ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Кірічек Юрій Олександрович

УДК 624.131.5:624.15

ВЗАЄМОДІЯ КОМБІНОВАНИХ

МАСИВНО-ПЛИТНИХ ФУНДАМЕНТІВ

ІЗ ҐРУНТОВОЮ основою

ПРИ РІЗНИХ ВИДАХ НАВАНТАЖЕНЬ

05.23.02 – підвалини та фундаменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ-2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі основ та фундаментів Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (ПДАБА), Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант: заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук професор

Швець Віктор Борисович,

завідувач кафедри основ та фундаментів ПДАБА, Міністерство освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук професор Зоценко Микола Леонідович,

завідувач кафедри основ та фундаментів Полтавського державного технічного університету ім. Ю. Кондратюка, Міністерство освіти і науки України;

доктор технічних наук професор Таранов Валентин Георгійович, завідувач кафедри механіки ґрунтів, підвалин та фундаментів Харківської державної академії міського господарства, Міністерство освіти і науки України;

доктор технічних наук професор Чорний Гелій Іванович, головний науковий співробітник Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Держбуду України.

Провідна установа:

Одеська державна академія будівництва та архітектури, кафедра механіки ґрунтів та надійності споруд, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться 29 листопаду 2001 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ПДАБА: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розіслано 26 жовтня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ______________ Баташева К. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток методів розрахунку й проектування фундаментів, що піддаються комплексній дії статичних, динамічних навантажень і високих температур, є однією з найбільш складних і важливих проблем сьогодення. Як показують результати обстежень, проведених на промислових об'єктах України, кількість відмовлень фундаментів, що працюють у таких умовах, ще велика. Наслідком таких відмовлень є виникнення аварійних ситуацій і зупинка технологічних процесів, що приводить до значних економічних втрат, особливо на великих підприємствах з безперервним технологічним процесом, як-от: атомні, теплові електростанції тощо.

Перехід від універсальних фундаментів до нових раціональних конструкцій, найбільш ефективних у конкретних умовах з урахуванням виду навантажень і характеру взаємодії з ґрунтовою основою, дозволяє істотно підвищити надійність фундаментів, а застосування методів математичного програмування - поліпшити їхні техніко-економічні показники.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження пов'язане з науковою тематикою кафедри основ та фундаментів ПДАБА, де автор працював протягом 1982 – 1999рр. як науковий керівник або відповідальний виконавець науково-дослідних робіт (НДР) № 596, 560, 805, 989, 852, 873, 818, 825, 47. Робота виконувалася за планами найважливішої тематики ОЦ.002.001.01Ц.09.Н6: "Провести дослідження й розробити заходи щодо забезпечення та підвищення надійності системи "турбоагрегат-фундамент-основа" енергоблоків, що створюються та перспективних, розробити нові конструкції фундаментів для цих блоків і методи прогнозування їхньої динамічної й статичної роботи" і ОЦ.031.055. 16Ц.04.05.З11, що виконувалися за наказами Держкомітету з науки та техніки СРСР, Держплану СРСР і Держбуду СРСР. Окремі розділи роботи виконувалися за тематичним планом Мінвузу України №19 і № 51 (1995-1996 рр.), а також держбюджетних НДР ПДАБА "Розробка економічних полегшених конструкцій фундаментів під машини з динамічними навантаженнями", на даний момент – за темою "Розробка ресурсозберігаючих методів розрахунку й проектування основ та фундаментів".

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження полягає у вивченні взаємодії комбінованих масивно-плитних фундаментів з основою, у розробці надійних високоефективних фундаментів, ресурсозберігаючих методів їх розрахунку та проектування при дії різних видів навантажень. Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:

- створити нові конструктивні рішення комбінованих масивно-плитних фундаментів під машини з динамічними навантаженнями;

- експериментально та теоретично дослідити взаємодію комбінованих масивно-плитних фундаментів з ґрунтовою основою;

- розробити методи розрахунку та проектування комбінованих масивно-плитних фундаментів на дію динамічного навантаження;

- запропонувати методи розрахунку й проектування фундаментів різної маси, об'єднаних тонкою плитою;

- розробити ресурсозберігаючі методи розрахунку та проектування фундаментів на дію динамічних і статичних навантажень із застосуванням теорії математичного програмування;

- на підставі натурних досліджень запропонувати методику експериментального визначення динамічних навантажень і температурних впливів на фундаменти, розробити методику прогнозування деформацій фундаментів складної форми при температурних впливах.

Об'єкт дослідження – комбіновані масивно-плитні фундаменти, взаємодія комбінованих масивно-плитних фундаментів з ґрунтовою основою при дії різного виду навантажень.

Предмет дослідження – ресурсозберігаючі методи розрахунку та проектування ефективних конструкцій фундаментів з урахуванням характеру навантажень і особливостей взаємодії з ґрунтовою основою.

