Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований




Скачать 396.3 Kb.
НазваниеНаучно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований
страница1/3
Дата20.11.2012
Размер396.3 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3



На правах рукописи


Строкова Людмила Александровна



НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЧИСЛЕННОГО ПРОГНОЗА ДЕФОРМИРОВАНИЯ


ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ


25.00.08 – инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение


АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой степени
доктора геолого-минералогических наук


Томск - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»



Научный

консультант

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Шварцев Степан Львович


Официальные

оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Пендин Вадим Владимирович


доктор геолого-минералогических наук, профессор

Ольховатенко Валентин Егорович


доктор геолого-минералогических наук

Кусковский Виктор Семенович


Ведущая

организация:

Сибирский государственный университет путей

сообщения, г. Новосибирск



Защита состоится 5 декабря 2011 г. в 9.00 на заседании диссертационного совета Д 003.022.01 при Институте земной коры Сибирского отделения РАН; 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института земной коры Сибирского отделения РАН.


Отзывы об автореферате в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета к. г.-м. н. Людмиле Павловне Алексеевой, тел. (3952) 422-777, факс (3952) 42-69-00, 42-70-00, e-mail: lalex@crust.irk.ru


Автореферат разослан сентября 2011 г.


Ученый секретарь диссертационного

совета Д 003.022.01 к. г.-м. н. Л.П. Алексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Исследование поведения грунта как сложной природной среды, составление точного расчетного прогноза его работы в основании инженерного сооружении является одним из важнейших звеньев безопасного строительства не только вновь возводимого сооружения, но обеспечения безопасности окружающей застройки и коммуникаций. Увеличение этажности зданий и сооружений, повышение плотности городской застройки, активное освоение подземного пространства, ставит задачу совершенствования технологии расчета грунтовых оснований на базе использования сложных нелинейных моделей поведения грунта специализированных геотехнических комплексов.

Актуальность диссертационной работы вытекает из сложившегося противоречия между широким ассортиментом программных продуктов для расчетов напряженно-деформируемого состояния системы «грунтовый массив–инженерное сооружение», ростом их использования в инженерной практике, их привлекательности с точки зрения точности, скорости расчета, притягательности для глаз компьютерной графики, с одной стороны, и отсутствием теоретических исследований, нормативов, регламентов процесса разработки цифровых расчетных моделей – с другой. Данное противоречие преодолевается развитием методологического обеспечения процесса создания расчетных моделей.

Целью диссертационной работы является научное обоснование технологии создания цифровых расчетных моделей грунтов и разработка практических рекомендаций по их применению для прогноза деформаций оснований.

Для достижения цели были решены следующие основные задачи:

  1. разработка основ и определение принципиальной технологической схемы инженерно-геологического изучения и численного прогноза деформирования грунтовых оснований;

  2. анализ источников и методов исследования неопределенностей при изучении поведения пород при взаимодействии с инженерным сооружением и создании расчетных схем;

  3. структурирование информации об областях применения уравнений поведения грунтов при нагружении в расчетах по предельным состояниям оснований зданий и сооружений;

  4. систематизация методик определения основных и дополнительных параметров физико-механических свойств грунтов, установление их расчетных значений для оценки деформаций оснований при помощи нелинейных расчетных моделей специализированных геотехнических комплексов;

  5. систематизация методов проверки создаваемой цифровой расчетной модели и оценки ее адекватности реальному поведению.

Объектом исследования являются природно-технические системы элементарного и локального уровней в городах Мюнхен и Кемерово. Выбор модельных территориальных объектов исследования обусловлен относительно хорошей изученностью свойств геологической среды, наличием данных технического мониторинга за деформациями оснований и сооружений, с вытекающей отсюда возможностью объективного анализа и прогноза процессов деформирования грунтов с учетом взаимодействия с инженерными сооружениями.

Предметом исследования является процесс разработки цифровых расчетных моделей грунтовых оснований для оценки их деформаций при использовании специализированных геотехнических программ и совершенствование технологии разработки таких моделей.

Методы исследования: системно-функциональный анализ; теория нечетких множеств; теория вероятностей и математическая статистика; теория надежности; математическое моделирование методом конечных элементов (МКЭ). Оценка деформируемости грунтов проводилась в ходе компрессионных, трехосных К0-консолидации и полевых испытаний дилатометром. При обработке, анализе и интерпретации данных наблюдений использовались программы «MS Excel», «Deductor» и другие.

Личный вклад автора. Диссертация выполнялась на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ во время обучения в докторантуре. В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором в лабораторных исследованиях, при их обработке и моделировании во время стажировки в Техническом университете города Мюнхена. Лично автором были проведены и обработаны результаты около 300 определений классификационных показателей по 30 скважинам, 100 трехосных испытаний, 40 испытаний методом одноплоскостного среза грунтов, 12 испытаний методом кольцевого среза; выполнена разработка около 200 цифровых расчетных моделей.

