ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

На правах рукопису

Маркелова Тетяна Вікторівна

УДК 131.03.01

ПРОГНОЗУВАННЯ СЕРЕДНІХ ОСАДОК ФУНДАМЕНТІВ
НА ШАРУВАТИХ ОСНОВАХ ВІД
ВЕРТИКАЛЬНОГО НАВАНТАЖЕННЯ.

Спеціальність 05.23.02 – підвалини та фундаменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ, 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури (ПДАБтаА), Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Шаповал Володимир Григорович,
Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри основ та фундаментів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Зоценко Микола Леонідович, Полтавський державний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, завідувач кафедри основ і фундаментів;

кандидат технічних наук, доцент Рубан Олег Анатолійович, докторант кафедри “Колія і колійне господарство” Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту.

Провідна установа:

Державний науково- дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ основ і фундаментів, Держбуд України, м. Київ,;

Захист відбудеться 22 березня 2001 р. у 13 годин на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д08.085.01 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, вул.Чернишевського 24а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ПДАБтаА: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського 24а.

Автореферат розісланий 5 лютого 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________ Баташева К. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. У практиці інженерної діяльності проблема прогнозу середніх осадок фундаментів займає важливе місце. Наявні в науково-технічній літературі дані свідчать про те, що методи розрахунку, які використовуються в даний час, в ряді випадків не дозволяють досягти необхідної точності.

Однією з причин цього є недостатньо повний облік текстурних особливостей будови ґрунтової товщі, а саме – шаруватості, властивої природним ґрунтовим нашаруванням. Наявні теоретичні дослідження напружено-деформованого стану (НДС) шаруватих основ носять розрізнений характер, а більша частина їх виконана з використанням різних допущень, спрощуючих розрахунок, що спотворюють реальну картину.

Існуючі в даний час методи розрахунку середніх осадок фундаментів на ґрунтових основах, як правило, базуються на використанні отриманих у рамках моделі лінійного пружного ізотропного середовища рішень для ряду компонентів напружень. При цьому не достатньо враховується той факт, що в основах із шаруватою текстурою розподіл напружень (а, отже, і переміщень) може істотно відрізнятися від їх розподілу в однорідній основі. Вказане також відноситься до її наслідків- що є проблемами розрахунку середніх осідань і кренів розташованих поблизу один одного фундаментів, а також прогнозу процесу їхнього розвитку за часом при врахуванні таких реологічних процесів, як фільтраційна консолідація і повзучість ґрунтового кістяка.

ЗВ'ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ. Здобувач був виконавцем держбюджетних НДР №19 і 51, відповідно темплану Мінвузу України в 1993-1996р. які пов'язані із прогнозом тривалих деформацій ґрунтових основ і розробкою аналітичних методів розрахунку фундаментів великої площі, у тому числі для будинків, що реконструються з фундаментами на слабких водонасичених основах.

МЕТА І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННя. Метою роботи була розробка методики розрахунку середні осідань фундаментів, що знаходяться на шаруватій основі при обліку реологічних процесів, що протікають у ньому. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- експериментально дослідити поведінку моделей фундаментів на шаруватій основі при передачі ступінчастого зростаючого навантаження і різному співвідношенні деформаційних властивостей ґрунтових шарів, їх товщі і розміщення на глибині;

- експериментально установити вплив реологічних властивостей на характер розвитку в часі середніх осідань фундаментів на шаруватій основі в залежності від текстурних особливостей ґрунтової товщі;

- розробити методику розрахунку і на цій основі оцінити наскільки НДС шаруватих основ відрізняється від НДС однорідної основи;

- запропонувати практичні рекомендації з розрахунку середніх осадок фундаментів на шаруватих основах з урахуванням реологічних властивостей ґрунту, особливостей його залягання і взаємного впливу на деформації основи поруч розташованих фундаментів.

