Численное моделирование влияния миграционной влаги в промерзающем и оттаивающем глинистом грунте на прочностные характеристики основания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Кажарский, Алексей Витальевич

• Кажарский, Алексей Витальевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кажарский, Алексей Витальевич

Содержание

Введение

Глава 1. Основные направления исследования процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания грунтов

1.1 .Анализ существующих теорий процесса промерзания грунтов

1.2. Анализ существующих теорий процесса замерзания и миграции грунтовой влаги

1.3. Анализ существующих теорий процесса оттаивания мерзлых грунтов

1.4. Выводы по главе 1

2. Разработка модели промерзающего и оттаивающего грунта в зависимости от миграции влаги

2.1 Математическая модель теплофизических процессов с учетом фазовых переходов воды в спектре отрицательных температур

2.2. Разработка численной модели грунта в зависимости от изменения влажности в процессе промерзания и морозного пучения грунта

2.3. Математическая модель процесса оттаивания промороженных грунтов

2.4. Математическая модель вычисления напряжений в грунте

2.5. Выводы по главе 2

3. Экспериментальное обоснование численного моделирования влияния миграционной влаги в промерзающих грунтах на прочностные свойства грунтов основания

3.1. Промерзание столбика грунта сверху

3.2. Моделирование Промерзания столбика грунта снизу и сверху

3.3. Распределение температуры столбика грунта

3.4. Численное моделирование процесса оттаивания в сравнении с аналитическими решениями

3.5. Стабилометрические исследования влияния влажности на

изменение прочностых характеристик грунтов

3.6. Численное моделирование миграционного процесса

3.7. Выводы по главе 3

4. Примеры расчета процесса промерзания, морозного пучения и

оттаивания

4.1. Численное исследование процесса промерзания, морозного пучения и оттаивания на примере натурного наблюдения

4.2. Исследования процесса промерзания и морозного пучения грунта с учетом миграционной влаги

4.3. Исследование процессов морозного пучения и оттаивания участка земляного полотна Сахалинской железной дороги

4.4. Выводы по главе 4

Основные выводы

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование влияния миграционной влаги в промерзающем и оттаивающем глинистом грунте на прочностные характеристики основания»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Одной из приоритетных задач государственной программы социально-экономического развития Дальнего Востока и Забайкалья, утвержденной распоряжением Правительства РФ 29 марта 2013г., является совершенствование транспортной и энергетической инфраструктуры региона. Предусматривается увеличение пропускной способности Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей, расширение портовой и аэродромной сетей, увеличение объемов строительства автомобильных и железных дорог, развитие электроэнергетики. Реализация названных задач в сложных природно-климатических условиях Дальневосточного федерального округа во многом определяется эффективностью методов проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации сооружений в сезоннопромерзающих и вечномерзлых грунтах, позволяющих прогнозировать все возможные неблагоприятные состояния оснований с учетом меняющихся свойств грунтов.

Строительство и эксплуатация сооружений в условиях Дальневосточного региона связаны со сложными природно-климатическими и инженерно-геологическими условиями. В этом случае, при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, необходимо выполнять многофакторную оценку, позволяющую расчетным путем прогнозировать все возможные неблагоприятные воздействия и предусматривать эффективные конструктивные мероприятия, исключающие их.

В настоящее время процессы, происходящие непосредственно в природном массиве грунта, мало изучены. Современные программные комплексы расчета промораживаемых и оттаивающих оснований направлены, в основном, на решение либо теплофизических, либо влагопроводных задач и не учитывают совместную оценку напряженно-

деформированного состояния грунта под сооружением и окружающего массива от сил, возникающих в процессе промерзания, морозного пучения и оттаивания.

В настоящей работе проведено исследование влияния температурно-влажностного режима промораживаемого и оттаивающего грунта на напряжено-деформированное состояние сооружения и его основания.

Численное моделирование температурно-влажностного режима, напряженно-деформированного состояния основания проведено с использованием метода конечных элементов, что позволяет произвести количественный и качественный анализ напряженно-деформированного состояния сооружения и его основания, а так же решить ряд теплотехнических задач.

В настоящей работе предложена математическая модель грунта, адекватно описывающая совместное решение температурной и влагоповодной задач и позволяющая произвести совместную оценку напряженно-деформированного состояния основания и сооружения в процессе оттаивания.

Целью диссертационной работы является разработка математической модели глинистого грунта, которая позволяет учитывать изменение прочностных характеристик оттаивающего основания из-за изменения влажности в процессе промерзания.

Объект исследования - напряженно-деформированное состояние оттаивающего глинистого грунта при увеличении влажности в процессе промерзания.

Предмет исследования - изменение прочностных характеристик оттаивающего глинистого грунта в условиях температурно-влажностного воздействия.

Задачи исследования:

1. Выполнить анализ основных направлений исследований по оценке миграции грунтовой влаги и процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания;

2. Разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния глинистого грунта в условиях температурно-влажностного воздействия, позволяющую учитывать влияние накопленной миграционной влаги в оттаивающих глинистых грунтах, на прочностные характеристики грунтов основания;

3. Исследовать экспериментальным путем влияние изменения влажности на прочностные характеристики глинистого грунта в приборе трехосного сжатия;

4. Установить зависимость изменения прочностных характеристик грунта от изменения влажности в глинистых грунтах на основе экспериментальных данных;

5. Разработать устойчивый алгоритм численного моделирования, позволяющий исследовать влияние температуры и влажности на прочностные характеристики глинистого грунта в процессе промерзания и оттаивания;

6. Выполнить численную оценку эффектов, проявляющихся при оттаивании переувлажненного основания в процессе промерзания, в связи со снижением прочностных показателей глинистых грунтов;

7. Провести оценку адекватности разработанной модели путем сопоставления результатов численных и натурных экспериментов по исследованию влияния температуры и влажности на напряженно-деформированное состояние грунтов.