Методи дослідження – експериментальні натурні дослідження роботи фундаментів під дією статичних, динамічних навантажень і високих температур; випробування великомасштабних моделей і натурних комбінованих масивно-плитних фундаментів; експериментальні дослідження динамічних характеристик основи та напружено-деформованого стану фундаменту й ґрунтової основи числовим методом; аналітичні дослідження деформацій фундаментів на ґрунтовій основі при різних навантаженнях.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- розроблено нові раціональні фундаменти під машини з динамічними навантаженнями, названі комбінованими масивно-плитними фундаментами, що мають більш високі техніко-економічні показники в порівнянні з традиційними;

- за результатами теоретичних і експериментальних досліджень уперше встановлено основні закономірності взаємодії комбінованих масивно-плитних фундаментів з ґрунтовою основою;

- розроблено аналітичні методи розрахунку комбінованих масивно-плитних фундаментів на ґрунтовій основі при дії горизонтальних і вертикальних періодичних навантажень, з урахуванням інерційності основи й заглиблення фундаменту;

- запропоновано аналітичні методи розрахунку коливань фундаментів, об'єднаних тонкою плитою, на ґрунтовій основі;

- розроблено нові конструктивні рішення фундаментів з регульованими динамічними характеристиками, що дозволяють за рахунок їхнього перенастроювання в процесі експлуатації значно знижувати інтенсивність коливань;

- експериментально вивчено характеристики пружності й демпфування ґрунтових основ тонких заглиблених плит, що дає змогу вдосконалити методику визначення динамічних характеристик ґрунтової основи фундаментів;

- отримали подальший розвиток методи експериментального визначення динамічних навантажень і температурних впливів на фундаменти в процесі тривалої експлуатації устаткування;

- запропоновано методику прогнозування температурних деформацій фундаментів складної форми в різних умовах експлуатації;

- отримали подальший розвиток ресурсозберігаючі методи розрахунку та проектування фундаментів на базі теорії математичного програмування, що дають можливість виконувати оптимальне проектування за обраними критеріями.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані нові комбіновані масивно-плитні фундаменти під машини з динамічними навантаженнями, методика їхнього розрахунку та проектування дозволяють значно знизити інтенсивність коливань і підвищити надійність роботи фундаментів і встановленого на них устаткування. Фундаменти з регульованими динамічними характеристиками забезпечують можливість істотного зниження інтенсивності коливань устаткування в різних режимах експлуатації. Застосування комбінованих масивно-плитних фундаментів в умовах сучасного виробництва з гнучкою технологічною схемою дає можливість легко перенастроювати й реконструювати фундаменти під нове обладнання. Результати досліджень використано при розробці програм для ЕОМ і практичних рекомендацій щодо розрахунку та проектування фундаментів.

Застосування обґрунтованих значень динамічних навантажень і температурних впливів на фундаменти, розроблені методи прогнозування деформацій і переміщень фундаментів дають можливість значно підвищити надійність роботи устаткування. Пропозиції щодо врахування деформацій фундаментів використано при розробці рекомендацій з експлуатації енергоблоків на Вуглегірській ТЕС, Запорізькій ТЕС, Запорізькій АЕС. Результати роботи застосовано при розробці Будівельних Норм та Правил 2.02.05-87 "Фундаменти машин з динамічними навантаженнями". Запропонована методика оптимального проектування фундаментів під дією статичних і динамічних навантажень дозволяє домогтися істотного ресурсозбереження в будівництві при гарантованому рівні надійності, вона прийнята для запроваджування ДПІ Придніпровським Промбудпроектом, КПП та НДІ Харківським Промбудпроектом.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці

·

· методики та аналізу результатів експериментальних досліджень взаємодії комбінованих масивно-плитних фундаментів з ґрунтовою основою, участі в проведенні випробувань;

· аналітичного й числового аналізу взаємодії комбінованих масивно-плитних фундаментів з основою;

· практичних методів розрахунку й проектування комбінованих масивно-плитних фундаментів;

· аналітичних методів розрахунку коливань об'єднаних плитою фундаментів різної маси, а також групи масивів на плиті різної форми;

· методики, обробці результатів і участі в проведенні натурних досліджень роботи фундаментів на теплових і атомних електростанціях в умовах впливу статичних, динамічних навантажень і підвищених температур;

· ресурсозберігаючих методів розрахунку та проектування фундаментів з використанням математичного програмування.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, дослідження були викладені на VI та VІІ Всесоюзних конференціях з динаміки основ та підземних споруд (Нарва, 1985; Дніпропетровськ, 1989), Всесоюзних науково-технічних нарадах “Підвищення надійності енергетичних споруд при динамічних впливах” (ДЕС-87, Москва, 1987), “Динаміка енергетичних споруд” (ДЕС-91 Москва, 1991), Міжнародному симпозіумі “Фундаменти під машини з динамічними навантаженнями (Ленінград, 1989), Міжнародній науково-технічній конференції “Ресурсо-економічні матеріали, конструкції, будинки та споруди” (Рівне, 1996), Міжнародній науковій конференції “Будівельні матеріали і будівельні конструкції” (Дніпропетровськ, 1996), Міжнародній конференції “Проблеми реконструкції й експлуатації промислових й цивільних об'єктів” (Дніпропетровськ, 1999), 4-й Міжнародній конференції “Євромех-2000” (Метц, Франція, 2000), Українсько-польських семінарах “Теоретичні основи будівництва” (Дніпропетровськ, 1999, 2000), ІІІ та ІV Українській науково-технічній конференції з механіки ґрунтів і фундаментобудування (Одеса, 1997, Київ, 2000), 12-му Конгресі Югославії з теоретичної та прикладної механіки (Задар, Югославія, 1986), 4-му Конгресі Югославії “Сейсмічне будівництво” (Цавтат, Югославія, 1986), Російській конференції з механіки ґрунтів та фундаментобудування (Санкт-Петербург, 1995), Науково-технічному семінарі Науково-дослідного, проектно-пошукового та конструкторсько-технологічного інституту основ та підземних споруд ім. М. М. Герсеванова “Наукові основі фундаментобудування” (Москва, 2000), на інших науково-технічних конференціях і семінарах. Результати роботи відзначені дипломом "За кращу науково-дослідну роботу" Міністерства вищої освіти України, срібною й бронзовою медалями ВДНГ СРСР.