ОБ'ЄКТ ДОСЛІДЖЕННЯ. НДС шаруватих основ (у тому числі з ґрунтовими шарами, що володіють реологічними властивостями у водонасиченому стані) при передачі на них зовнішнього навантаження від фундаментів.

ПРЕДМЕТ ДОСЛІДЖЕННЯ- встановлення закономірностей ущільнення шаруватих основ, складених зв’язними та незв’зними грунтами в водонасиченому стані.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ- експериментально-теоретичні, спрямовані на встановлення фактичного НДС шаруватих грунтових основ відносно однорідного.

НАУКОВА НОВИЗНА одержаних РЕЗУЛЬТАТІВ:

-

-

-

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ одержаних РЕЗУЛЬТАТІВ.

Розроблено практичні рекомендації з розрахунку середніх осадок фундаментів на шаруватій ґрунтовій основі з урахуванням товщини і взаємного розташування ґрунтових шарів, їхніх реологічних властивостей, а також взаємного впливу на деформації основ сусідніх фундаментів. Розроблена методика розрахунку середніх осадок фундаментів на шаруватій основі була використана при будівництві об'єктів у м.Дніпропетровську. Долевий економічний ефект від запровадження склав близько 100 тис. грн.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА полягає в:

-

-

-

АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ.

Основні положення роботи обговорювалися на:

-

-

-

-

ПУБЛІКАЦІЇ.

За темою дисертації опубліковано одинадцять друкованих праць, що відображають основні положення виконаних досліджень. Так, у 7 спільних роботах здобувача розроблена методика дослідів ущільнення шаруватої основи в ґрунтовому лотку; зроблений аналіз еспериментальних даних, а також зіставлення НДС двох- і тришарового з однорідним, у тому числі при дії зосередженої сили; запропонована методика розрахунку середніх осадок фундаментів на шаруватій основі з урахуванням реологічних процесів. У 4 самостійних роботах оцінені особливості НДС плитних фундаментів на ґрунтовому шарі кінцевої товщини, запропонований алгоритм побудови аналітичного рішення для визначення напруг і переміщень у шаруватій основі від довільного навантаження, розподіленої на його поверхні, виконаний аналіз НДС шаруватої основи від навантаження, розподіленого по його поверхні по площі кругу.

СТРУКТУРА Й ОБСЯГ ДИСЕРТАЦІЇ. В основу дисертаційної роботи покладені результати досліджень, проведених автором під керівництвом д.т.н., проф. В.Г.Шаповала в період 1994-1999р. При проведенні експериментальних досліджень автору надавав консультації к.т.н. Поповиченко С.О.

Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури і додатка, і включає 109 стор. основного тексту, 49 рис., 8 табл. і додатка на 9 стор. Список використаної літератури становить 139 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

При виконанні дисертації використані і зроблені посилання на роботи : М. Ю. Абєлєва, І. П. Бойко, Б. Н. Броніна, А. К. Бугрова, Н. Н. Вєрігіна, С. С. Вялова, Б. Г. Гальоркіна, М. М. Герсеванова, М. Н. Гольдштейна, М. І. Горбунова-Посадова, Б. І. Далматова, К. Е. Егорова, Ю. К. Зарецького, П. Л. Іванова, В. Д. Казарновського, Г. К. Клейна, С. М. Клєпікова, П. О. Коновалова, Т. А. Маликової, М. В. Малишева, М. М. Маслова, С. Р. Месчяна, В. Новацкого, Н. С. Нікітіної, О. О. Петракова, Д. Е. Польшина, Ю. М. Работнова, Р. М. Рапопорт, Є. А. Сорочана, Ю. М. Сотнікова, Д. Тейлора, К. Терцагі, С. П. Тимошенко, З. Г. Тер-Мартиросяна, С. Б. Ухова, В. А. Флоріна, М. А. Цитовіча, А. К. Чернікова, Г. И. Чорного, В. Г. Шаповала, О. В. Школи, Л. Шукле, A. Kezdi, M. Kany, A. W. Skempton, L. A. Bjerrum і ін.