Методика исследований включала:

- проведение натурных экспериментов с использованием типовых методик по исследованию влияния влажности и температуры на изменение прочностных свойств грунтов;

- исследование влияния влажности талых грунтов на сопротивление недренированнному сдвигу на базе лабораторного эксперимента;

- проведение численных экспериментов с помощью разработанной математической модели грунта, позволяющей описать деформации талого грунта с учетом влияния на его прочностные свойства температуры и влажности с последующей оценкой адекватности получаемых результатов.

Степень разработанности темы исследования В настоящее время накоплен обширный материал об изменении влажности в промерзающих грунтах и обусловленных ею деформациях и силах пучения. Обобщенные результаты исследований данного направления приведены в отечественной и зарубежной литературе (Ершов Э.Д., Иванов Н.С., Порхаев Г.В., Пчелинцев A.M., Тютюнов И.А., Орлов В.О., Фельдман Г.М., Федоров В.И, Чеверев В.Г., Corte А.Е., Xu X., и др.).

Ввиду чрезвычайной сложности процесса миграции влажности и влияния на нее множества внешних факторов (градиентов давления, температуры, влагосодержания) и физических свойств грунтов (дисперсности, пористости, плотности, минерального состава и т.д.) физика этого явления недостаточно раскрыта. Существует более тридцати теорий процесса миграции влаги при промерзании грунтов, в разработку которых значительный вклад внесли русские ученые: Ершов Э.Д., Далматов Б.И., Крылов М.М., Кудрявцев В.А., Кудрявцев С.А., Лукьянов В. С., Мельников П.И., Нерсесова З.А., Орлов В.О., Сахаров И.И., Сумгин М.И., Тютюнов И.А., Фадеев А.Б., Фельдман Г.М., Цытович H.A., Чеверев В.Г., Чистотинов Л.В., Шимановский С. В. и др.

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются:

- использованием при построении математической модели общепринятых теоретических положений механики деформированного твердого тела и механики мерзлых грунтов;

- тестированием разработанной математической модели путем сравнения результатов расчета с результатами экспериментов, выполненных при одинаковых исходных данных;

- разработанный программный модуль зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ.

Научная новизна работы состоит:

- результаты экспериментального исследования влияния влажности на прочностные характеристики глинистого грунта при трехосном сжатии;

- математическая модель грунта, учитывающая влияние миграционной влаги в промерзающих и оттаивающих глинистых грунтах на изменение прочностных характеристик грунтов основания, реализованная методом конечных элементов;

- зависимости и конструктивные решения для исследуемых процессов и объектов, полученные с помощью разработанной математической модели.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработанная математическая модель позволяет учитывать изменение прочностных свойств глинистых грунтов в широком диапазоне температурно-влажностного воздействия;

- результаты численного моделирования основания в условиях взаимодействия с надземными конструкциями позволяют локализовать опасные участки, разработать конструктивные мероприятия, уменьшить материалоёмкость проектируемых сооружений, их трудозатраты и стоимость.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на 8 региональных, российских и 10 международных конференциях, часть из которых: научный семинар Института машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Комсомольск-на-Амуре, ноябрь 2013г.); 1-ый Международный симпозиум по транспортным грунтовым сооружениям в холодных регионах (Синин, КНР, август 2013г.); V Международный

геотехнический симпозиум (Национальный Инчхонский университет, Республика Корея, май 2013 г.); IV Международный геотехнический симпозиум «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (ДВГУПС, Хабаровск, июль 2011 г.); четвертая конференция геокриологов России, посвященная 100-летию со дня рождения основателя кафедры геокриологии В. А. Кудрявцева (МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва, июнь 2011 г.); Международная научно-практическая конференция, посвященная 45-летию Целиноградского инженерно-строительного института «Современная архитектура, строительство и транспорт: Состояние и перспективы развития» (Астана, Республика Казахстан, май 2009 г.); Международная конференция по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (ПГУПС, Санкт-Петербург, июнь 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 3 работы в журналах, входящих в перечень ВАК, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования влияния влажности на сопротивление сдвигу на приборе трехосного сжатия;

2. Математическая модель грунта, учитывающая влияние миграционной влаги в промерзающих и оттаивающих глинистых грунтах на прочностные характеристики грунтов основания, реализованная методом конечных элементов;

3. Зависимости и конструктивные решения, полученные в результате численного моделирования температурных и влажностных режимов работы, напряженно-деформированного состояния исследуемых объектов.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, п.1 «Разработка новых математических

методов моделирования объектов и явлений», п.5 «Разработка новых математических методов и алгоритмов интерпретации натурного эксперимента на основе его математической модели.», п.6 «Разработка новых математических методов и алгоритмов проверки адекватности математических моделей объектов на основе данных натурного эксперимента».

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Работа содержит 148 страниц текста, 57 рисунков, 4 таблицы; список литературы содержит 120 источников.

Диссертация выполнена на кафедре «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» Дальневосточного государственного университета путей сообщения. Лабораторные эксперименты выполнялись в геотехнической лаборатории имени профессора А.В.Паталеева на кафедре «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» ДВГУПС.

Внедрение научных результатов диссертации. Подтверждено актом внедрения результатов исследований ОАО «Росжелдорпроект» филиал Хабаровский проектно-изыскательский институт «Дальжелдорпроект» для объектов строительства на Дальневосточной железной дороге, актом о внедрении результатов исследований ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» при выполнении научно исследовательских работ.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору С.А. Кудрявцеву и благодарит за консультации, ценные замечания и содействие в работе докторов технических наук, профессоров: В.Н. Парамонова, A.M. Харитонова; кандидата технических наук, доцента М.И. Харитонова.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ, МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ И ОТТАИВАНИЯ ГРУНТОВ

Изучение процессов проходящих при промерзании, морозном пучении, оттаивании тесно связаны с рассмотрением различных вопросов механики мерзлых грунтов. Их изучение прямо или косвенно относятся к теплопроводности грунта, учету фазового перехода его в спектре отрицательных температур, учету сил морозного пучения и деформаций грунта происходящих при промерзании или оттаивании. Поэтому в данной главе рассматриваются работы связанные не только с темой данной диссертации, но и работы, связанные со смежными темами.