Конкретными результатами, содержащимися в работе и полученными лично автором, являются:

  1. Принципиальная технологическая схема создания цифровой расчетной модели, начинающаяся с инженерно-геологического изучения объекта и заканчивающаяся численным прогнозом деформирования грунтовых оснований.

  2. Классификация определяющих уравнений для грунтов при решении геотехнических задач, уточнение руководящих положений по отбору моделей для расчета.

  3. Результаты специальных исследований механических характеристик грунтов для нелинейных методов расчета деформаций грунтовых оснований при помощи специализированного геотехнического комплекса.

  4. Методики определения, калибровки, проверки расчетных параметров физико-механических свойств грунтов.

  5. Процедура оценки чувствительности выходных параметров расчетных моделей (величины деформаций, перемещений и напряжений) к изменению входных параметров (показателей физико-механических свойств грунтов).

  6. Результаты численного прогноза деформирования грунтовых оснований модельных территориальных объектов.

Научная новизна работы состоит в следующем.

  1. Постановка новой научной проблемы – методологическое обеспечение процесса создания цифровых расчетных моделей для численного прогноза деформаций грунтовых оснований. Исследование и научное обоснование процедур процесса создания цифровых расчетных моделей.

  2. Впервые разработана классификация определяющих уравнений грунтов при помощи деревьев решений и рекомендованы руководящие положения по отбору моделей поведения грунтов при нагружении для расчета деформаций оснований сооружений.

  3. С новых позиций выявлены и описаны методы определения и назначения параметров модели, конкретизирована процедура калибровки параметров деформируемости грунтов.

  4. Предложены процедуры тестирования цифровых расчетных моделей, например, анализ чувствительности выходных параметров расчетных моделей к изменению входных параметров на примере расчета осадок и перемещений подпорных стен.

  5. Впервые использован разведочный анализ данных мониторинга для прогнозирования деформаций поверхности, связанной с проходкой туннелей.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена теоретическими выкладками, совпадением численных результатов с решениями, полученными аналитически и результатами натурных наблюдений. Достоверность экспериментальных данных обеспечена использованием современных приборов (трехосных, компрессионных, сдвиговых) и методик проведения исследований (ГОСТ, DIN, CEN, ISO) в аккредитованных лабораториях Технического Университета г. Мюнхена и Томского политехнического университета. Положения теории основываются на известных достижениях фундаментальных и прикладных научных дисциплин (механика грунтов, теория нечетких множеств, теория вероятностей и математическая статистика), сопряженных с предметом исследования диссертации.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований позволяют существенно увеличить точность и достоверность расчетов, уменьшить трудозатраты и временные ресурсы на этапе разработки расчетной модели; сократить неопределенности в определении параметров грунтов и при назначении входных параметров, что позволит улучшить качество проектирования; сократить сроки подготовки специалистов к работе с программными комплексами.

Классификация определяющих уравнений для грунтов имеет цель обеспечения единообразия и сопоставимости результатов расчетов. Типичные значения и методики определения некоторых параметров грунтов могут быть внесены в нормативные документы и рекомендации по проектированию оснований зданий и сооружений.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Научной основой оценки и прогноза деформирования грунтов является классификация определяющих уравнений, представленная в виде деревьев решений, позволяющая сделать выбор модели поведения основных типов грунтов.

  2. Экспериментальное определение основных и дополнительных параметров физико-механических свойств грунтов, калибровка показателей деформируемости, определение начального напряженного состояния, назначение входных параметров численного моделирования с учетом имитации лабораторных испытаний служат методико-технологической основой численного прогноза деформирования грунтов.

  3. Для повышения точности расчетов при моделировании напряженно-деформированного состояния конкретной природно-технической системы следует выполнять анализ чувствительности решений к входным параметрам, вычисление абсолютных и относительных погрешностей решения.

  4. С целью корректировки создаваемых цифровых расчетных моделей, выполнения прогнозов и обоснования оптимальных проектных решений, необходимо использовать данные технического мониторинга за деформациями оснований и сооружений. Содержание и методы анализа данных мониторинга детально раскрываются на примере решения задач, связанных с оседанием земной поверхности, вызванным проходкой туннелей.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: «Международный год Земли…» Томского государственного архитектурно-строительного университета; «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», 2009 г., организованной Институтом горного дела СО РАН (г. Новосибирск); V Всероссийской конференции «Перспективы развития инженерных изысканий для строительства в РФ», организованной АСИС и ПНИИИС, 2009 г. (г. Москва); на научных семинарах кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Томского политехнического университета, Читинского государственного университета.