Публікації. Основні результати роботи викладені в 56 друкованих працях, у тому числі в двох монографіях, із загальної кількості публікацій – 27 написані автором самостійно. В авторефераті наведено 40 друкованих праць із загальної кількості опублікованих робіт, у тому числі 2 монографії, 17 статей у збірниках наукових праць, 9 статей у наукових журналах, 11 статей у збірниках наукових конференцій та одне авторське посвідчення. У самостійних роботах [2, 6, 7, 9, 19, 20, 22 – 24, 26 – 37] викладено основні наукові положення, розглянуті в дисертації. У спільних працях [1, 3, 4] автором виконано постановку задачі, складання й розв'язання диференціальних рівнянь динамічного переміщення фундаментів, отримано рішення для розрахунку фундаментів, об'єднаних плитою на поверхні ґрунту. У статтях [10, 11, 25] запропоновано конструктивні рішення таких фундаментів в умовах реконструкції. У роботах [8, 12, 14, 21] запропоновано методику оптимального проектування фундаментів на базі підходів математичного програмування, викладено алгоритм розрахунку, взята участь у складанні програм для ЕОМ і проведено аналіз отриманих результатів. У роботах [13, 39] виконано постановку задачі та разом із співавторами отримано рішення для заглибленого штампу на пружній основі, а також з урахуванням інерційності ґрунту. У роботах [5,15] виконано постановку великомасштабних експериментальних досліджень і обробку отриманих результатів, взята участь у виконанні дослідів. У роботі [18] взята участь у експериментальних дослідженнях і аналізі результатів тривалих спостережень за деформаціями фундаментів турбоагрегатів, розроблено методику спостережень за поведінкою фундаменту турбоагрегату під дією температур у різних режимах експлуатації, а в [16] міститься розробка методики, участь у проведені інструментальних досліджень та аналіз отриманих результатів. У роботах [38, 40] розроблено конструктивні рішення комбінованих масивно-плитних фундаментів і практичні методи їхнього розрахунку на дію періодичних навантажень.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків. Повний обсяг роботи становить 311 сторінок, 143 малюнка, 16 таблиць, із них – 201 сторінка основного тексту, 69 сторінок займають ілюстрації, 5 сторінок – таблиці, 8 сторінок – додаток, 28 сторінок – використані літературні джерела із 274 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі подано аналіз методів розрахунку й проектування фундаментів при дії динамічних і статичних навантажень, огляд робіт, які стосуються вивчення взаємодії фундаментів з ґрунтовою основою. Серед учених, які займалися цим питанням, слід назвати: А. І. Абашидзе, Д. Д. Баркана, І. П. Бойка, В. З. Власова, М. Н. Гольдштейна, М. І. Горбунова-Посадова, К. Є. Єгорова, Б. М. Жемочкіна, М. І. Забиліна, Ю. К. Зарецького, М. Л. Зоценка, В. О Ільїчова, С. М. Клепікова, П. О. Коновалова, А. Д. Кондіна, В. І. Крутова, І. Я. Лучковського, М. В. Малишева, Н. П. Павлюка, П. Л. Пастернака, О. О. Петракова, О. О. Савінова, В. Л. Сєдіна, Е. А. Сорочана, Л. Р. Ставніцера, В. Г. Таранова, А. М. Тетіора, Л. М. Тимофєєву, Г. І. Чорного, В. І. Фекліна, М. М. Філоненка-Бородича, В. Г. Шаповала, Н. С. Швець, В. Б. Швеця, О. Я. Шехтера, О. В. Школу, І. С. Шейніна та ін.

У зв'язку з розробкою важких потужних машин і необхідністю проектування для них фундаментів у 70 – 80 рр. ХХ століття значний розвиток одержав напрямок дослідження динаміки основ й фундаментів. Про переваги плитних фундаментів порівняно з масивними для машин з обертовими частинами говорили Д. Д. Баркан, О. О. Савінов, М. І. Забилін та інші. Разом з тим відсутність практичних методів розрахунку, рекомендацій щодо проектування й конструктивні незручності монтажу устаткування на плитах стримували застосування цих прогресивних рішень. М. П. Павлюк, А. Д. Кондін, Н. С. Швець, Г.Г. Аграновський, В. Л. Сєдін запропонували застосувати плити для погашення коливань фундаментів. Результати вивчення впливу тонкої плити на коливання масиву відбиті в працях В. М. Пятецького, О. П. Барзукова, Є. І. Часова. Особливості розрахунку плитних фундаментів полягають у врахуванні деформації не тільки основи, але й фундаменту, що значно ускладнює розрахунки. Крім того, визначення динамічних характеристик ґрунтової основи плит має свої особливості, що розглядалися в працях В. О. Ільїчова, В. Г. Таранова, В. Л. Сєдіна, О. О. Санікова, Б. Г. Олексієва, В. Б. Швеця, Г. І. Чорного.