Уже в первые годы при эксплуатации Транссибирской магистрали, на многих участках в зимний период времени происходило пучение грунта, вызывая деформации основной площадки земляного полотна. Силы морозного пучения, приводили к повреждению железнодорожного пути, а так же различных зданий и сооружений. Деформации верхнего строения пути приводили к повреждению подвижного состава и в некоторых случаях вызывали сход поезда с рельс.

В конце XIX века на Транссибирской магистрали пучины носили массовый характер. Более 95% железных дорог в той или иной степени были подвержены морозному пучению. На отдельных дорогах процент протяженность пучиноопасных мест составлял 27%, а на отдельных участках 75-90% [50].

Необходимость ликвидации этих негативных процессов подвигла русских ученых к появлению науки - механика мерзлых грунтов. Один из основных вопросов которой является деформация промерзающего и оттаивающего грунта.

1.1.АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕОРИЙ ПРОЦЕССА ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ

Один из основных методов, применяющихся для изучения грунта в районах с глубоким сезонным промерзанием - теплофизический. Такие процессы как сезонное промерзание и оттаивание, криогенные процессы неотделимы от движений и изменений структуры грунта с учетом миграции влаги к фронту промерзания.

Первым ученым, занимавшимся исследованиями по общей теории теплопроводности можно назвать Д.В. Фурье. Его работы, относящиеся к периоду с 1807-1822г. послужили базисом для дальнейшего изучения вопроса. Первая российская работа была создана под руководством Д.В. Фурье академиком Петербургского Института путей сообщения М.В. Остроградским во время его командировки в Париж 1822-1829гг.). М.В. Остроградский предложил метод решения дифференциальных уравнений процессов теплопроводности для задач о распространении тепла в шаре. В 1830г. к проблеме обратились такие ученые как Бену а Клайперон и Габриэль Ламе, на тот момент работавшие в Петербургском институте путей сообщения вместе с М.В. Остроградским. Основываясь на решении задачи об охлаждении первоначально расплавленного Земного шара и трудах М.В. Остроградского, они вывели уравнение распространения границы раздела фаз, что является подобным современному подходу к проблеме. Пренебрегнув кривизной листосферы и приняв ее малую толщину, Габриэлем Ламе и Бенуа Клайпероном была рассмотрена задача об одномерном теплопотоке в прямолинейных координатах при решении которой не учитывалась кривизна литосфера, а ее толщина была принята наименьшей.. Таким образом они смогли получить приближенное решение задачи в виде движения границы затвердевания [114].

В 1860 г. Ф. Нейман (F. Neumann) впервые предложил аналитическое решение описывающее процессы промерзания и оттаивания, более известное

в редакции Вебера Н. (Weber N.) в 1901г. Позже, в 1889 г, австрийский ученый И.Стефан (I. Stefan) [117] более подробно разобрал данную задачу.

Со второй половины двадцатого века ведущим теплофизиком-мерзлотоведом становится Г. В. Порхаев. К его достижениям можно отнести разработку основ теории теплового взаимодействия сооружений с многолетнемерзлыми грунтами [66]. Г. В. Порхаев создал первую в стране лабораторию теплофизики мерзлых грунтов (Институт мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР), у которой имелась собственная полевая экспериментальная база. Это дало возможность подготовить таких высококвалифицированных специалистов как В.А. Павлов, Ю.Л. Шур, В. Т. Балобаев, Л.Н. Хрусталев, Г. М. Фельдман, Л.П. Семенов, Д. И. Федорович. Создание теплофизической школы позволило развивать молодые перспективные направления исследования в геотеплофизике. В 60-х годах центром исследований стал Якутск. Поводом этому послужило создание там Института мерзлотоведения СО АН СССР.

Промерзание грунта это его уплотнение, переход в сцементированное состояние обусловленное замерзанием воды, имеющейся в порах грунта. Глубиной промерзания грунта называется глубина залегания нижнего горизонта смерзшегося грунта. Схематично кривая промерзания и оттаивания грунта схематично изображена на рисунке 1.1.

о

3

с: з

(О к

X

чэ

т с;

Рисунок 1.1. Кривая промерзания и оттаивания грунта

Влияние комплекса условий, таких как:

• Внешняя температура;

• Состояние поверхности грунта;

• Характеристики грунта по глубине;

• Переменная влажность грунта и прочее

ведет к сложным зависимостям величин глубины промерзания и распределения температур в грунте. Особенно важной в процессе промерзания грунтов является влажность. Увеличение влажности грунта, приводит к увеличению коэффициента теплопроводности, что вызывает большее проникновение отрицательных температур. Однако наличие скрытой теплоты при фазовом переходе воды в лед препятствует проникновению отрицательных температур. Так, при весовой влажности грунта 25% (в 1 мЗ грунта содержится около 500 кг влаги), количество теплоты, выделившейся при замерзании этой влаги, составит 80*500=40000 ккал. Следовательно, для промерзания 1 мЗ грунта принятой влажности потребуется в среднем от 20000 до 50000 ккал холода.

Из данного примера видно, какое сильное влияние имеет увлажнение на сезонное промерзание и протаивание грунтов. Даже при одинаковом

естественном увлажнении влажность дренируемых песчаных или крупнообломочных пород ниже, чем у пород глинистых. Поэтому глинистые грунты промерзают на меньшую глубину чем песчаные.

Кроме того, для процесса промерзания грунта немаловажными являются категории содержащейся воды и их соотношение в грунте.

