Определение касательных сил пучения при тепломассопереносе в окрестности одиночной сваи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение касательных сил пучения при тепломассопереносе в окрестности одиночной сваи

Негативное воздействие морозного пучения на горнотехнические сооружения в период промерзания грунтов является основной причиной их деградации, начиная с момента строительства и в течение всего периода их эксплуатации [1, C. 12], [2, C. 15], [3, C. 204]. Совокупное влияние температуры среды, состояния поверхности грунта и распределение его параметров по глубине, включая распределения влажности и льдистости а также их динамика создают сложный спектр причин ответственных за формирование условий морозного пучения оснований [4, C. 51], [7, C. 5]. Большинство методов расчета сил морозного пучения промерзающих и оттаивающих оснований базируется, в основном, на решении задачи теплопереноса и определении амплитудных значений границы промерзания - протаивания грунтов оснований [8, C. 5], [9, C. 37], [10, C. 4].

Применение методов численного моделирования поведения сооружений позволяет контролировать по этапам процессы изменения температурно-влажностных полей и связанных с ними деформаций, а следовательно прогнозировать эффективность использования различных материалов и мероприятий для снижения или исключения негативных явлений, действующих на свайные фундаменты и грунты оснований в условиях их сезонного промерзания-оттаивания. Пошаговое решение строится следующим образом, сначала рассматривается задача тепломассопереноса, в результате решения которой, определяются поля концентрации, влагосодержания - (w) и льдосодержания - (Lod) на каждом шаге по времени, затем определяется степень заполнения порового пространства льдом и при достижении определенного критерия решается задача определения плоской картины НДС в мерзлых грунтах основания.

Задача тепломассопереноса

Математическая модель процесса тепломассопереноса при промерзании состоит из системы трех уравнений параболического типа с учетом конвективных членов: уравнения конвективной теплопроводности, диффузионно-конвективного движения влаги и растворенного компонента. Система замыкается уравнением фазового состояния порового раствора Т_F=T_F(w, C), учитывающим специфические характеристики среды - потенциал адсорбционного взаимодействия выраженный через влагосодержание, величину удельной поверхности, концентрацию порового раствора [11, C. 238]. С помощью введения параметра захвата предусмотрена возможность учета селекции растворенного компонента на межфазовой границе лед-рассол.

Решение системы уравнений осуществляется на основе конечно - разностных соотношений полученных с помощью интегро-интерполяционного метода. Применены процедуры расщепления по физическим процессам (конвективный перенос (фильтрация), диффузия, фазовый переход) исходной системы уравнений.

Моделирование тепломассопереноса в системе свая - промерзающий массив в течение годового климатического цикла проведено для случаев отсутствия инфильтрации загрязнения с поверхности и при её наличии. Расчеты проведены для значений; температуры массива Т_мас= -2^оС; температуры рассола Т _рас= -2^оС; начальная концентрация порового раствора в массиве С₀=1 г/л.; концентрации рассола С_рас=100 г./л; начальная влажность массива равна 0,2. Динамика температуры среды теплообмена соответствует годовому циклу. В момент времени t=t_x в течение времени t_инф высокоминерализованный раствор с температурой Т_рас и концентрацией С_расинфильтруется с поверхности массива в околосвайную область. На поверхности массива происходит конвективный теплообмен с воздушной средой с температурой Т_СР, при этом, потоки влаги и солей в период отсутствия инфильтрации равны нулю. На боковых границах рассматриваемой области ставятся условия равенства нулю потоков тепла, влаги и соли. Так как массив имеет отрицательную температуру то величины содержаний воды, льда и концентрации определяются на основе уравнения фазового равновесия по исходным значениям влагосодержания и концентрации, заданных для талого состояния. Расчетная область имеет размеры 10 м. в глубину и 20.4 в ширину, с центральным расположением бетонной сваи толщиной 0.4 м. и длиной 5.5 м. из которых 5 м. заглублены в грунт основания.

Определение НДС пучения

Учет влияния касательных сил пучения [12, C. 83] на поверхность сваи определяется суперпозицией силового воздействия структурных элементов - «шлиров», ледяных включений прямоугольной формы. При воздействии знакопеременных температур на поверхность массива горных пород в последнем происходят процессы перераспределения влаги и образования льда. Пороговый критерий возникновения условий механического воздействия на поверхность расположенной в массиве фундаментной сваи определяем по заполнению порового пространства льдом на 85% [4, C. 92]. Для численного расчета напряженно-деформированного состояния основания введем размеры «шлиров», как узких включений толщиной d и длиной 2а, с углом ориентации в к горизонтальной оси x главной системы координат. Поле напряжений вокруг «шлира» определяется на основе производящей функции метода разрывных смещений [13, C. 85]:

Используя, полученное из решения задачи тепломассообмена, распределение избыточного льдосодержания в расчетной области и размерные параметры включений перейдем к числовой плотности распределения одинаковых включений в узлах расчетной сетки. Тогда компоненты напряженно деформированного состояния в расчетной области можно представить в виде суперпозиции соответствующих решений для одиночного включения:

а) решения задачи о напряженно деформированном состояния в плоскости с распределенными элементами - «шлирами» и расчет напряжений на граничных элементах представляющих свободную поверхность массива;

б) решения задачи с фиктивными граничными условиями обеспечивающими отсутствие касательных и нормальных напряжений на поверхности массива основания.

Расчет напряжений во внутренних точках расчетной области определяется как

Здесь первый интеграл представляет суммирование вкладов в величину напряжений в теле основания от структурных элементов «шлиров», распределенных по расчетной области S с числовой плотностью P(с), второй интеграл представляет вклад граничных элементов на свободной поверхности массива B.

Представленное решение относится к задаче о полуплоскости с распределенными в ней ледяными включениями (шлирами) при этом граница полуплоскости свободна от касательных и нормальных напряжений. Для определения воздействия касательных сил пучения (от роста «шлиров») на основе полученного решения определим эти напряжения на граничных элементах (площадках) вдоль линии раздела сваи и грунта. На (рис. 1) представлены соответствующие результаты.

Распределение касательных сил пучения по длине сваи: 1 - диффузионная модель промерзания, 2 - учет инфильтрационных потоков минерализованного раствора

Разработана комплексная модель взаимодействия фундаментной сваи с породами основания в условиях промерзания и инфильтрации растворов повышенной концентрации. Инфильтрация минерализованных растворов в зоне расположения фундаментной сваи существенно снижает ее несущую способность.

Представленная модель взаимодействия сваи и промерзающего основания позволяет на ограниченной основе данных о сложении основания и климатических параметров создавать сезонные прогнозы устойчивости свайного фундамента при угрозах техногенного загрязнения грунтового основания.

Список литературы

соль замерзание свая деформированный

1. Киселев М.Ф. Мероприятия против деформаций зданий и сооружений от действия сил морозного выпучивания фундаментов/ М.Ф. Киселев // М.: Стройиздат. - 1971. - 104 с.

2. Далматов Б.И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений / Б.И. Далматов // Ленинград; Москва: Госстройиздат. [Ленингр. отд-ние]. - 1957. - 60 с.

3. Sritharan S. Effects of seasonal freezing on bridge column-foundation-soil interaction and their implications / S. Sritharan, M.T. Suleiman, D.J. White // .Earthquake Spectra -2007. - 23:1. - P. 199-222.

4. Деформации и напряжения в промерзающих и оттаивающих породах. Под ред. Ершова Э.Д. - М.: МГУ. - 1985. - 167 с.

5. Qiang L.I. Numerical simulation of pile foundation performance in liqufiable soils with a frozen crust / Liang TANG, Zhaohui YANG, Xianzhang LING // In 5th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, (January 2011, 10-13, Santiago, Chile) Paper No. NSPYA.

6. Akili W. Stress-strain behavior of frozen fine-grained soils./ W. Akili // Highway Research Record: Frost Action and Drainage. 1971, No. 360: 1-8.

7. Третьякова О.В. Нормальные напряжения морозного пучения как функция избыточной влажности / О.В. Третьякова // Инженерно-строительный журнал. 2017. №8 (76). С. 130-139.

8. Alekseeva O.I. Permafrost engineering in Yakytian geocryological research / O.I. Alekseeva // J. Earth's Cryosphere. 2017, vol. XXI, No. 4, pp. 3-9. DOI: 10.21782/EC2541-9994-2017-4 (3-9)

9. Тер-Мартиросян З.Г. Расчет касательного напряжения морозного пучения вдоль ствола сваи при учете ее деформируемости / З.Г. Тер-Мартиросян, П.А. Горбачев // Жилищное строительство. -2011. - №12. - С. 36-39.

10. Сахаров И.И. Решение трехмерной температурно-влажностной задачи промерзания и пучения на примере малоэтажного кирпичного здания / И.И. Сахаров, В.Н. Парамонов, К.Г. Шашкин // Ж. Развитие городов и геотехническое строительство. 2011, Вып. №2, С. 1-12.

11. Попов В.И. Решение задач тепломассопереноса при промерзании - оттаивании горных пород с учетом уравнения фазового состояния поровой влаги/ В.И. Попов, А.С. Курилко // . ГИАБ. - Тематическое приложение «Физика горных пород», - 2006. С. 236-242.

12. Далматов Б.И. Исследования касательных сил пучения и влияния их на фундаменты сооружений/ Б.И. Далматов // АН СССР: Институт мерзлотоведения, 1954. 29 с.

13. Крауч С. Методы граничных элементов в механике твердого тела/С. Крауч, А. Старфилд // . - М.: Мир. 1987.-328 с.

Размещено на Allbest.ru