При впливі статичних, динамічних навантажень і підвищених температур фундамент зазнає деформацій, що негативно позначаються на роботі устаткування й викликають у свою чергу зміни динамічних навантажень на фундаменти, про це говориться в працях А. І. Абашидзе, Ф. С. Сапожникова, Б. Г. Рунова, А. Т. Казанджяна, Н. С. Швець, М. Г. Шульженка та ін. Але методи прогнозування температурних деформацій фундаментів, придатні для практичного застосування, відсутні.

У другому розділі запропоновано нові фундаменти під машини з динамічними навантаженнями – комбіновані масивно-плитні фундаменти. Ці заглиблені фундаменти складаються з тонких горизонтальних плит, з'єднаних між собою масивом, стінами чи стержневою конструкцією (рис.1), на яких встановлюють машину. За рахунок підбору розмірів і кількості плит, відстані між ними можна домогтися таких динамічних характеристик фундаменту, за яких інтенсивність його коливань під дією динамічного навантаження буде незначною.

Визначення напружено-деформованого стану комбінованих масивно-плитних фундаментів і основи під дією вертикальної та горизонтальної періодичної сили проведено методом кінцевих елементів за допомогою програми SAP-IV. Задача розглянута в умовах плоскої деформації. Проведено розрахунки трьох базових схем, в яких варіювалися висота фундаменту від 0,5 м до 3 м, ширина від 1 м до 5м, кількість плит від 1 до 5, товщина плит від 0,15 м до 0,45 м (рис.2), кількість плит більше двох розглядалася в тестовій постановці.

Рис. 1. Схеми комбінованих масивно-плитних фундаментів під машини з динамічними навантаженнями:

а – плити, з'єднані стійками; б – плити, з'єднані стінами; в – плити, з'єднані масивом; 1 – верхня плита; 2 – нижня плита; 3 – стійки; 4 – стіни; 5 – масив; 6 – анкерні болти.

Рис. 2. Розрахункові схеми фундаментів, динамічні вертикальні переміщення та напруження в ґрунті:

1 – епюри вертикальних динамічних переміщень; 2 – епюри вертикальних динамічних напружень.

Максимальне значення вертикальних напружень у ґрунті спостерігається під масивною частиною фундаменту. Напруження в ґрунті при контакті між плитами зростають з віддаленням від масивної частини, а ближче до краю зменшуються. Вплив нижньої плити на вертикальні коливання фундаменту виявляється в більшій мірі, ніж верхньої. При дії горизонтального динамічного навантаження характер переміщень дозволяє розглядати плити як жорсткі. Через горизонтально-обертові форми коливань інтенсивність коливань верху й низу фундаменту значно відрізняється. Горизонтальні напруження на контакті плит і ґрунту зростають з віддаленням від масивного ядра. Найбільш впливовим фактором є ширина плит, а при вертикальних коливаннях і висота фундаменту та товщина плит. Виконані розрахунки показали особливості напружено-деформованого стану системи “фундамент - ґрунтова основа” та підтвердили високу ефективність сприйняття динамічного навантаження в запропонованих фундаментах.

Третій розділ розкриває методику та результати експериментальних досліджень взаємодії комбінованих масивно-плитних фундаментів з основою. Для визначення передумов динамічного розрахунку, оцінки здатності таких фундаментів сприймати динамічні навантаження здійснено випробування фундаментів і великомасштабних моделей комбінованих масивно-плитних фундаментів.

Розроблена методика експериментальних досліджень з використанням теоретичних основ розмірності та подібності, теорії планування експерименту дозволила за результатами 36-ти випробувань чотирьох повних дворівневих трьохфакторних експериментів з великомасштабними моделями, що складаються з тонких залізобетонних плит у ґрунті, з'єднаних вертикальними стійками, у діапазоні зміни факторів – площі плит від 1 м2 до 2 м2, висоти фундаменту від 0,5 м до 2 м, кількості плит від однієї до трьох (рис. 3), встановити залежність параметрів коливань від характеристик фундаменту. Найбільший вплив на власну частоту й амплітуду змушених коливань має площа плит, у той час як відстань між плитами може змінювати лише ступінь впливу інших факторів, а кількість плит більше сприяє зміні дисипативних властивостей системи.

Рис. 3. Схема експериментальної установки:

1 – вібратор двовальний; 2 – електродвигун; 3 – перетворювач; 4 – регулятор напруги РНО-250-5; 5 – тахогенератор; 6 – вольтметр; 7 – вібродатчики І001, 8 – регулятори збільшення Р003; 9 – осцилограф Н-041; 10 – блок П001; 11,12 – вібродатчики на заглиблених плитах.

Комбіновані плитні фундаменти однакових габаритних розмірів у порівнянні з масивними мають у 2-3 рази нижчу інтенсивність горизонтальних коливань у зоні середніх частот і близьку інтенсивність при низькій частоті коливань (рис.4).

Рис. 4. Амплітудно-частотні характеристики горизонтальних коливань:

1 – масивного фундаменту; 2 – комбінованих плитних фундаментів.