За исключением гравитационной и свободной, все категории воды, замерзают при температуре ниже О °С.

Стоит отметить, понятие глубина промерзания грунта и глубина проникновения в него изотермы О °С необходимо строго разграничивать, так как температура О °С означает только начало процесса промерзания грунта. Для грунтов с высоким содержанием капиллярной и связанной воды температура замерзания значительно ниже. В частноти, это применимо к глинистым мелкодисперсным грунтам.

Основываясь на вышесказанном, можно приблизительно принять следующую температуру замерзания грунта, при которой большая часть власть уже переходит в лед. Для крупнозернистых грунтов это -0,1 °С, для средне- и мелкопесчаных грунтов - 0,6 °С, для суглинков -1 °С; и для грунтов с высоким содержанием глины -1,5-2,0 °С.

Скрытая теплота при фазовом переходе через 0 °С приводит к дополнительной задержке в распределении тепла или холода. Такое явление было названо H.A. Цытовичем и М.И. Сумгиным нулевой завесой [92].

В замерзшем грунте теплопроводность льда превышает теплопроводность воды примерно в 4 раза, поэтому можно утверждать, что теплопроводность замерзшего грунта выше грунта талого.

Результатом многочисленных исследований, проведенных в нашей стране по мерзлым грунтам, стал основной принцип механики мерзлых грунтов, сформулированный Н. А. Цытовичем [87].

В зависимости от степени связанности воды возможны три случая:

1. При определенной температуре Tbf вся вода переходит в лед (i0=imax, где i0 — скачок льдистости при Т= Tbf);

2. При определенной температуре Т=ТЬГ часть воды замерзает сразу, а оставшаяся - лишь при понижении температуры (0<1о<1тах);

3. При возрастании температуры количество льда в грунте плавно, без скачков возрастает (¡о=0).

Данный принцип дает возможность найти верный подход для изучения и работы с физическими процессами проходящими в оттаивающем, мерзлом или промерзающем грунте.

Процесс промерзания грунта обычно делится на следующие этапы:

1. При температуре равной температуре начала замерзания происходит замерзание воды находящейся в порах грунта.

2. При дальнейшем понижении температуры происходит частичное замерзание прочносвязанной и воды диффузионной оболочки.

3. При температуре равной температуре начала замерзания грунта вода переходящая в лед приводит к увеличению объема грунта.

4. Дальнейшее понижение температуры грунта приводит к увеличению объема связанной воды и воды диффузионных оболочек

5. Миграция влаги к фронту промерзания в глинистых и пылеватых грунтах.

6. Понижение температуры приводит к изменению объема твердых частиц и льда.

Этапы 1-5 могут приводить к морозному пучению, то есть к изменению объемов грунта при промерзании. В основном это относится к минеральным грунтам.

В своей монографии А.В.Павлов [59] представил подборку работ на тему определяющих факторов, определяющих зависимость глубины промерзания и протаивания грунтов, большое количество которых значительно осложняет прогнозирование этих процессов. Поэтому в СССР до 1955 г. нормативная глубина промерзания определялась по результатам наблюдений и принималась равной средней за период в несколько лет максимальной глубиной промерзания грунта под поверхностью очищенной

от снега. Для каждого района СССР были разработаны карты с расчетными глубинами промерзания. [29, 31].

Однако составленные карты, основанные на средних многолетних природных условиях, к сожалению, не позволяют делать прогноз их изменения в структуре и объемах грунта при строительстве сооружений, укладке искусственных покрытий на поверхности грунта и в результате проведения мелиоративных мероприятий.

Принимая во внимание различные упрощающие предположения расчетные формулы по определению глубины промерзания и оттаивания смогли получить X. Р. Хакимов [86], И. Стефан (Stefan, 1889) [117], В. Т. Меламед [38, 39] М. М. Крылов [35,36], К. П. Олдрич и X. М. Пейтер [101],Н. И. Салтыков [72],Ф. Н. Шехтер и Г. X. Цейтин [97], К. Ф. Войтковский [8], В.А. Кудрявцев и другие исследователи. В основном, эти формулы различаются тем каким способом учитывались теплоемкость грунта и поступление тепла к границе фазового перехода из подстилающей толщи талого (при расчете глубин промерзания) или мерзлого грунта (при расчете глубин протаивания), выбором краевых условий.

Так, для расчета глубины протаивания и промерзания по формуле разработанной И.Стефаном, обязательным условием является то, что все тепло, которое выделяет или поглощает промерзающий грунт, затрачивается на фазовое изменение состава имеющейся в нем воды.

В отличии от формулы Стефана формула М. М. Крылова [35] была разработана для расчета промерзания влажного. При расчете по формуле Крылова дополнительно учитывается тепловой поток между подстилающими толщами грунта и границей кристаллизации воды. Считается, что в процессе промерзания тепловой поток постоянен. Однако, как показывают данные, полученные с помощью теплометров, в природных условиях, тепловой поток qh у границы промерзания можно описать по экспоненциальной зависимости. Поэтому использование усредненного теплового потока к

границе промерзания для расчетов не полностью отражает физическую сторону процесса промерзания.

В. А. Кудрявцев и В. Г. Меламед [38, 39] применили оригинальный метод определения глубины промерзания, основанный на анализе теплооборота грунта.

Одной из самых простых и удобных для применения на практике формул, учитывающих основные факторы, которые определяют сезонное промерзание, является формула В. С. Лукьянова. Результаты, полученные с помощью расчетов по этой формуле, неоднократно сравнивались с натурными данными [97] и с расчетами на гидроинтеграторе и на электронных вычислительных машинах [38, 39, 47 и другие] и показывали достаточно высокий процент сходности. К сожалению, в случае сравнения с натурными данными, характеристики грунта и снежного покрова определялось путем расчетов по некоторым формулам, поэтому такие проверки носят условный характер.

