В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Брагарь Елены Петровны на тему «Изменение свойств грунтового основания, сложенного суглинками, при циклическом промораживании-оттаивании» по образовательной программе «8D07329 – Строительство».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра строительства» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на английском
Официальные рецензенты:
Jong-Sub Lee – PhD, профессор Школы гражданской, экологической и архитектурной инженерии, Университет Корё (г. Сеул, Республика Корея)
Дюсембаев Изим Насиевич – доктор технических наук, профессор кафедры «Строительный инжиниринг», Каспийский университет технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова (г. Актау, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Ankit Garg – PhD, доцент кафедры гражданского и интеллектуального строительства, Университет Шаньтоу (г. Шаньтоу, Китай).
Eun Chul Shin – PhD, председатель KOREA Consultant Co., Ltd. (г. Инчхон, Республика Корея).
Jinyuan Wang – PhD, доцент Школы гражданского строительства и архитектуры, Уханьский технологический университет (г. Ухань, Китай).
Научные консультанты:
Жусупбеков Аскар Жагпарович – доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство», директор Геотехнического института ЕНУ им. Л.Н.Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан).
Вuddhima Indraratna – PhD, заслуженный профессор Технологического университета Сиднея (г. Сидней, Австралия).
Защита состоится: 13 февраля 2025 года в 11:00 часов в смешанном формате (онлайн, оффлайн) в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D073-Архитектура и строительство» по образовательной программе «8D07329 – Строительство» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета будет проходить на платформе Microsoft Teams в онлайн формате.
Ссылка: http://surl.li/lxmnji
Адрес: г. Астана, ул. К. Сатпаева, 2, Учебно-административный корпус, аудитория №302.
Аннотация (рус.): Цель диссертационного исследования: Анализ и разработка математической зависимости изменения прочностных (угол внутреннего трения и удельное сцепление) и деформационных (одометрический модуль деформации) характеристик суглинков четвертичного отложения c различной влажности и коэффициента пористости при циклическом промораживании-оттаивании. Задачи исследования: 1) Определить и классифицировать факторы, влияющие на осадку строящихся зданий и сооружений, с позиции значимости, с учетом реалий строительной площадки, пылевато-глинистых грунтов оснований и суровых климатических условий 2) Выполнить анализ существующих закономерностей изменения прочностных и деформационных характеристик в различных дисперсных грунтах при циклическом промораживании-оттаивании, на основе мировой практики исследования данного вопроса. 3) Выполнить планирование трехфакторного трехуровневого эксперимента на основе выявленных в рамках литературного обзора факторов (коэффиицент пористости, влажность грунта, количество циклов промораживания-оттаивания), разработать методику выполнения лабораторных исследований, основанную на действующих нормативных документах. 4) Определить вертикальные деформации суглинков с различными начальными параметрами (коэффициент пористости, влажность) при циклическом промораживании-оттаивании, а также изменение их коэффициента пористости. 5) Разработать математическую модель изменения деформационных характеристик суглинков (модуль общей деформации) при циклическом промораживании-оттаивании. 6) Разработать математическую модель изменения прочностных характеристик суглинков (удельное сцепление, угол внутреннего трения) при циклическом промораживании-оттаивании. 7) Предложить алгоритм учета результатов исследований в проектной практике моделирования и прогноза осадок в неблагоприятных условиях. Методы исследования: В качестве исследуемого грунта был выбран наиболее распространённый тип пылевато-глинистого грунта на юге Западной Сибири, в Тюменской области – суглинок, с различным коэффициентом пористости и влажности, показателем текучести в пределах . Испытаниям подвергался грунт нарушенной структуры, образы изготавливались путем смешивания сухого грунта и необходимого количества дистиллированной воды. Плотность грунта и влажность грунта задавались в зависимости от требуемых влажности () и коэффициента пористости грунта (). Уплотнение грунта с заданной влажностью производилось послойно, в три этапа до требуемой плотности. Образцы изготавливались в металлических кольцах: для испытаний на срез - диаметром 71,5 мм и высотой 35 мм; для компрессионных испытаний - диаметром 87 мм и высотой 25 мм. В рамках исследования был проведен трехфакторный трехуровневый эксперимент. В качестве основных исследуемых факторов были выбраны: коэффициент пористости грунта (), влажность грунта (), количество циклов промораживания-оттаивания (). Помимо этого, были проведены дополнительные эксперименты с количеством циклов