Збільшення ширини верхньої плити призводить до зниження рівня низькочастотних горизонтальних коливань, збільшення ширини нижньої плити у великій міри сприяє зменшенню вертикальних коливань. Відстань між плитами раціонально приймати такою, що дорівнює ширині плит, однак з метою зниження горизонтальних динамічних переміщень краще збільшити ширину верхньої плити удвічі, а для зниження вертикальних - нижньої. Збільшення кількості плит і більш щільне їх розташування сприяє підвищенню демпфування й може бути застосовано для зниження резонансних чи вільних коливань фундаменту.

Оскільки верхня плита більше впливає на горизонтальні коливання, а нижня - на вертикальні, проведено додаткові експериментальні дослідження, в яких випробувані фундаменти, що складаються з масивів висотою 1 м і площею підошви 0,5 м, з двома тонкими залізобетонними плитами площею 2,13 м2 і 4,5 м2, товщиною 0,05 м і 0,1 м. В одному випадку плита була розташована на поверхні ґрунту, в іншому – на підошві (рис.5). Результати випробувань підтвердили високу ефективність таких фундаментів сприймати динамічні навантаження (рис.6).

Рис. 5. Експериментальний фундамент:

а – фундамент з нижнім розташуванням плити; б – фундамент з верхнім розташуванням плити; 1 – масивна частина фундаменту; 2 – нижня плита; 3 – верхня плита; 4 – засипка; 5 – вібратор.

Рис. 6. Амплітудно-частотні характеристики горизонтальних коливань комбінованих масивно-плитних фундаментів з розташуванням плит на поверхні:

1 – фундамент без плит; 2 – при площі плити F = 2,13 м2 і товщині h = 0,05 м; 3 – F = 4,5 м2 і h = 0,05 м; 4 – F = 2,13 м2 і h = 0,1 м; 5 – F = 4,5 м2 і h = 0,1 м.

Дослідження впливу тонкої плити на коливання масивних фундаментів виконано на великомасштабній моделі (рис.7). Експериментальна установка складалася з бетонного масиву розмірами 1м х 1м х 1м, заглибленого на 0,8 м і збірної залізобетонної плити товщиною 0,06 м і площею 4 м2, 8м2 і 12м2.

Рис. 7. Схема моделі фундаменту:

1 – масив; 2,3 – плити; 4 – тяги; 5 – вібратор; 6 – вібродатчики.

Тонка плита значно впливає на горизонтальні коливання масивного фундаменту, що виявляється в збільшенні першої резонансної частоти коливань фундаменту на 30-50% і в зниженні рівня низькочастотних коливань у 2-8 рази (рис.8).

Рис. 8. Амплітудно-частотні характеристики горизонтальних коливань фундаментів:

1 – з плитою площею 12 м2; 2 – без плити.

Для визначення динамічних характеристик основи заглиблених тонких плит у ґрунті були проведені іспити плит розміром 1м х 1м і товщиною 0,06 м. Вони знаходилися на поверхні ґрунту, а також були заглиблені на 0,25 м, 0,5 м, 0,75 м, 1м у піску середньої крупності й суглинку. Коливання плит збуджувалися ударами (рис.9).

Рис. 9. Схема експериментального приладу для визначення динамічних характеристик основи плит:

1 – бетонна плита; 2,3 – вантажі для збудження вертикальних і горизонтальних коливань відповідно; 4 – датчики для реєстрації коливань; 5 – засипка.

Експериментально визначені значення коефіцієнтів пружної деформації та демпфування значно менше рекомендованих будівельними нормами, а вплив приєднаної маси ґрунту при коливаннях плит значно більший, ніж при коливаннях масивних фундаментів. Відмінність у динамічних характеристиках основи плит і масивів пов'язана з великими розбіжностями статичного тиску на ґрунт. Це підтверджують проведені дослідження залежності характеристик ґрунтової основи від інтенсивності навантажень у результаті випробувань віброштампом і в лабораторному віброкомпресійному приладі.

Четвертий розділ стосується аналітичного дослідження динаміки масивно-плитних фундаментів. Розглянуто задачу про коливання комбінованого масивного-плитного фундаменту у вигляді масиву та горизонтальних плит на поверхні ґрунту під дією вертикальної динамічної сили. Вихідне диференціальне рівняння руху має вид:

(1)

де Е – модуль Юнга матеріалу плит; ; w – вертикальны переміщення фундаменту; F = bh; b,h – ширина й товщина плити; r - щільність матеріалу плит; m – маса фундаменту; С, С1 – коефіцієнти жорсткості ґрунту під плитами і під фундаментом при пружному рівномірному стиску, d(х) – дельта-функція Дірака; a,a1 – коефіцієнти непружного опору ґрунту під фундаментом і плитою відповідно.

На кінцях плит граничні умови прийняті у вигляді

при х = ± а. (2)

Ці граничні умови допускають поділ перемінних. Для розв'язання задачі про власні коливання застосовувалося інтегральне cos-перетворення з кінцевими межами. Трансцендентне рівняння для визначення власних частот коливань таке:

. (3)

Трансцендентне рівняння (3) може бути розв'язано числовими методами, однак у роботі побудовані й прості аналітичні оцінки. Для періодичних змушених коливань при маємо . Для частоти змушених коливань w1, яка не збігається з жодною з власних частот системи, амплітуда переміщень масиву може бути визначена як:

. (4)

На рис. 10 показано розрахункову залежність власної частоти від характеристик фундаменту та ґрунтової основи, а на рис. 11 порівняно результати експериментальних і розрахункових значень амплітуд змушених вертикальних коливань комбінованих масивно-плитних фундаментів. Їх відповідність свідчить про можливість використання розробленого методу розрахунку для прогнозування параметрів коливань таких фундаментів.