В ВСТУПІ сформульовані актуальність, мета, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, показаний особистий внесок здобувача, апробація роботи, а також наведено короткий зміст дисертації.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ представлені результати аналітичного огляду робіт, присвячених способам розрахунку основ по другій групі граничних станів, методикам визначення їх НДС, реологічним процесам, що протікають у ґрунтових основах, розрахунковим схемам ґрунту, прийнятим у даний час.

Аналіз показав, що методика СНиП, яка використовується в даний час, не дозволяє враховувати належною мірою обумовлене текстурою основи розходження в напружено-деформованому стані шаруватих і однорідних основ. Це, у свою чергу, створює проблеми при виборі розрахункової схеми основи, і в ряді випадків істотно впливає на результат. Теоретичні дослідження НДС шаруватих основ носять фрагментарний характер. Сформульовано мету і приведені задачі досліджень.

В ДРУГОМУ РОЗДІЛІ викладені методики проведення і результати лабораторних досліджень стискання ґрунту в компресійному приладі і моделей фундаментів у просторовому лотку. При цьому ставилась така мета:

- обґрунтувати вибір моделі ґрунтової основи, що дозволяє найбільше повно враховувати шарувату текстуру основи;

- напрацювати експериментальний матеріал, що послужив би основою для визначення вхідних у рівняння стану ґрунту параметрів.

У лабораторних дослідженнях використовували зв'язний (лесові супісь і суглинок, відповідно перший і третій шар) і незв'язний ґрунт (дрібний пісок– другий шар). Випробовували послідовно одно-, двох- і тришарову основу з товщиною кожного шару 200мм. Досліди проводили в просторовому лотку з внутрішніми розмірами в плані 800480 і глибиною 700мм (рис. 1). Лоток мав прозорі стінки, як моделі фундаментів були прийняті круглі металеві штампи, площею 100 і 200см2 (відповідно діаметрами 113 і 159мм). Завантажувальний пристрій був виготовлений збірно-розбірним, що дозволяло проводити дослід з одно-; двох- і тришаровою основою. З метою забезпечення надійного контакту з завантажувальним пристроєм, нижньому кінцю опорного стрижня була додана напівсферична форма.

Для забезпечення вірогідності і відтворюваності дослідів зв'язний ґрунт, попередньо роздрібнений і висушений, укладали пошарово з трамбуванням, а потім замочували водою до стану глинистої пасти; це забезпечувало монолітне утворення. Дрібний пісок у повітряно-сухому стані

Рис. 1 Схема установки, що використовувалась в дослідах ущільнення шаруватих основ. 1 - лоток; 2 – шарувата основа; 3 – штамп; 4 – реперна плита; 5 – стрижень; 6 – штанга; 7 – шпильки; 8 – куточки, що спираються на поверхню лотка; 9 – рама завантажувального пристрою; 10 – індикатори переміщень.

укладали пошарово з трамбуванням, а потім після досягнення заданої висоти замочували до водонасиченого стану. Під час досвіду рівень води підтримували над поверхнею верхнього шару на 10...15мм. Тиск на штамп, попередньо встановлений на 1,5..2мм підсипання з дрібного піску, передавали 1 раз на добу ступенево по 8 кПа, починаючи з тиску від власної ваги установки. Кожну ступінь навантаження витримували до умовної стабілізації процесу ущільнення.

Для лабораторних дослідів зразки відбирали з лотка, причому відстань по діагоналі від центра лотка, де проводили штампові досліди, до місця відбору становило не менше 300мм. Дані зсувних і компресійних дослідів склали:

суглинок: С=18 кПа, j=17 0, E0=570 кПа;

пісок дрібний: С=2 кПа; j=320, E0=2350 кПа;

супісь: С=12 кПа; j=220, E0=500 кПа;

З метою контролю точності визначення стискання випробували на компресію зразки, що знаходились в однакових умовах, висотою 25 і 12,5мм. У цьому випадку прагнули досягти мети за методикою В. Г. Шаповала визначити реологічні властивості ґрунтів. Умови і методика дослідів описана в роботах [2, 3], посилання на яку приведені наприкінці автореферату.

Результати дослідів стискання шаруватих основ приведені в табл.1.

Таблиця 1.

Середні стабілізовані осадки штампів

Вид основи | Р, кПа | S, мм

F=100 див2 | S, мм

F=200 см2

Одношарова –
суглинок
h=20 см | 8,0

16,0

24,0 | 1,55

2,93

3,91 | 2,15

4,06

5,43

Двошарова – пісок і суглинок

h=40 см | 8,0

16,0

24,0 | 0,29

0,57

1,14 | 0,40

0,79

1,58

Тришарова – супісь, пісок, суглинок

h=60 см | 8,0

16,0

24,0 | 1,50

2,30

3,50 | 2,08

3,19

4,85

На рис. 2 приведена залежність "середня осадка – час", отримана в ході штампових дослідів тришарової основи; аналогічні залежності отримані і для одно- і двошарової основи.

Рис.2. Залежність “середня осадка-час” для тришарової основи.

1, 2 – штампи площею відповідно100 і 200 см2.

У результаті лабораторних дослідів на повзучість установлені деформаційні і реологічні характеристики ґрунтових шарів у припущенні, що процес розвитку в часі просадки зразків глинистих ґрунтів може бути описана з використанням моделі спадково-пружного водонасиченого середовища при експонентному ядрі повзучості (табл. 2).

Таблиця 2.

Реологічні і деформаційні властивості ґрунтових шарів

№

ша-ру | Параметри повзучості ядра виду К(t,)=.ехр[-1(t-)]+.ехр[-1(t-)] | СК,

см2/доба |

Е,

кПа

1 | 1

1 | 0,138 | 0,432 | 2,880 | 0,864 | 57,6 | 0,35 | 1750

2––––– | 0,30 | 2350

3 | 0,143 | 0,529 | 2,931 | 0,992 | 58,2 | 0,30 | 2700

У табл. 2: К(t,) - складове ядро повзучості; , 1, і 1 - параметри ядра повзучості в 1/доба; Ск – коефіцієнт консолідації при компресії; і Е – коефіцієнт Пуассона і модуль пружності.

У цілому, розроблена і використана методика лоткових і лабораторних досліджень стискання шаруватих водонасичених основ дозволили виявити закономірності їхнього ущільнення.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ приведені результати теоретичного аналізу, спрямованого на виявлення фактичної картини НДС шаруватих основ у рамках моделі кусочно-лінійного пружного ізотропного середовища, при цьому шарувата основи розглядалася при дії зовнішнього навантаження, нормальної до границі півпростору. Задача теоретичного дослідження була сформульована так.

Рис. 3. До розрахунку напружено-деформованого стану шаруватої основи при дії безмежного зовнішнього навантаження, нормальної до границі півпростору.

Маємо багатошарову основу (рис. 3), деформаційні характеристики окремих шарів, їх товщина і значення питомої ваги різні. До верхньої границі основи прикладене зовнішнє навантаження. а між шарами ґрунту має місце ідеальний контакт. Приведемо основні положення аналізу.

Рішення задачі в такій постановці зводиться:

до рішення рівнянь, що мають вигляд:

(1)

задоволенню граничних умов на денній поверхні основи:

(2)

та додержання умовам контакту на границі ґрунтових шарів (умовами “склейки”), що мають вигляд:

(3)

Тут ji-функція Гальоркіна; i=1..n- число ґрунтових шарів; q(r)- зовнішнє розподілене навантаження, прикладене до верхньої границі основи; H0-загальна товщина всіх ґрунтових шарів; Hi-товщина i-того ґрунтового шару; trz (r,z) і szz(r,z)- відповідно дотичні і нормальні вертикальні напруги; U (r,z) і W(r,z)- відповідно переміщення в напрямку координатних осей 0r і 0z у циліндричній системі координат; D- оператор Лапласа:

Рішення рівняння (1) було прийнято у вигляді:

(4)

при i(1…n-1)

і

при i=n;

Тут J0(az)- функція Бесселя першого роду з нульовим індексом, sh(az) і ch(az)- відповідно гіперболічний синус і косинус, a- параметр.

