувати й досліджувати. Результати аналізу дозволили зробити висновок, що вплив лінзи слабкого ґрунту на НДС основи значно і його облік більш повно відображає реальні особливості взаємодії фундаменту й основи.

У четвертому розділі наведено результати промислових випробувань транспортних споруд на шаруватих основах, основним завданням яких було одержання інформації про міцність і жорсткість конструкцій тунельного шляхопроводу при його деформуванні під дією експлуатаційного навантаження й залежностей переміщень конструкції у взаємодії із ґрунтом. Були проведені наступні серії випробувань на Криворізькому гірничо-металургійному комбінаті (КГМК):

1. Випробування шляхопроводу тунельного типу (одноочковий, серія № 1).

2. Випробування шляхопроводу тунельного типу (двохочковий, серія № 2).

3. Випробування шляхопроводу мостового типу (серія №3).

У випадку шляхопроводу мостового типу для виміру осадок фундаменту застосовувалася інструментальна зйомка теодолітом 2Т-30 з використанням осадкових марок, які укріплювалися на обрізі фундаменту.

Результати статичних випробувань для всіх серій свідчать про достатню міцність і несучу здатність шляхопроводів, а також малу деформативність ґрунтового масиву основи. Після переходу від фібрових деформацій внутрішньої поверхні до напружень у серіях випробувань № 1 й 2 отримані напруження в елементах конструкції. Напруження від випробного навантаження не перевищують 0,3 МПа, що свідчить про достатню міцність цих елементів і конструкцію шляхопроводів для серій випробувань № 1 й 2 можна вважати абсолютно жорсткою.

Для більш повного аналізу поводження транспортних споруд на шаруватих основах крім їхніх випробувань були проведені лабораторні дослідження ґрунтів шаруватої основи з метою визначення наступних характеристик: 1) вологість; 2) густина; 3) міцностні параметри. Слід зазначити, що дані про міцностні параметри одержані в результаті стабілометричних випробувань. Були визначені величини усередненого кута внутрішнього тертя ц (градуси): для суглинків - 11…14°; для глин - 16…19°; питомого зчеплення С, (МПа): для суглинків - 0,045; для глин - 0,11, а також усередненого модуля деформації Е: для суглинків - 35,3…37,6 МПа, для глин - 56,2…59,8 МПа.

Використання визначених лабораторно властивостей ґрунтів при моделюванні шаруватих основ за допомогою МСЕ дає можливість побудувати залежність переміщень споруди у кожному конкретному випадку, що дозволяє надалі прогнозувати такі явища і на інших спорудах подібного типу.

У п'ятому розділі автором проведено дослідження реальних конструкцій шляхопроводів тунельного й мостового типів з урахуванням взаємодії в системі "споруда-основа". У таблицях 1-2 наведені результати порівняння параметрів шляхопроводу тунельного і мостового типів, одержані в ході промислових випробувань і математичного моделювання МСЕ.

Таблиця 1 Результати порівняння параметрів шляхопроводу тунельного типу

Показник	Переміщення перекриття по вертикальної осі, мм
	Тепловоз ТЕМ 2М	Два піввагони
Результат промислових випробувань	2,48	0,756
Результат математичного моделювання	2,69	0,91
Відносна похибка д, %	7,8	16,9

Таблиця 2 Результати порівняння параметрів шляхопроводу мостового типу

Показник	Переміщення по вертикальній осі на обрізі фундаменту, мм
	Тепловоз ТЕМ 2М	Два піввагони
Результат промислових випробувань	14,26	13,94
Результат математичного моделювання	16,55	15,91
Відносна похибка д, %	13,8	12,4

Отримані значення відносної похибки у випадку тунельного шляхопроводу коливаються від 7,8 до 16,9 %, а у випадку мостового шляхопроводу - від 9,4 до 14,5 %. Отримані величини свідчать про достатню міру достовірності результатів розрахунків на основі запропонованих моделей. При порівнянні результатів чисельних розрахунків з даними випробувань підтверджується високий ступінь адекватності розроблених автором моделей чисельних розрахунків промисловим випробуванням. Отримані незначні розбіжності (до 16,9 %) підтверджують наявність досить високого ступеня відображення властивостей реальної системи "споруда-основа" у числових розрахунках, результати яких можна вважати достовірними. Економічний ефект дисертаційної роботи складає в грошовому еквіваленті 12 тисяч 950 гривень.