У задачі групової установки машин на загальній плиті застосований метод осереднення. Визначення приведених параметрів виконано асимптотичним методом. Для масивів, з'єднаних плитою, ширина якої перевищує розміри масиву в плані, фундаменти замінялися зосередженими масами, плита розглядалася як пластина на пружній основі, застосовувалися інтегральні перетворення з кінцевими межами за просторовими координатами, що дозволило одержати прості співвідношення для власних частот коливань системи й амплітуд її змушених коливань.

Рис. 10. Залежність власної частоти вертикальних коливань комбінованих масивно-плитних фундаментів від товщини плити при значенні модуля деформації ґрунту: 1 – 10 МПа; 2 – 20 МПа; 3 – 30 МПа.

Рис. 11. Результати експериментальних досліджень і розрахунку змушених вертикальних коливань комбінованого масивно-плитного фундаменту із плитами площею 4,15 м2:

1 – результат розрахунку; 2 – експериментальні значення.

Розглянуто модель коливань зосередженої маси на пружній основі в площині з плитою необмежених розмірів для масиву, оточеного плитою бетонної підлоги. Це дає можливість записати вихідні співвідношення в полярних координатах та одержати аналітичне рішення у функціях Бесселя:

, (5)

при r® Ґ,

де - жорсткість плити.

Для розрахунку комбінованого масивного-плитного фундаменту із заглибленою плитою задача розглянута в межах плоскої динамічної теорії пружності. Вихідну область було розділено на три зони, дві з них займає ґрунт, одну – фундамент у вигляді зосередженої маси й плити. У розрахунках було використано рівняння плоскої теорії пружності*. Відповідно до цього підходу вихідна задача плоскої динамічної теорії пружності, що має четвертий порядок за просторовими та часовими перемінними, розщеплюється на два рівняння Гельмгольца. Зв'язок між цими рівняннями здійснюється через граничні умови. Завдяки зниженню порядка вихідної задачі в два рази можна ефективно використовувати інтегральні перетворення й одержувати аналітичні розв'язання задачі про динаміку масивного-плитного фундаменту з заглибленими плитами.

У роботі розглянуті також коливання масивно-плитних фундаментів під дією горизонтального динамічного навантаження.

, (6)

при х = ± а,

де С, С1 – коефіцієнти жорсткості пружного рівномірного зсуву основи масиву та плит. Отримано трансцендентне рівняння для визначення власної частоти фундаменту. Для змушених коливань приу нерезонансному випадку переміщення фундаменту можна визначити як:

. (7)

У випадку масиву з тонкою плитою необмежених чи обмежених розмірів застосовується наведена раніше асимптотика плоскої динамічної теорії пружності, використовуються необмежені чи кінцеві інтегральні перетворення та метод ітерацій. Аналогічно розв'язано задачу про два масиви, з'єднані плитою, кінцевої ширини. Для обліку інерційності основи й оцінки можливості заміни безмежної області обмеженою використано рівняння плоскої динамічної теорії пружності за описаною вище методикою.

У п'ятому розділі розроблено конструктивні рішення комбінованих масивно-плитних фундаментів у залежності від способу їхнього виготовлення та характеру динамічних впливів у різного виду машин. Запропоновано інженерні методи розрахунку та рекомендації з їх проектування. Застосування комбінованих масивно-плитних фундаментів рекомендовано для машин з низькою й середньою частотою періодичного навантаження до 2500 об/хв. Комбіновані масивно-плитні фундаменти можуть бути виготовлені в монолітному, збірно-монолітному та збірному виконанні (рис. 12 і 13) і мають, як правило, плити на поверхні ґрунту й на підошві фундаменту або тільки на одному рівні.

Рис. 12. Комбінований масивно-плитний фундамент у монолітному виконанні:

1 – верхня плита; 2 – монолітний фундамент.

Рис. 13. Збірно-монолітний фундамент із підкріплювальними ребрами:

1 – монолітна плита; 2 – збірні ребра; 3 – збірний блок; 4 – випуски арматури з блоку; 5 – закладна деталь.

Запропоновані конструкції фундаментів з регульованими динамічними характеристиками дозволяють за рахунок включення в роботу різної кількості плит змінювати значення власних частот таким чином, щоб амплітуда змушених коливань фундаменту була мінімальною.

Практичні способи розрахунку комбінованих масивно-плитних фундаментів отримано на підставі передумов, характерних для нормативних методів розрахунку. Розрахункова модель (рис.14), складається з твердого тіла зосередженої маси m та моменту інерції q на ґрунтовій основі з пружними коефіцієнтами деформації Сх,j.

Для фундаменту з двома плитами диференціальні рівняння руху мають вигляд:

(8)

Рішення для власних частот (9) й амплітуд змушених коливань (10) відповідно:

; (9)

(10)

; (11)

(12)

де Кх , Кхв , Кхн - коефіцієнти жорсткості основи відповідно масиву, верхньої та нижньої плити; h1, h2, h3 – відстані від центра мас до підошви, верхньої та нижньої плит.