Сопоставления с натурными данными показали, что глубины промерзания оголенного грунта и того же грунта, но покрытого слоем не изменяющейся во времени изоляции, рассчитываются по формуле Лукьянова с точностью, не выходящей за пределы 10—12 см, что составляет менее 6— 7% определяемой величины. При снежном покрове со средним за зиму эквивалентным слоем, превышающем пятикратную глубину промерзания величины с^ рассчитывались по формуле Лукьянова с погрешностью, превосходящей точность инженерного расчета.

Представленные выше методы расчета глубин промерзания не принимают во внимание выделение тепла от кристаллизации влаги, которая мигрирует при промерзании грунта. Но промерзание хорошо увлажненных пылеватых суглинков, проходит при значительном выделении тепла от миграционной влаги, которое, по подсчетам X. Р. Хакимова [86], может составлять до 30 % суммарного выделения тепла.

Согласно СНиП 2.02.01-83 нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кажарский, Алексей Витальевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ананян, A.A. О понижении температуры замерзания тонко дисперсных горных пород и почв: мерзлотные исследования / A.A. Ананян. -M.: Изд-во МГУ, 1982. Вып. 20. - С. 152-156.

2. Бакулин, Ф.Г. Деформация мерзлых дисперсных фунтов при оттаивании / Ф.Г. Бакулин, Жуков В.Ф. -Изв. АН СССР, 1955. № 7. -С.86-117.

3. Боженова, А.П. Значение осмотических сил в процессе миграции влаги: материлы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов / А.П. Боженова -М.: Изд-во АН СССР, 1957. Сб.З. - С. 129-141.

4. Болдырев, Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса [текст]: монография / Г.Г. Болдырев. - Пенза: ПГУАС, 2008. - 696 с.

5. Борозинец, В.Е Вакуумно-фильтрационный механизм образования мощных шлиров льда: проблемы криотологии / В.Е. Борозинец, Г.М. Фельдман -М., 1981. Вып. IX. - С. 165-178

6. Бучко, H.A. Исследование нестационарного теплообмена при использовании холода в строительстве: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. -Л.: ЛГИХП, 1977.- 54 с.

7. Быков, Н.И. Вечная мерзлота и строительство на ней / Н.И. Быков, П.Н. Каптерев -М.: Трансжелдориздат, 1940. - 371 с.

8. Войтковский, К.Ф. Расчет сооружений из снега и льда / К.Ф. Войтковский -М.: Изд-во АН СССР, 1954. - 133 с.

9. Вотяков, Н.И. Физико-механические свойства грунтов Якутии / Н.И. Вотяков -Новосибирск: Наука, 1975. - 175 с.

10. Временные технические условия на проектирование земляного полотна железнодорожной линии Улак-Эльга с сохранением мерзлотного состояния грунтов основания -М.: Департамент пути МПС РФ, 2001. - 52 с.

П.Вялов, С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов / С.С. Вялов -М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 188 с.

12. Вялов, С.С. Реология мерзлых грунтов / С.С. Вялов. - М.: Стройиздат, 2000. - 464 с.

13. Вялов, С.С. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты льдопородных ограждений / С.С. Вялов, С.Э. Городецкий, Ю.К. Зарецкий [и др.] -М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 254 с.

14. Герасимов, Я.И. Курс физической химии / Я.И. Герасимов, В.П. Древинг, E.H. Еремин [и др.] -М.: Госхимиздат, 1963. -Т. I. - 624 с.

15. Гольдштейн, М.Н. Деформации земляного полотна и оснований сооружений при промерзании и оттаивании / М.Н. Гольдштейн -М.: Изд-во. Транс, желдор., 1948. - 211 с.

16. ГОСТ 12248-96 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости -М.: Минстрой РФ, 1996. - 126с.

17. ГОСТ 19706-74 Грунты. Методы лабораторного определения коэффициентов оттаивания и сжимаемости при оттаивании мерзлых грунтов - М.: Изд-во Стандартов, 1974. - 6 с.

18. Давыдочкин, А.Н. Полевая оценка льдистости и просадочности мерзлых глинистых грунтов: Труды совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам их изучения, 1957. -Т.Н. - С. 249-254.

19. Далматов, Б.И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений / Б.И. Далматов -Л.: Изд-во Госстройиздат, 1957. - 60 с.

20. Далматов, Б.И., Устройство газопровод в пучинистых грунтах / Б.И. Далматов, B.C. Ласточкин -Л.: Изд-во. Недра, 1978. - 199 с.

21. Достовалов, Б.Н. Общее мерзлотоведение / Б.Н. Достовалов, В.А. Кудрявцев - М.: Изд-во. МГУ, 1967. - 404 с.

22. Ершов, Э.Д. Влагопернос и криогенные текстуры в дисперсных породах / Э.Д. Ершов -М.: Изд-во. МГУ, 1979. - 214 с.

23. Ершов, Э.Д. Общая геокриология /Э.Д. Ершов -М.: Недра, 1990. - 559 с.

24. Ершов, Э.Д. Физико-химия и механика мерзлых пород / Э.Д. Ершов -М.: Изд-во. МГУ, 1986. - 332 с.

25. Ершов, Э.Д. Экспериментальное исследование теплофизических свойств и фазового состава влаги засоленных мерзлых грунтов: Геоэкология, геокриология / Э.Д. Ершов, Р.Г. Мотенко, И.А. Комаров -М.: Изд-во. МГУ, 1999. №3. - С.232-242.

26. Зарецкий, Ю.К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений /Ю.К. Зарецкий -М.: Наука, 1988. - 347 с.

27. Золотарь, И.А. Расчет промерзания и величины пучения с учетом миграции: Процессы тепло-массопереноса в горных породах / И.А. Золотарь -М.: Наука, 1965. - С.19-25.

28. Иванов, Н.С. Тепло-массоперенос в мерзлых горных породах / Н.С. Иванов -М.: Наука, 1969. - 239 с.

29. Качурин, С.П. Опыт районирования сезонного промерзания грунтов на территории Европейской части СССР / С.П. Качурин

30. Киселев, М.Ф. Способ определения относительного сжатия мерзлых грунтов при оттаивании под нагрузками по простейшим физическим характеристикам: Деформации оснований при замерзании и оттаивании грунтов / М.Ф. Киселев -М.: Госстройиздат. 1952. Вып. 19. - С.3-12.

31. Колосков, П.И. Глубина промерзания почвы в Европейской части СССР и в Казахстане / П.И. Колосков -Мерзлотоведение, 1947, -Т.П. Вып. 1. - С.23-30.

32. Кроник, Я.А. Термомеханические модели мер злых грунтов и криогенных процессов: Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение /Я.А. Кроник -М.: Наука, 1982. - С.200-211.

33. Кроник, Я.А. Расчеты температурных полей и напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений методом конечных элементов /Я.А. Кроник, И.И. Демин -М.: Изд-во. МИСИД982. - 102 с.

34. Кроник, Я.А. Учет теплофизических свойств искусственно засоленных грунтов при строительстве каменно-земляных плотин / Я.А. Кроник, С.Г. Лосева -Энергетическое стррительство, 1978. №10. - С.74-77.

35. Крылов, М.М. К теплотехническому анализу промерзания грунтов / М.М. Крылов -Вестник инженера и техника, 1934. №10.

36. Крылов, М.М. Накопление холода в почве для уменьшения засушливости / М.М Крылов - Вестник мелиорации и гидротехники, 1940. №1.

37. Кудрявцев, В. А. Температура верхних горизонтов вечномерзлой толщи в пределах СССР /В.А. Кудрявцев -Л.: Изд-во. АН СССР, 1954. - 182 с.

38. Кудрявцев, В.А. Новая формула расчета глубины сезонного промерзания грунтов (в случае равных теплофизических характеристик талого и мерзлого грунтов): Мерзлотные исследования / В.А. Кудрявцев, В.Т. Меламед -М.:Изд-во. МГУ, 1963. В.И. - С.3-17.

39. Кудрявцев, В.А. Формула расчета глубины сезонного промерзания грунтов (в случае неравных теплофизических характеристик талого и мерзлого грунтов): Мерзлотные исследования / В.А. Кудрявцев, В.Т. Меламед -М.:Изд-во. МГУ, 1963. В.Ш - С.3-9.

40. Кудрявцев, С.А. Геотехнологии в реконструкции земляного полотна /С.А. Кудрявцев -М.:Изд-во. Путь и путевое хозяйство, 2004. №2. - С.23-24.

41. Кудрявцев, С.А. Расчетно-теоретическое обоснование проектирования и строительства сооружений в условиях промерзающих пучинистых грунтов, дисс. ... докт. техн. наук. -СПб., 2004. - 344с.

42. Кудрявцев, С.А. Исследование процессов промерзания основания фундаментов эстакады в г.Хабаровске. Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах: Материалы Международной научно-технической конференции / С.А. Кудрявцев, И.И. Сахаров, В.Н. Парамонов, К.Г. Шашкин - Архангельск: Изд-во. Архангельского государственного технического университета, 2003. - С.83-88.

43. Кульчицкий, В.А. Аэродромные покрытия. Современный взгляд / В.А. Кульчицкий, В.А. Макагонов, Н.Б. Васильев Н.Б., [и др.] - М.: Изд-во. Физико-математическая литература, 2002. - 528 с.

44. Лапкин, Г.И. Расчет осадок сооружений на оттаивающих вечномерзлых грунтах на основе опытов с естественными образцами,

проведенных в лабораторных условиях /Г. И. Лапкин -Бюл. Союзтранспроекта, 1938, №12

45. Лебедев, А.Ф. Передвижение воды в почвах и грунтах /А.Ф. Лебедев -Известия Донского института, 1919. -Т.З. - 220 с.

46. Лукьянов, B.C. Расчет глубины промерзания грунтов / B.C. Лукьянов, М.Д. Головко -М.: Изд-во. Трансжелдориздат, 1957. - 165 с.

47. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков -М.: Изд-во. Гостехиздат, 1952.

48. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков -М.: Изд-во. Высшая школа, 1968. - 599 с.

49. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков -М.: Изд-во. Высшая школа, 1967. - 336с.

50. Любимов, Л.Н. Пучины на железных дорогах и меры к их устранению / Л.Н. Любимов -СПб., 1897.

51. Магомедгаджиева, М. А. Методика исследования и закономерности формирования влагопроводных свойств промерзающих грунтов: дисс. ... канд. геол.-минерал. наук. -МГУ., 1998. - 154 с.

52. Маслов, H.H. Основы инженерной геологии и механики грунтов / H.H. Маслов -М.: Высш. шк., 1982. - 511 с.

53. Морарескул, H.H. Исследование нормальных сил морозного пучения: дисс. ... канд. техн. наук. -Л., 1949. - 257 с.

54. Невзоров, А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах: учебное пособие / А.Л. Невзоров -М.: Изд-во. АСВ, 2000. - 152 с.

55. Нерпин, C.B. Физика почвы / C.B. Нерпин, А.Ф. Чудновский -М.: Наука, 1967. - 583 с.

56. Орлов, В.О. Криогенное пучение тонкодисперсных грунтов / В.О. Орлов -М.: Изд-во. АН СССР, 1962. - 188 с.

57. Орлов, В.О. Морозное пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений / В.О. Орлов, Ю.Д. Дубнов, Н.Д. Меренков -Л.: Стройиздат. Ленинградское отделение, 1977. - 183 с.

