Волновая динамика подземных инженерных коммуникаций взаимодействующих с грунтовой средой

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в странах с развитой строительной индустрией уделяется особое внимание повышению устойчивости, долговечности и срока службы подземных инженерных систем. Более чем в 100 учебно-научных центрах таких стран, как США, Англия, Германия, Россия, Китай, Узбекистан ведутся исследовательские работы по обеспечению долговечности и сейсмостойкости подземных магистральных газопроводов, трубопроводов теплоснабжения, водопроводов и канализационных систем. По сведениям признанных мировых организаций, на сегодняшний день более 25-30% всех общестроительных затрат приходятся на подземные сооружения. Вместе с тем предотвращение деформаций и аварийных случаев в трансмагистралях и в внутренних магистральных трубопроводах остаётся важной задачей. В мире уделяется большое внимание повышению долговечности, прочности и устойчивости к внешним воздействиям подземных инженерных систем. Развитие теории и методов расчета с учетом напряженно-деформированного состояния в зависимости от вида, массы, температуры и других параметров при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных сооружений в различных сейсмически активных зонах является важной задачей. В этой связи, в частности, осуществление целенаправленных научных исследований по разработке методов повышения устойчивости и прочности подземных инженерных систем, разработке эффективных методов определения упруго-вязко-пластических свойств грунтовой среды, окружающей подземные инженерные системы, при воздействии динамических сил являются важными задачами развития данной отрасли. После приобретения нашей страной независимости стали уделять особое внимание развитию строительной индустрии, проектированию различных инженерных систем для строящихся объектов. В этой связи, в частности, уделяется внимание развитию закономерностей взаимодействия подземных сооружений с лёссами и лёссовидными грунтами, занимающих 80-85% территории нашей республики. В стратегии действий, направленной на развитие Республики Узбекистан на 2017-2021 годы, особо подчеркивается, что необходимо «...коренное улучшение обеспечения потребностей сельского населения в чистой питьевой воде путем бесперебойного обеспечения жилищно-коммунальными услугами посредством строительства новых систем питьевого водоснабжения, с поэтапным внедрением экономичных и эффективных технологий»1. Для осуществления данной задачи на основе развития теории и методов с учетом волн распространяющихся в подземных системах водоснабжения, канализации и других инженерных сетях и как следствие развитие методов проектирования этих систем считается важнейшей задачей. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в указах Президента Республики Узбекистан №УП-4947 «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан» от 07 февраля 2017 года, в постановлениях Президента Республики Узбекистан №ПП-2900 «Об организации деятельности министерства жилищно-коммунального обслуживания Республики Узбекистан» от 18 апреля 2017 года, №ПП-2910 «О программе по комплексному развитию и модернизации систем питьевого водоснабжения и канализации в 2017-2021 годах» от 20 апреля 2017 года, а также в Постановлении Кабинета Министров Республики Узбекистан №340 «Об утверждении Положений о министерстве по жилищно-коммунальному обслуживанию, Об Инспекции по надзору за эксплуатацией многоквартирных жилищных фондов, о Агентстве «Коммунхизмат» от 02 июня 2017 года, а также в других нормативно-правовых документах. Цель исследования состоит в развитии метода расчета на прочность подземных инженерных систем с учетом распространения волны в системе сооружение-грунт. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: усовершенствован метод определения упруго-вязко-пластических характеристик грунта при действии динамических нагрузок за счет обеспечения квазистатичности процесса; усовершенствован метод определения степени взаимосвязи между законами взаимодействия и законами сдвигового деформирования грунтов посредством решения нелинейной волновой задачи о распространении волн для грунтового полупространства; усовершенствован метод оценки факторов, способствующих возникновению контактного слоя грунта методом численного решения задачи о распространении волн при сдвиговом взаимодействии нелинейно-деформируемой грунтовой среды с протяженным твердым телом; усовершенствован метод определения толщины контактного слоя при взаимодействии грунта и трубопровода посредством численного решения задачи о распространении волн при взаимодействии грунта с твердым телом; усовершенствован метод расчета на прочность и сейсмостойкость подземных трубопроводов на основе волновой теории сейсмостойкости подземных сооружений. Заключение На основе проведённых исследований по диссертации доктора наук (DSc) на тему «Волновая динамика подземных инженерных коммуникаций, взаимодействующих с грунтовой средой» представлены следующие выводы: 1. Усовершенствован метод определения механических характеристик грунтов при динамических нагружениях, основанный на сопоставлении результатов лабораторных экспериментов и решения теоретической задачи, соответствующей постановке эксперимента. Усовершенствованный метод позволяет определить оптимальные значения механических характеристик грунтов при динамических нагружениях. 2. На основе численного решения теоретической задачи соответствующей постановке эксперимента определено условие квазистатичности деформирования грунта на УДН-150 подтверждающее достоверность полученных результатов. Определенные условия дают возможность установления предельных условий для соблюдения квазистатичности при проведении экспериментов на установке УДН-150. 3. На основе разработанной методики определены механические характеристики лессовых грунтов при динамических нагрузках, близких к сейсмическим нагрузкам. Определенные механические характеристики позволяют производить расчеты на сейсмостойкость подземных сооружений. 4. Усовершенствован метод определения степени взаимосвязи между законами взаимодействия и законами сдвигового деформирования грунтов. Усовершенствованный метод позволяет снизить уровень сдвига грунта окружающего подземный трубопровод на 10-12%. 5. Усовершенствован метод оценки факторов, способствующих возникновению контактного слоя грунта методом численного решения задачи о распространении волны при сдвиговом взаимодействии нелинейно-деформируемой грунтовой среды с протяженным твердым телом. Усовершенствованный метод позволяет оценивать условия сохранения линейно-упругих или линейно-вязко-упругих свойств грунта за контактным слоем. 6. Обоснованы наблюдаемые в экспериментах проявления пикового значения касательного напряжения в контактном слое грунта, а также определена толщина самого контактного слоя грунта. Определенная толщина контактного слоя будет использоваться в расчетах на прочность подземных сооружений. 7. Усовершенствован метод определения степени разрушенности грунтового слоя за контактным слоем, показано, что грунт при сдвиговом взаимодействии с твёрдой поверхностью может оставаться в упругой или вязкоупругой стадии деформирования без разрушения, что соответствует результатам экспериментов. Усовешенствованный метод позволяет реально сопоставлять результаты теоретических и экспериментальных исследований. 8. Разработан метод определения возможности использования физически нелинейных законов деформирования грунтов и классических условий «полного прилипания» на границе котакта «сооружение-грунт» при их взаимодействии. Разработанный метод даёт возможность выбора оптимальных условий на границе контакта «сооружение-грунт». 9. Усовершенствован метод решения задач по расчету на прочность (сейсмостойкость) подземных сооружений, с учетом факторов, при которых необходимо применять законы трения, учитывающие проявление пикового значения силы трения, структурное разрушение контактного слоя грунта и нормальное к поверхности контакта давление грунта. Усовершенствованный метод позволяет учитывать различные факторы при расчетах. 10. Разработан метод численного решения одномерной связанной нелинейной нестационарной задачи о распространении волны в грунте и трубопроводе. Разработанный метод позволяет оценивать свойства и эффекты распространяющейся волны в системе «сооружение-грунтовая среда». 11. Разработан метод определения степени влияния на напряженное состояние подземного трубопровода, в основном, таких параметров, как распространение волны в грунтовой среде и физико-механических свойств грунта, а также установлено, что действие нагрузки на передний торец трубы практически не влияет на напряжённое состояние в трубе имеющей конечную длину, условия на заднем торце трубы значительно влияют на напряжённое состояние подземного стержня. Разработанный метод позволяет оценивать напряженно-деформированное состояние подземного трубопровода. 12. Разработана методика рачета продольных напряжений подземного трубопровода с учетом распространения продольных сейсмических волн в мягких грунтах, приводящих к проявлению вязко-пластических свойств грунтов, и в сравнении со случаем, когда не учитываются пластические свойства грунтов, т.е. грунтовая среда считается только вязкоупругой. Разработанная методика позволяет определять рост напряженно-деформированного состояния в трубопроводах, проложенных в лёссовом (мягком) грунте.