Рис 14. Розрахункова схема:

а – комбінований масивно-плитний фундамент; б – динамічні переміщення фундаменту.

Задовільнена відповідність результатів розрахунку до експериментальних значеннь амплітуд змушених коливань фундаментів (рис. 15) підтверджує адекватність запропонованого методу розрахунку. Таким же способом отримані рішення для фундаментів з однією плитою та для фундаменту із симетричним розташуванням плит. Виконані розрахунки власних частот, амплітуд змушених коливань дозволили проаналізувати їхню залежність від параметрів фундаменту та характеристик основи й показали задовільнену відповідність до результатів експериментальних досліджень.

Рис. 15. Зіставлення розрахункових й експериментальних амплітудно-частотних характеристик горизонтальних коливань комбінованих масивно-плитних фундаментів із плитою площею 4,15 м2: 1 – результат розрахунку; 2 – експериментальні значення.

Істотного зниження рівня горизонтальних коливань масивних фундаментів при груповому розташуванні можна домогтися шляхом вибору параметрів зв'язку між ними. Природним видом зв'язку може бути тонка плита підлоги чи перекриття. Для двох зв'язаних фундаментів різних розмірів рівняння руху мають вид:

(13)

де Qi , mi , qi – відповідно вага, маса й момент інерції фундаменту та машини щодо горизонтальної головної центральної осі інерції, перпендикулярної площині коливань; xi , ji – горизонтальний зсув центра мас установки та кут повороту її у вертикальній площині на даний момент часу; Кпх , S – характеристика жорсткості основи при зсуві плити й жорсткість зв'язку між фундаментами відповідно; Кxi ,Kji –коефіцієнти жорсткості основи фундаментів при пружному рівномірному зсуві й при пружному нерівномірному зсуві відповідно ; h1i , h2i , h4i – відстані від центра мас до підошви фундаменту, до середньої площини плити та до лінії дії горизонтальної динамічної сили відповідно.

Для фундаментів, в яких різко відрізняються маси m1 > 5m2 отримано прості аналітичні розв'язання. Здійснені розрахунки для реальних фундаментів показують, що параметри плити, коли вона виступає з'єднуючою ланкою, досить впливові й раціональним їх підбором можна домогтися досить низького рівня вібрацій обох фундаментів, практично на порядок нижчих, ніж окремих фундаментів. Конструктивний спосіб зниження вібрацій фундаментів може бути ефективно використаний при реконструкції (рис. 16) або при будівництві нових фундаментів (рис. 17).

Рис. 16. Фундаменти, зв'язані плитою:

1 – фундамент; 2 – устаткування; 3 – плита.

Рис. 17. Групові масивно - плитні фундаменти під машини:

а – фундамент з верхнім розташуванням плити та з лінійними підкріплювальними ребрами; б – фундамент з нижнім розташуванням плити та з кутовими підкріплювальними ребрами; 1 – нижня плита; 2 – верхня плита; 3 – масивні фундаменти; 4 – засипка; 5 – підкріплювальні ребра.

Розроблено методики для оптимального проектування фундаментів при статичних і динамічних навантаженнях. Вони створені на основі математичного програмування. Математична модель становить цільову функцію, обмеження й алгоритм пошуку оптимуму. Цільова функція відбиває показники кошторисної вартості чи вартості, визначеної за укрупненими показниками. Як обмеження розглянуто умови розрахунку за граничними станами. У задачі нелінійного математичного програмування мають місце незв'язність і неопуклість областей пошуку, велике число дискретних і безперервних параметрів, алгоритмічний характер обмежень, тому для її розв'язання прийнято алгоритм випадкового пошуку. Розроблені методики ресурсозберігаючого проектування фундаментів реалізовані у вигляді програм для ЕОМ “FUNDOPT” та “Пошук”. Проведені розрахунки дозволили встановити залежність характеристик оптимального фундаменту від параметрів основи і навантаження. Запропонована методика проектування дозволяє домогтися істотної економії матеріальних ресурсів.

Шостий розділ стосується розробки методики та аналізу результатів експериментального й теоретичного визначення температурних впливів і динамічних навантажень на фундаменти машин. Запропоновані й апробовані методики дають змогу визначити розрахункові навантаження й впливи для різного класу машин з урахуванням умов експлуатації.

Робота парових турбін супроводжується виділенням великої кількості тепла, наслідком нерівномірних температурних деформацій фундаментів складної форми стає вигин валопроводу, що має негативний вплив на турбоагрегат. Для прогнозування деформацій фундаментів, які викликані впливом підвищених температур, було здійснено тривалі натурні експериментальні дослідження на фундаментах турбоагрегатів з метою вивчення характеру температурних впливів і деформацій, що відповідають їм, у різних режимах та умовах експлуатації, а також розроблено методи розрахунку таких деформацій. Згідно з програмою натурних експериментальних досліджень вивчено температурний режим фундаменту, його статичні та динамічні деформації. Для виміру температури на колонах і стінах фундаменту було встановлено 110 терморезисторів ММТ-13. Спостереження за статичними деформаціями фундаменту здійснювалися методом високоточного геометричного нівелювання. Динамічні переміщення фундаменту вимірялися приладом БВП-7. Як показали результати досліджень, розподіл температур у різних перерізах фундаменту досить нерівномірний, різниця досягає 200С. Результати експериментальних спостережень показують, що деформації вигину в центральній частині валопроводу зростають до 5 мм порівняно з холодним станом. Це дорівнює деформації фундаменту внаслідок осідання, що необхідно враховувати при центруванні валопроводу.