Публикации. Из 90 работ автора по теме диссертации опубликовано 35 работ, в т.ч. 26 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК и два учебных пособия общим объемом 34,1 п. л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, перечня цитируемых источников из 221 наименований, иллюстрирована 133 рисунками и 54 таблицами. Объем диссертации 265 страниц.

Автор глубоко признательна и благодарна зав. кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ИПР ТПУ д.г.-м.н., профессору С.Л. Шварцеву за многолетнее обучение и содействие.

Особая благодарность руководству Центра геотехники Технического университета Мюнхена проф. Н. Фогту, д-ру Г. Брою и заведующему грунтовой лабораторией д-ру И. Филлибеку за предоставленную возможность использовать уникальные технические и библиотечные ресурсы Центра, инженерам Г. Пельц и Р. Хёфле, лаборантам М. Трёндле и М. Хозер за всестороннюю поддержку и помощь в освоении программных комплексов и аппаратуры для трехосных испытаний.

Автор выражает глубокую признательность профессорам ТПУ М.Б. Букаты, В.Д. Евсееву, Н.М. Рассказову, О.Г. Савичеву, М.А. Шустову, доцентам Т.Я. Емельяновой, П.П. Ипатову, В.В. Крамаренко, профессорам ТГАСУ А.И. Полищуку, Г.Г. Щербаку за советы, замечания и рекомендации.

За предоставленные для численного моделирования материалы по инженерным изысканиям в г. Кемерово автор выражает особую признательность руководству ООО «Геотехника» В.Н. Сахарову и Ю.В. Минтянову.


Глава 1. Современные представления о создании расчетных моделей оснований сооружений

Выполнен критический анализ основных экспериментальных и теоретических результатов, обосновывающих представления автора о процессе создания цифровых расчетных моделей грунтовых оснований.

Рассмотрены роль, цели и этапы моделирования в инженерной геологии и геотехнике, в частности. Показано, что главной целью составления расчетной модели грунтового основания является обоснование главных параметров проекта, таких как: тип основания; конструкции, материал и размеры фундаментов, с учетом предполагаемого поведения массива грунта и наступления возможных предельных состояний, при максимуме эффективности инвестиций и допускаемом уровне риска достижения основанием предельных состояний и последствий.

Предложено различать расчетные модели 2-х типов: аналитические и цифровые по следующим признакам: характеристике и методике определения параметров модели, используемым решениям, точности решения (табл. 1).

Методологическое обеспечение процесса разработки аналитических моделей создано и отлажено. Существуют нормативы, регламенты по всей процедуре создания таких моделей. К недостаткам аналитических расчетных моделей следует отнести невысокую точность, трудности в описании эффектов нелинейности и необратимости деформаций в поведении грунтового массива, особенно значимых вблизи предельного состояния.

Таблица 1.

Виды расчетных моделей грунтовых оснований

Видовые признаки моделей

Виды расчетных моделей

Аналитические

Цифровые

Используемые
параметры

Основные параметры:

с, φ, Е

Дополнительные параметры (эмпирические параметры, функции)

Используемые
решения

Аналитические решения в замкнутой форме

Решение дифференциальных уравнений (МКЭ, МКР)

Точность

решения

Низкая

(расхождение с данными наблюдений 3-10 %)

Высокая

(расхождение с данными наблюдений до 10-3 %)


Цифровые модели появились сравнительно недавно, стали стремительно занимать свою нишу в проектировании, благодаря высокой точности решений. Методологическое обеспечение процесса разработки таких моделей находится в самом начале становления. Отсутствуют нормативы, регламенты по определению параметров моделей, применяемым решениям.

Под цифровой расчетной моделью автором предложено понимать преобразованную на ЭВМ инженерно-геологическую модель (специализированные карты и разрезы) грунтового массива с учетом требований расчета предполагаемого предельного состояния для изучения поведения грунтового массива путем математического моделирования на базе численных методов.

Алгоритм создания цифровой расчетной модели представлен на рис. 1.

Создание расчетной модели начинается со схематизации объекта исследования, введения упрощений, позволяющих отказаться от несущественных особенностей, не влияющих заметным образом на работу системы в целом. Схематизация, упрощение объекта исследования связано с преодолением исследователем разного вида неопределенностей. При этом под неопределенностью понимается неполнота или неточность информации о параметрах среды, об условиях реализации проекта, в том числе о связанных с ними затратах и результатах.

Рис. 1. Алгоритм создания цифровой расчетной модели.
(Серым цветом выделены процедуры, рассмотренные в работе подробно.)


Описание неопределенностей, методика их оценки в геотехническом проектировании рассмотрены в работах А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер, R.V. Whitman, N.C. Lind, K.K. Phoon, F. Kulhawy, G.G. Meyerhof, J. Duncan, Y. Honjo, M. Suzuki, H. Einstein, W.A. Marr, G.R. Koerner, B. Simpson, H.F. Schweiger, G.M. Peschl, J.L. Kramer, E.H. Vanmarcke, G.А. Fenton, М.В. Jaksa и др.