промораживания-оттаивания, равным 1 и 3 (или 4), для уточнения промежуточных значений прочностных и деформационных характеристик. Образцы были заморожены при температуре -20°С и оттаяны при +20°С, время замораживания и оттаивания – 12 часов. Образцы помещались в закрытую систему для предотвращения возможного испарения воды, при этом подтока воды к образцам не было. Был применен метод всестороннего замораживания при постоянной температуре. Образцы помещались в металлические кольца без воздействия нормальных напряжений. Во время циклического промораживания-оттаивания производились измерения вертикальных деформаций образцов грунтов при помощи индикатора часового типа ИЧ-50, с точностью 0,01мм. Деформационные характеристики грунта (модуль общей деформации , модифицированный индекс компрессии , модифицированный индекс рекомпрессии ) были определены посредством проведения испытаний методом компрессионного сжатия образцов исследуемого грунта. Испытания проводились на установке компрессионного сжатия, произведенной компанией НПП «Геотек» (Россия) с использованием универсального вычислительного комплекса АСИС – компрессионно-фильтрационные испытания дисперсных грунтов. Прочностные характеристики грунта (угол внутреннего трения , удельное сцепление ) определялись посредством проведения испытаний образцов грунта заданной плотности и влажности на срез. Испытания проводились в приборе одноплоскостного среза (НПП «Геотек», Россия). Для описания зависимостей изменения характеристик грунта (модуля общей деформации, угла внутреннего трения и удельного сцепления) от исследуемых факторов (коэффициент пористости грунта, начальная влажность грунта, количество циклов промораживания-оттаивания) была разработана программа в среде программирования Delphi 7 на объектно-ориентированном языке PASCAL. Программа предусматривает три варианта обработки экспериментальных данных: произведение трех полиномов соответствующего порядка от каждой переменной, сумма полиномов произвольного порядка от каждого параметра, разложение функции в ряд Тейлора в окрестности заданной точки по трем переменным. Далее полученные в рамках лабораторных исследований данные были загружены в разработанную программу с целью подбора наиболее точной математической зависимости для прочностных (угол внутреннего трения, удельное сцепление) и деформационных (модуль общей деформации) характеристик грунтов. Основные положения (доказанные научные гипотезы и другие выводы, являющиеся новыми знаниями), выносимые на защиту 1. Определены факторы, влияющие на полную осадку сооружения, включая «технологическую осадку», выполнена их классификация в том числе с позиции значимости для работы в суровых климатических условиях (пылевато-глинистые грунты, высокий уровень грунтовых вод), выявлена необходимость учета технологической составляющей осадки, которая вследствие плохой прогнозируемости приводит к аварийным ситуациям на строящихся объектах. Рассмотрены существующие методы защиты грунтов от разуплотнения при циклическом промораживании-оттаивании, однако отмечается их возможная неэффективность при неправильном проектировании или производстве работ, что снижает эксплуатационную надежность объектов строительства. 2. Проведен комплексный анализ мировой практики существующих закономерностей снижения прочностных и деформационных характеристик в различных дисперсных грунтах при промораживании-оттаивании, выявлена необходимость разработки математических моделей изменения механических характеристик суглинков с , широко распространенных повсеместно, в том числе и в Российской Федерации, на территории Тюменской области, для дальнейшего использования в инженерной практике. 3. Выполнено планирование трехфакторного трехуровневого эксперимента на основе выявленных в рамках литературного обзора факторов (коэффициент пористости , влажность грунта , количество циклов промораживания-оттаивания ), разработана методика выполнения лабораторных исследований, основанная на действующих нормативных документах. 4. Выявлены закономерности вертикальных деформаций суглинков с и при циклическом промораживании-оттаивании. Получено, что процесс циклического промораживания-оттаивания в большинстве случаев приводит к доуплотнению грунтов на величину до 3,1% вследствие разрушения макроструктуры грунта при промораживании и дальнейшей переупаковки частиц при оттаивании под действием собственного веса грунта. На основе лабораторных данных получены математические зависимости изменения коэффициента пористости от количества циклов промораживания-оттаивания для суглинков с различными начальными коэффициентами пористости и влажностью. 5. Установлено, что максимальное изменение модуля деформации происходит на 1-3 циклах. При дальнейшем промораживании-оттаивании до 10 циклов значение модуля деформации постепенно стабилизируется. Важно отметить, что изменение модуля деформации напрямую зависит от изменения объема образца: ввиду доуплотнения большей части образцов при циклическом промораживании-оттаивании одометрический модуль деформации увеличивается до 32%. На основе выполненных экспериментально-теоретических исследований разработана математическая модель и построены номограммы изменения деформационных характеристик (одометрический модуль деформации в диапазоне давлений 100-200 кПа) суглинков с и вследствие циклического промораживания-оттаивания. Модель основана на разложении полинома в ряд Тейлора по методу наименьших квадратов. Зависимость позволяет учесть коэффициент пористости грунта, его влажности и количество циклов промораживания-оттаивания, которым был подвержен грунт в реальных условиях. 6. В результате выполненных лабораторных исследований выявлено, что характер изменения угла внутреннего трения при циклическом промораживании-оттаивании неочевиден. Так, при 1-5 циклах наблюдается как увеличение данной характеристики, так и её уменьшение. Однако характерно то, что после 10 циклов промораживания-оттаивания угол внутреннего трения либо возвращается к начальным значениям (до циклов), либо увеличивается до 1,5 раз для большинства суглинков. Получено, что удельное сцепление имеет очевидную тенденцию к снижению при циклическом промораживании-оттаивании до 87% в зависимости от начальных данных. На основе выполненных экспериментально-теоретических исследований определена математическая модель и построены номограммы изменения прочностных характеристик суглинков (удельное сцепление, угол внутреннего трения) при циклическом промораживании-оттаивании с учетом начальных параметров (коэффициент пористости, влажность грунта). 7. Предложен алгоритм учета изменения физико-механических характеристик суглинка вследствие циклического промораживания-оттаивания при строительстве в неблагоприятных условиях с целью использования в проектной практике: при выполнении численного моделирования прогноза состояния склонов, откосов, насыпей, набережных и прогноза осадок фундаментов зданий и сооружений. Обоснование новизны и важности полученных результатов Теоретическая значимость заключается в экспериментальном выявлении закономерностей и разработке математических зависимостей изменения физико-механических характеристик суглинков при циклическом промораживании-оттаивании. Научная новизна состоит в разработке математических зависимостей изменения прочностных (угол внутреннего трения, удельное сцепление) и деформационных (одометрический модуль деформации) характеристик при циклическом промораживании-оттаивании для суглинков в зависимости от начального коэффициента пористости и влажности грунта, а также выявлении закономерностей изменения коэффициента пористости суглинков при циклическом промораживании-оттаивании. Практическая значимость заключается в предложенном алгоритме учета изменения физико-механических характеристик суглинков вследствие циклического промораживания-оттаивания, который может быть использован в инженерной практике для выполнения поверочных расчетов, разработке превентивных мер и противоаварийных мероприятий. Соответствие направлениям развития науки или государственным программам Отрицательные температуры в зимний период наблюдаются на значительной территории земного шара, а именно на территории России, США, Норвегии, Монголии, Казахстана, Финляндии, Эстонии, Канады, Китая, Швеции и ряда других стран. Грунты оснований зданий и сооружений, земляные сооружения возводимые в указанных регионах, находятся под активным влиянием циклических процессов промораживания-оттаивания, при различной влажности, гидростатическом и гидродинамическом воздействии воды и пр. Известно, что циклическое промораживание и оттаивание грунтов в холодных регионах в значительной степени ухудшает геотехнические свойства основания. Это приводит к пучению и просадкам оттаивания, повреждению и даже разрушению фундаментов различных промышленных и гражданских зданий, искусственных сооружений, таких как дороги, трубопроводы и дамбы. Ввиду этого при проектировании различных сооружений, следует учитывать возможное снижение прочностные и деформационных характеристик грунтов, при промораживании и оттаивании, относительно начальных значений, полученных при изысканиях. Данный вопрос также актуален для устойчивости откосов котлованов, траншей, выемок и насыпей, крутизну которых назначают обычно исходя из условий их естественного залегания без учета возможного их промораживания и оттаивания. Однако очень часто строительство сооружений осуществляется в течение продолжительного периода времени, охватывающего как летние, так и зимние месяцы. Поэтому грунты в откосах открытых траншей и котлованов, а также выемки и насыпи оставшиеся не завершенными к зимнему периоду, промерзают, а затем оттаивают весной, зачастую с существенным изменением своих строительных свойств. Вопрос об изменении свойств грунтов изучался ранее учеными со всего мира, однако до сих пор является открытым ввиду многообразия грунтов и отсутствия