При аналітичному дослідженні деформацій фундаменту під дією температурних впливів використано дві розрахункові схеми. Для розрахунку деформацій нижньої плити фундаменту вона розглядається як балка на пружній основі під дією нормальної перемінної по довжині статичної сили й температури. На краях задаються умови, що дозволяють поділ перемінних, а саме рішення шукається у вигляді ряду Фур'є. У підсумку маємо досить прості аналітичні рішення. Для визначення температурних деформацій стіни використано спрощене рівняння плоскої задачі теорії пружності під дією температур.

(14)

з граничними умовами:

при у = ± а = 0; (15)

при z = 0 u = 0; при . (16)

Тут b - коефіцієнт температурного розширення, u – деформація в напрямі вісі z; t – температура; а – половина ширини стіни; Н – висота стіни.

Якщо змінність температури за координатою Y невелика, то можна перейти до стрижневого рішення та виписати поправку до нього, що враховує деформації в площині.

Рис. 18. Порівнення експериментальних даних з результатами розрахунку деформацій фундаменту під опорою:

1 – експериментальні значення вертикальних деформацій; 2 – відповідні розрахункові значення.

Оскільки на практиці вид температурних полів має уривчасто-постійний характер, обчислення відповідних інтегралів проходить досить просто. На підставі наведених залежностей складено програму для ЕОМ, що дозволяє при задаванні температур числовим масивом одержувати вертикальні переміщення центральних верхніх точок стін фундаменту. На рис. 18 показано порівняння розрахункових та експериментальних значень вертикальних переміщень стін фундаменту турбоагрегату АЕС через 60 днів після пуску. Середнє відхилення результатів знаходиться в межах 10-19%, що дає можливість прогнозувати деформації фундаментів у різних режимах експлуатації та розробити комплекс заходів щодо забезпечення надійних умов експлуатації енергоблоків за рахунок внесення необхідних коректив під час центрування валопроводу.

Виконані дослідження дозволяють зробити наступні висновки.

1. У межах розв'язання проблеми створення надійних методів розрахунку та проектування фундаментів в умовах дії різного виду навантажень розроблено нові фундаменти під машини – комбіновані масивно-плитні фундаменти, що дають можливість за рахунок вибору параметрів плит змінювати в широкому діапазоні динамічні характеристики та забезпечувати високі техніко-економічні показники й надійність порівняно з традиційними масивними фундаментами.

2. Проведені натурні експериментальні дослідження й випробування великомасштабних моделей дозволили вивчити взаємодію комбінованих масивно-плитних фундаментів з основою. Числовим методом визначено особливості напружено-деформованого стану основи та фундаменту. Виявлено залежності динамічних характеристик – власних частот і амплітуд коливань від параметрів основи та фундаментів.

3. Вивчено вплив заглиблення плити та інерційності основи на рівень її коливань. Уточнено залежність властивостей жорсткості та демпфування ґрунтової основи від статичного тиску, що веде до необхідності внесення коректив відповідних характеристик основи. Це підтверджує порівняння залежності пружних і непружних характеристик ґрунтової основи від статичного та динамічного тиску за результатами випробування ґрунту віброштампом і в лабораторному віброкомпресійному приладі. Встановлено, що приєднана маса ґрунту значно більше впливає на коливання тонких плит, ніж на коливання масивних фундаментів.

4. Отримано аналітичні рішення з використанням методів асимптотичного аналізу для розрахунку на горизонтальні та вертикальні коливання комбінованих масивно-плитних фундаментів, що добре узгоджуються з практикою. Запропоновано практичні рекомендації з проектування таких фундаментів для різного виду навантажень.

5. Отримано аналітичне рішення задачі про коливання масиву, оточеного тонкою плитою обмежених чи необмежених розмірів на пружній основі, що дозволяє враховувати вплив бетонної підлоги в обчисленнях. Теоретично й експериментально підтверджено можливість використання тонкої плити на поверхні ґрунту для зниження рівня низькочастотних коливань масивних фундаментів.

6. Отримано аналітичні рішення для розрахунку тонких плит із зосередженими масами на групові динамічні впливи. Розглянуто розрахункові моделі тонкої плити на пружній основі при розташуванні машин в один чи декілька рядів.

7. Розроблено й апробовано практичні методи розрахунку комбінованих масивно-плитних фундаментів, які засновані на передумовах розрахункових моделей, що використовуваються в будівельних нормах. При вертикальних коливаннях плити розглядаються як пружні, а при горизонтальних – як тверді на пружній основі. Отримано рішення для фундаментів з плитами, розташованими на підошві й на поверхні ґрунту.

8. Розроблено фундаменти з регульованими динамічними характеристиками, що дає змогу безпосередньо в процесі експлуатації домогтися зменшення інтенсивності змушених коливань шляхом підстроювання власних частот. Аналогічне перенастроювання за рахунок зміни комбінації плит, що введені в роботу можна здійснити при різних режимах роботи устаткування або при заміні устаткування з іншими характеристиками динамічного навантаження. Запропоновані нові фундаменти з регульованими в процесі експлуатації характеристиками дозволяють значно