58. "Основы геокриологии: [в 5 ч.] / под ред. Э.Д. Ершова. - М.: Изд-во МГУ, 1995-1999.

4.5: Инженерная геокриология. 1999. - 526с.

59. Павлов, A.B. Теплообмен промерзающих и протаивающих грунтов с атмосферой / A.B. Павлов -М.: Изд-во. Наука, 1965. - 255 с.

60. Паталеев, A.B. Гидроизоляция фундаментов на Дальнем Востоке / А.В.Паталеев -Хабаровск: Хабаровское книжное изд-во, 1957. - 87с.

61. Паталеев, A.B. Фундаменты в пучинистых грунтах / A.B. Паталеев -Хабаровск: Хабаровское книжное изд-во, 1955. - 98 с.

62. Парамонов, В.Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники / В.Н. Парамонов. - Санкт-Петербург: Группа компаний "Геореконструкция", 2012. - 262 с.

63. Плотников, A.A. Расчет температурного режима вечномерзлых оснований / A.A. Плотников - Энергическое строительство, 1978. № 8. -С.70-73.

64. Плотников, A.A. Функциональные предпосылки и теплофизические возможности частичной застройки проветриваемого подполья северного жилого дома: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. -М.: МИСИ, 1978. - 22 с.

65. Попов, В.Н. Организация и производство наблюдений за режимом подземных вод / В.Н. Попов -М.: Госгеологотехиздат, 1955.

66. Порхаев, Г.В. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов / Г.В. Порхаев, Г.М. Фельдман, Д.И. Федорович -М.: Изд-во. Наука, 1964. - 197 с.

67. Примак, В.А. Исследование характера промерзания земляного полотна при наличии шлакового покрытия. Вопросы пути и устойчивости транспортных сооружений. Труды ХабИИЖТ /В. А. Примак, А.Г. Полевиченко -М.: Изд-во Транспорт, 1967. В.28. -С.20-25.

68. Пузаков, H.A. Вводно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог / H.A. Пузаков -М.: Автотрансиздат, 1969. - 168 с.

69. Пчелинцев, A.M. Строение и физико-механические свойства мерзлых грунтов / A.M. Пчелинцев -М.: Изд-во. Наука, 1964. - 158 с.

70. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / Под общ. ред. В.И. Мячникова. - М.: Машиностроение. 1989. - 520 с.

71. Роман, J1 .Т. Мерзлые торфяные грунты грунты как основания сооружений / JI.T. Роман -Новосибирск: Изд-во. АН СССР, 1987. - 220 с.

72. Салтыков, H.H. Канализация в условиях вечной мерзлоты Крайнего Севера Европейской части СССР / H.H. Салтыков -М.: Изд-во. АН СССР, 1944. - 50 с.

73. Сахаров, И.И. Физикомеханика криопроцесса в грунтах и ее приложения при оценке деформаций зданий и сооружений: автореф. дисс. ... докт. техн. наук. -Пермь, 1995. - 44 с.

74. Справочник по климату, вып. I. JL, Гидрометиоиздат, 1968.

75. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 56 с.

76. СНиП 23-01-99* Строительная климатология / - взамен СНиП 2.01.01-82; введ. 2000-01-01. -М.: 2005. - 67с.

77. Сумгин, М.И. Физико-механические процессы во влажных и мерзлых грунтах в связи с образованием пучин на дорогах /М.И. Сумгин -М.: Транспечать, 1929. -592 с.

78. Тютюнов, И.А. Взаимодействие минеральной части почвы с водой / И.А. Тютюнов Почвоведение, 1959. №2. -С.7-14.

79. Тютюнов, И.А. Природа миграции воды в грунтах при промерзании и основы физико-миханических приемов борьбы с пучением / И.А. Тютюнов, З.А. Нерсесова -М.: Изд-во. АН СССР, 1963.- 160 с.

80. Улицкий, В.М. Деформирование основания при устройстве глубоких котлованов: сравнение различных методов расчета с данными натурных наблюдений. Развитие городов и геотехническое строительство / В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин, [и др.] -СПб: НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект», 2008. том 3.

81. Ушкалов, В.П. Исследование работы протаивающих оснований и их расчет по предельным деформациям сооружений / В.П. Ушкалов -М.: Изд-во. АН СССР, 1962. -219 с.

82. Фадеев, А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А.Б. Фадеев -М.: Изд-во. Недра, 1987. - 221с.

83. Федоров, В.И. Процессы влагонакопления и морозоопасность грунтов в строительстве / В.И. Федоров -Владивосток: Изд-во. ДальНИИС, 1992. - 178 с.

84. Федосов, А.Е. Прогноз осадок сооружений при оттаивании грунтов оснований / А.Е. Федосов -Труды института мерзлотоведения, 1944. -Т.4. -С.93-124.

85. Фельдман, Г.М. Передвижение влаги в талых и промерзающих грунтах /Г.М. Фельдман -Новосибирск: Наука, 1988. - 258 с.

86. Хакимов, Х.Р. К вопросу о тепловых расчетах промерзания или оттаивания грунта / Х.Р. Хакимов -Труды НИИОСП, 1952. №19

87. Цытович, H.A. Механика мерзлых грунтов: учебное пособие / H.A. Цытович -М.: Изд-во. Высшая школа, 1973. - 448 с.

88. Цытович, H.A. Принципы механики мерзлых грунтов / H.A. Цытович -М.: Изд-во. АН СССР, 1952. - 168 с.

89. Цытович, H.A. Расчет осадок фундаментов / H.A. Цытович -М.: Изд-во. Стройиздат, 1941. - 191 с.

90. Цытович, H.A. Теплофизические свойства грунтовых смесей, используемых при строительстве плотин в условиях Крайнего Севера / H.A. Цытович, Я.А. Кроник, С.Г. Лосева -Энерг. стр-во, 1979. №4. -С.60-63.