Висновки

У дисертаційній роботі наведено нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що укладається у визначенні напружено-деформованого стану шаруватих ґрунтових основ при взаємодії із транспортними спорудами типу мостових і тунельних шляхопроводів.

Загальними висновками й рекомендаціями, у яких відображені головні наукові й практичні результати, є:

1. Проаналізована проблема роботи транспортних споруд на шаруватих основах свідчить про актуальність дослідження поводження споруд при взаємодії з такими основами.

2. Аналіз методів розрахунку основ показав доцільність застосування числових методів дослідження напружено-деформованого стану шаруватої основи. Для виконання досліджень при такому підході необхідно застосовувати найбільш сучасний й адекватний метод у вигляді математичного моделювання на основі методу скінченних елементів.

3. Доведено, що найбільш правомірним підходом у дослідженні напружено-деформованого стану шаруватих і структурно-нестійких основ є підхід, який базується на розгляді сукупності частин "споруда-основа".

4. У роботі розроблено теоретичні положення й практичні рекомендації з обліку специфічних особливостей моделі основи, наведені положення дискретизації моделі на СЕ, які збільшують точність розрахунку, а також проведений числовий аналіз моделей з різними видами закріплень. З'ясовано, що довільність у виборі закріплення або формальний підхід до цього питання ведуть до одержання неадекватних дійсності даних, що підтверджено порівнянням результатів з тестовими завданнями. Теоретично й за допомогою числового аналізу доведено, що застосування просторової моделі з об'ємних елементів дає більш точні результати дослідження з порівнянням із плоскою.

5. Проведено аналіз моделювання взаємодії фундаменту з основою МСЕ залежно від його жорсткості. Для показника гнучкості по Горбунову-Посадову теоретично визначена закономірність його зміни від розмірів фундаменту і його товщини, що дає можливість раціонального проектування фундаментів із заданою жорсткістю при наявності прогнозування його взаємодії з основою. Проведено числовий аналіз фундаментів з різними показниками гнучкості, результати якого довели важливість впливу їхньої жорсткості на контакті із основою й, як наслідок, встановлений характер розподілу напружень і переміщень ґрунтового шаруватого масиву.

6. На основі критичного аналізу аналітичних моделей розвинена модель шару кінцевої товщини, що реалізована на основі МСЕ. Проведений числовий аналіз варіації товщини моделі довів правомірність критеріїв визначення границь кінцевого шару МСЕ. Надано практичні рекомендації з визначення її раціональних розмірів, які не впливають негативно на адекватність одержаних результатів дійсним параметрам НДС системи "споруда-основа".

7. Обґрунтовано вплив розташування одиничного шару по висоті моделі основи на його НДС у випадку дії навантаження й власної ваги. З результатів числового аналізу зроблений висновок про зменшення впливу слабкого шару на напруження й переміщення ґрунтової матриці в тому випадку, якщо його границі виходять із зони ізополів напружень і деформацій від навантаження. Досліджено також вплив деформаційних характеристик шару на розподіл напружень і переміщень основи.

8. Проведено числовий аналіз впливу товщини одиничного слабкого шару на зміну НДС основи, в якому доведено, що ця варіація впливає на таку зміну. Уперше виконано аналіз моделі шаруватої основи у випадку слабкої лінзи МСЕ. Результати аналізу дозволили зробити висновок, що вплив лінзи на НДС основи суттєвий і його облік більш повно відображає реальні особливості взаємодії фундаменту й основи.

9. Проведеними промисловими випробуваннями транспортних споруд на шаруватих основах доведено, що робота таких споруд відрізняється складністю поводження конструкцій мостових і тунельних шляхопроводів, діянням неоднозначних впливів і практично залежить від прямої дії рухомого складу у випадку тунельних шляхопроводів.

10. Розроблено моделі МСЕ шляхопроводів мостового й тунельного типу для умов неоднозначних взаємодій і проведено дослідження їхніх реальних конструкцій з урахуванням взаємодії в системі "споруда-основа". Аналіз отриманих результатів дозволив виділити особливості формування НДС цих конструкцій у взаємодії із ґрунтовою основою й довести правильність розроблених авторських положень.

11. При порівнянні результатів числових розрахунків з отриманими даними випробувань підтверджений високий ступінь адекватності розроблених автором моделей реальним транспортним спорудам, що вказує на наявність досить високого ступеня відображення властивостей реальної системи "споруда-основа" у числових розрахунках, результати яких можна вважати достовірними.