Важный вклад в описании неопределенностей сложных систем при помощи классической теории множеств, теории вероятности, теории нечетких множеств внесли работы A. Stirling (1998), J. van der Sluijs (1996, 2005) и др. Описанные в указанных исследованиях количественные и качественные методы по учету неопределенностей, такие как анализ чувствительности, метод дерева решений, нейронные сети, использованы в диссертации для развития теоретических представлений о процессе создания расчетных моделей оснований.

В работе дан обзор основных событий в исследовании закономерностей в поведении грунта при механическом воздействии, отмечен вклад отечественных ученых: Г.Г. Болдырева, Г.В. Бондарика, С.С. Вялова, Н.М. Герсеванова, М.Н. Гольдштейна, Ю.К. Зарецкого, Э.В. Калинина, Н.Н. Маслова, С.Р. Месчяна, Д.Е. Польшина, З.Г. Тер-Мартиросяна, С.Б. Ухова, В.А. Флорина, Н.А. Цытовича и др.

Охарактеризован перечень программных комплексов для оценки напряженно-деформированного состояния грунтового массива – инженерного сооружения, таких как ABAQUS, ANSYS, COSMOS, NASTRAN, LS-DINA, PLAXIS и др., по типу решаемых с их помощью задач и свойствам материалов. Информация в специализированных журналах и материалах фирм-разработчиков аналитических программных продуктов относится к области демонстрации закладываемых в программу возможностей. При описании применения программных продуктов для решения конкретных инженерных задач часто остается неосвещенным вопрос - какие теоретические положения определили выбор модели поведения материала из множества имеющихся? Так, например, в программе MARS используется порядка 30 определяющих уравнений для материалов, в ABAQUS их уже порядка 200.

В литературе описано значительное число моделей поведения грунта для решения конкретных задач, однако отсутствие структуризации знаний определило в настоящее время необходимость разработки классификации имеющихся моделей, что позволит оптимизировать процесс создания модели и повлияет на качество проектирования в целом.

Анализ отечественных и зарубежных публикаций по созданию цифровых расчетных моделей привел к выводу о том, что методологическое обеспечение процесса разработки цифровых расчетных моделей находится в самом начале становления: отсутствует системность, структуризация знаний о моделях, нет нормативов, регламентов этого процесса.

Слабыми звеньями сложившейся технологии по созданию цифровых расчетных моделей, требующими совершенствования являются: установление математического уравнения связи между напряжениями и деформациями элементов системы, задание параметров модели, тестирование модели на соответствие.


  1   2   3

Похожие:

Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconНаучно-практическая конференция
Ран), Российского геологического общества (РосГео) и Российской академии естественных наук (раен) проводит 24–25 мая 2011 г в Москве...
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconМатематическое моделирование задач нелинейного деформирования в координатах эйлера
Йного деформирования. При численном решении статических задач сильного нелинейного деформирования с использованием метода продолжения...
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconМетодические указания для самостоятельной работы на тему «Проектирование оснований и фундаментов зданий»
«Проектирование оснований и фундаментов зданий» по дисциплине «Основания и фундаменты» для студентов специальности 270102. 65
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconМетодические основы п р е п о д а в а н и я э л е к т р о т е Х н и к и в педагогическом вузе
В данной работе рассматриваются научно-методические положения и некоторые
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconАлгебраический порядок точности численного метода (порядок точности численного метода, степень точности численного метода, порядок точности, степень точности) —
«Алгоритм — это конечный набор правил, который определяет последовательность операций для решения конкретного множества задач и обладает...
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconПроект долгосрочного прогноза научно-технологического развития Российской Федерации (до 2025 года) был представлен его разработчиками на заседание
Проект долгосрочного прогноза научно-технологического развития Российской Федерации (до 2025 года) был представлен его разработчиками...
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconСемакин И. Г., Шеина Т. Ю. Преподавание базового курса информатики в средней школе: Метод пособие
Тема: Научно-методические основы реализации содержательной линии «Основы алгоритмизации и программирования»
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconСистемный подход к сейсмоизоляции зданий при сложных грунтовых условиях
Проблема сейсмоизоляции зданий при строительстве в сложных грунтовых условиях имеет свою специфику и требует системного подхода,...
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconМатематическое моделирование фильтрации грунтовых вод хацуков З. М
Учреждение Российской академии наук Научно-исследовательский институт прикладной математики и автоматизации кбнц ран, г. Нальчик
Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований iconИсследование пространственно-временных характеристик уровня грунтовых вод на орошаемых массивах саратовского заволжья
Динамика почвенных и грунтовых вод зависит от множества факторов: климата, рельефа, геологического строения, почвенного и растительного...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница