Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по геологии-минералогии

Научно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований

Автореферат докторской диссертации по геологии-минералогии

СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА

Страницы: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

 

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 ЗемлиЕ 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, ?, 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.

Определение целей моделирования

Схематизация объекта

Поиск математического описания предельного состояния

Исходный объект

Компьютерная модель

Выбор определяющих уравнений

Дискретизация пространства

Задание

параметров

Расчеты

на ЭВМ

Анализ результатов

Уточнение модели

Конец

работы

а 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.

СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА

Страницы: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по геологии-минералогии