Список опублікованих робіт

1. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Критический анализ методов расчета слоистых грунтовых оснований транспортных сооружений / Зб. наук. праць "Дороги і мости". - Київ: Державний дорожній науково-дослідний інститут імені М.П. Шульгіна, 2004. - Вип. 2. - С. 149-163.

2. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Анализ проблемы исследования оснований транспортных сооружений при динамических воздействиях в сложных инженерно-геологических условиях / Міжвід. зб. наук. праць "Геотехнічна механіка". - Дніпропетровськ: Ін-т геотехнічної механіки НАН України, 2004. - Вип. 50. - С. 63-69.

3. Петренко В.Д., Тютькин А.Л., Селихова Т.А. Реализация свойств упруго-вязко-пластического массива с помощью "грунтовых" элементов / Міжвід. зб. наук. праць "Геотехнічна механіка". - Дніпропетровськ: Ін-т геотехнічної механіки НАН України, 2004. - Вип. 50. - С. 270-276.

4. Андреев В.С., Тютькин А.Л., Селихова Т.А. Математическое моделирование внецентренно нагруженных фундаментов на слоистых основаниях методом конечных элементов / Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ: Вид-во ДІІТу, 2004. - Вип. 4. - С. 183-187.

5. Андреев В.С., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Исследование влияния метрики модели грунтового основания на результаты расчета / Новини науки Придніпров'я, 2004. - № 3. - С. 36-40.

6. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Численный анализ влияния граничных условий модели системы "сооружение-основание" МКЭ / Науковий вісник Національного гірничого університету, Дніпропетровськ: НГУ, 2004. - №11. - С. 51-56.

7. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Исследование и численный анализ фундаментов с различными показателями гибкости по Горбунову-Посадову / Міжвід. наук-техн. зб. наук. праць "Механіка ґрунтів, геотехніка, фундаментобудування". - Київ: Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, 2004. - Вип. 61. - Том.1. - С. 454-461.

8. Селихова Т.А. Исследование методом конечных элементов слоистого грунтового основания в случае линзы / Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2004. - Вип. 6/2004 (29). - С. 103-107.

9. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Результаты исследования влияния толщины слабого слоя на напряженно-деформированное состояние основания / Міжвід. зб. наук. праць "Геотехнічна механіка". - Дніпропетровськ: Ін-т геотехнічної механіки НАН України, 2005. - Вип. 56. - С. 165-176.

10. Численное моделирование состояния оснований транспортных сооружений / Петренко В.Д., Гузченко В.Т., Тютькин А.Л., Цепак С.В., Андреев В.С., Селихова Т.А. // Залізничний транспорт України, 2005. - № 2 (47). - С. 68-70.

11. Исследование влияния расположения единичного слабого слоя на напряженно-деформированное состояние грунтового основания / Андреев В.С., Бабич Ф.В., Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. // Новини науки Придніпров'я, 2005. - №1. - С. 23-30.

12. Селихова Т.А. Исследование модели основания в виде слоя конечной толщины с использованием МКЭ / Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ: Вид-во ДІІТу, 2005. - Вип. 6. - С. 143-149.

13. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Пэтч-тестовая модель слоистых грунтовых оснований МКЭ / Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ: Вид-во ДІІТу, 2006. - Вип. 10. - С. 113-117.

14. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Анализ методов определения напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований / Тезисы докладов междунар. студ. науч.-техн. конференции, ДонНТУ, Донецк: ООО "Норд Компьютер", 2004. - С. 41.

15. Петренко В.Д., Селихова Т.А. Критический анализ моделей основания транспортных сооружений / Тезисы докладов междунар. студ. науч.-техн. конференции, ДонНТУ, Донецк: ООО "Норд Компьютер", 2005. - С. 67.

16. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Применение пэтч-теста конечно-элементной модели слоистых грунтовых оснований / Тезисы 65 Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта", Днепропетровск, 19-20 мая 2005. - С. 265.

17. Петренко В.Д., Селихова Т.А., Тютькин А.Л. Исследование влияния деформационных характеристик слабого слоя на распределение напряжений и перемещений грунтового основания / Мат. региональной науч.-практич. школы-семинара "Прогрессивные технологии строительства, безопасности и реструктуризации горных предприятий", 24-26 ноября 2005 г., Донецк. - Донецк: Норд-Пресс, 2006. - С. 235-243.

Размещено на Allbest.ru

...