универсальных подходов, описывающих с высокой точностью изменение механических свойств грунтов при циклическом промораживании-оттаивании. Таким образом, данная тема исследования остается актуальной по сей день, в частности для широко распространенных видов естественных грунтовых оснований, в том числе и на территории Тюменской области, представленных суглинками различной консистенции. Описание вклада соискателя в подготовку каждой публикации: Публикации: Статьи в международных рецензируемых научных журналах с процентилем по шкале CiteScore не менее 25 (двадцати пяти) в базе данных Scopus: 1. Evaluation of the Strength Characteristics of Silty-Clayey Soils during Freezing-Thawing Cycles // Applied Sciences (Switzerland). – 2022. – Vol. 12(2). – P. 802 (Q2). 2. Evaluation of the strength parameters of clay loams during freezing-thawing cycles // Smart Geotechnics for Smart Societies. – 2023. – P. 2036–2041 (Q3). Статьи в материалах международных и национальных конференций, проводимых в Казахстане и за рубежом: 3. Changes in soil properties at unloading of base of deep foundation pit // Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction: New Materials, Structures, Technologies and Calculations - Proceedings of the International Conference on Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction: New Materials, Structures, Technologies and Calculations, GFAC 2019. – 2019. – P. 290-295. 4. Risks of using artificial sand base in difficult geotechnical conditions // Journal of Physics: Conference Series. –2021. – 1928(1), 012015. 5. Changes in silty-clayed soil properties due to hydrodynamic water pressure at excavation of a deep pit // Proceedings of the 7th International Young Geotechnical Engineers Conference – Scott (Ed.), 2022 Australian Geomechanics Society, Sydney Australia, ISBN 978-0-9946261-5-8. – 2020. – P. 89-93. Статьи в других рецензируемых научных журналах и книгах: 6. To the statistical analysis of soil shear tests results // Construction and Geotechnics. – 2020. – Vol. 3. – P. 8-17. 7. The influence of the area flooding process on the buildings soilbase characteristics // Bulletin of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and Architecture. – 2021. – Vol. 1(82). – P. 89-100. Апробация: В 2019 году, 6-8 февраля состоялся доклад на Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы геотехники: Новые материалы, конструкции, технологии и методики расчетов», Санкт-Петербург, Россия. В 2019 году, 25-27 сентября был представлен доклад на V Международной молодежной научно-практической геотехнической конференции, Москва, Россия. В 2020 году, 26 ноября, выступление с докладом на I Межвузовской студенческой научно-технической конференции «Актуальные проблемы подземного строительства», Новосибирск, Россия. В 2021 году, 26-28 мая, был представлен доклад на II Всероссийской конференции с международным участием «Фундаменты глубокого заложения и проблемы геотехники территорий», Пермь, Россия. В 2021 году, 27-29 октября, был представлен доклад на Международной научно-технической конференции по геотехнике «Современные теоретические и практические вопросы геотехники: новые материалы, конструкции, технологии и методы расчета», Санкт-Петербург, Россия. В 2022 году, 29-31 апреля, выступление с докладом на 7-й Международной конференции молодых инженеров-геотехников, Сидней, Австралия. В 2022 году, 15-17 июня, выступление с докладом на Евразийском инновационном форуме «Актуальные проблемы развития и безопасности крупных городов», Алматы, Казахстан. В 2022 году, 29 сентября, был представлен доклад на IV Международной научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении», Новочеркасск, Россия. В 2022 году, 28 ноября, был представлен доклад на IV Международной научно-практической конференции «АРКТИКА: современные подходы к производственной и экологической безопасности в нефтегазовом секторе», Тюмень, Россия. В 2023 году, 12 апреля, выступление с докладом на Юбилейной XV Всероссийской молодежной конференции аспирантов, молодых ученых, студентов и школьников, посвященной 70-летию ПНИПУ, Пермь, Россия. В 2023 году, 24 мая, была представлена презентация на XIX Международном форуме-конкурсе студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы недропользования», Санкт-Петербург, Россия. В 2023 году, 14-18 августа, был представлен доклад на 17-й Азиатской региональной конференции по механике грунтов и геотехнике, Астана, Казахстан. В 2023 году, 16-18 октября, был представлен доклад на Международной научно-технической конференции «Использование современных моделей в механике грунтов, геотехнических расчетах и фундаментостроении», Воронеж, Россия. В 2024 году, 29-31 мая, был представлен доклад на III Всероссийской конференции с международным участием «Фундаменты глубокого заложения и проблемы геотехники территорий», г. Пермь, Россия.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=QeyWijkM9KU