91. Цытович, H.A. Фазовый состав воды в мерзлых грунтах: материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов / H.A. Цытович, З.А. Нерсесова -М.: Изд-во. АН СССР, 1957. Сб.З, - С. 14-20.

92. Цытович, H.A. Основания механики мерзлых грунтов /H.A. Цытович, М.И. Сумгин -М.: Изд-во АН СССР, 1937. - 432 с.

93. Чеверев, В.Г. Физико-химическая теория формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов: автореф. дисс. ... докт. геол.-минерал. наук. -М., 1999. - 40 с.

94. Чистотинов, JI.B. Криогенная миграция влаги и пучение горных пород / Л.В. Чистотинов -М.: ВИЭМС, 1974. - 48 с.

95. Чистотинов, Л.В. Миграция влаги в промерзающеих неводонасыщенных грунтах / Л.В. Чистотинов -М.: 1973. - 144 с.

96. Чистотинов, Л.В. Моделирование тепло-массопереноса в промерзающих пучинистых грунтах. Проблемы геокрологии /Л.В. Чистотинов -Якутск: Изд-во. СО РАН, 1998. - С.95-101.

97. Шехтер, Ф.Н., Цейтин Г.Х. Глубина промерзания и температура почвы в зимнее время. Труды главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова / Ф.Н. Шехтер, Г.Х. Цейтин -Л.: Гидрометеоиздат. Вып. 53 (115). 1955.

98. Штукенберг, В. И. Заметка о пучинах на железных дорогах и о мерах для уничтожениях их / В.И. Штукенберг -Спб.: Инженер - журнал Министерства Путей сообщения, Том IV. книга 10. 1885.

99. Шушерина, Е.П. Изменение физико-механических свойств грунтов под действием промерзания и последующего оттаивания. Материалы по физике и механике мерзлых грунтов. VII Междуведомственного совещания по мерзлотоведению / Е.П. Шушерина -М.: 1959. - С.48-55.

100. Ярмолинский, А.И. Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата: дисс. ... докт. техн. наук. -Хабаровск., 1995. - 288с.

101. Aldrich, Н.Р., Paynter Н.М. Derivation of rational formula for the prediction of frost penetration. Bull. Higway Res. Board, Washington, 1956, №135, p.145-149.

102. Beskow, G. Freezing and Heaving with Special Application tj Roads and Railways// Sver. Geol. Unders., ser. №375. Traus. Technical Institute, Northwestern Univ., Evanston. III. 1947.

103. Bouyouces, G.I. Movement of soil moisture from small capillaries to the large capillaries of the soil upon freezing//Agric. Res. 1923. Vol.24, №5.

104. Carslaw, H.S., and Jaeger J.C., 1947. Conduction of Heat in Solids. Clarendon Press, Oxford

105. Comini, G., Del Guidice S., Lewis R.W., Zienkiewicz O.C. Finite element solution of non-liner heat conduction problems with special reference to phase change. "Int. J. Num. Meth. Engn.".№8. 1974. -P 613-624.

106. Corte, A.E. Vertical migration of particles in front of a moving freezing plane//USA. CRREL. Research Report, 1963.- 105 p.

107. Crory, F.S. Settlement Associated With the Thawing of Permafrost//Proc. 2-nd. Intern. Conf. On Permafrost. Yakutsk, Washington: Nation. Academy of Sciences, 1973. -P.599-607.

108. Guidice, Del S., Comini G.,Lewis R.W. Finite element simulation of freezing process in soil. "Int. J. Num. Anal. Meth. Geomech."№ 2. 1978. -P.223-235.

109. Harlan, R.L., Nixon J.F. Ground Thermal Regime. Geotechnical Engineering For Cold Regions. Edited by O.B. Andersland and D.M. Anderson. 1978,-P.103-163.

110. Hoekstra, P., Chambarlain F. Electroosmosis in frozen soil//Nature. 203: 1406. 1964.

111. Hwang, C.T., Murray D.M. and Brooker E.W, 1972. A Thermal Analysis for Structures on Permafrost. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 9, №1.

112. Jimikis, A.R. The soil freezing experiment//High. Res. Board Bull 135, NASNRC. Washington, 1966. -P.150-165.

113. Keil, L.D., Nielsen N.M., Gupta R.C. Thaw-consolidation of permafrost dyke foundations at the long spruce generation station//Proc. 26-th Can. Gotech. Conf. Toronto, 1973. - P. 134-141.

114. Lame, G, Clapeyron B. Memoire sur la solidification par refroidissement d'un globe liquide. Annales de Chimie it de Phisique, 1831, vol.47. -P.250-256.

115. Nixon, J.F., and McRoberts E.C., 1973. A Study of Some Factors Affecting the Thawing of Frozen Soils. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 10.

116. Speer, T.L., Watson G.N., Rowley R.K. Effects of ground ice variability and resulting thaw Setlement son buried warm oil pipeline. North. Am. Contribution// Proc. 2-nd. Intern. Conf. On Permafrost. Yakutsk, Washington: Nation. Academy of Sciences, 1973. -P.746-751.

117. Stefan, I. Uber einige Probleme der Theorie der Warmeleitung. -Sitzungsberichte der Akademie der Wissenchaften in Wien, 1889, Bd. 98, Abt. II, -P.473-484.

118. Taber, S. Freezing and thawing of soils as a factor in destruction of road pavements//Public Roads. 1930. Vol. 11, №6. - P. 113-132.

119. Tsytovich, N.A., Kronik J.A. Interrelationship of the principal phisicomechanical and thermophysical properties of coarse-grained frozen soil. Bochum, 1978. - Eng. Geol, 1979. № 13. -P.163-167.

120. Xu X., Wang J., Zhang L., Deng Y. Mechanisms of frost heave and salt expansion of soils. Beijing. N.Y.: Science press, 1999. -167 p.