Компоненти тензорів напруг і переміщень визначалися з рівняння (4) за формулами:

;

;

; (5)

;

;

;

i=1…n

У формулі (5): і - відповідно радіальні і тангенціальні нормальні напруги; ni і Gi- коефіцієнти Пуассона і модуль здвигу i-того шару.

Далі були виконані перетворення:

; ;…;

Вони обумовлені проблемою обчислення гіперболічних функцій для великих аргументів, а невідомі функції ; ;…визначалися чисельно шляхом рішення отриманої в ході задоволення умовам (2) і (3) системи алгебраїчних рівнянь для дискретних значень параметра a. У ході обчислень параметр a варіювався з кроком 0,01 від 0 до 5000. Явище Гіббса згладжувалося методом Фейера (тобто шляхом підсумовування середніми арифметичними)

У ході визначення ПДВ шаруватої основи, що знаходиться під впливом нормальної до його верхньої границі зосередженої сили, граничні умови (2) минулого прийняті у вигляді:

(6)

Тут Q- величина зосередженої сили, d(r)-дельта-функція Дирака, що r-поточна координата.

Аналіз розподілу напруг у шаруватій і однорідній основі виявив, що:

-

-

-

При аналізі НДС шаруватої й однорідної основи від зовнішнього навантаження, нормального до границі півпростору і діючої по деякій площі докладно розглянуте рішення, що відноситься до круглих фундаментів. Були використані залежності напруг і переміщень від координат зосередженої сили і принцип суперпозиції. При цьому у випадку розподіленого по площі кругу навантаження вертикальні нормальні напруги zz і переміщення wz розраховували за формулами:

(7)

Тут r, z – координати; , - параметри; і – вертикальні нормальні напруги відповідно для розподіленого навантаження q і одиничної зосередженої сили; і – те ж, вертикальні переміщення; R – радіус круга. При аналізі встановлювалася розбіжність між напругами і переміщеннями в однорідній і шаруватій основах, що визначалася за формулою

(8)

На рис. 4 і 5, як приклад, показана розбіжність Dw(в %) між осадками абсолютно гнучкого круглого фундаменту, розраховані згідно СНиП і пропонованій методиці, відповідно для однорідного і двошарового й однорідних і трьохшарових- основ

Аналогічні дані можуть бути отримані і для прямокутного фундаменту.

Аналіз отриманих даних показав, що:

- на додаток до раніше виявленого впливу деформаційних характеристик шарів, їхнього розташування і товщин на НДС шаруватої основи впливають розмір завантаженої площі і її конфігурація, а також відстань від центра завантаженої площі до розглянутої точки ;

Рис. 4. Розбіжність DW (в %) між осадками круглого фундаменту, розрахованими відповідно до вимог СНиП і пропонованою методикою для однорідної і двошарової основ. 1=2=0,3; z=0; r=0; ряд 1-E1/E2=1; ряди 2...9 – відношення E1/E2 відповідно дорівнює 100; 10; 5; 2; 0,5; 0,2; 0,1 і 0,01.

Рис. 5. Розбіжність DW у % між осадками круглого фундаменту, розрахованими відповідно до вимог СНиП і пропонованою методикою для однорідної і тришарової основ. 1=2=3=0,3; z=0; r=0; E1/E3=1,0; ряд 1-E1/E2=1; ряди 2...9…9 відношення E1/E2 згідно рис. 4.

- осадки денної поверхні під абсолютно гнучким круглим фундаментом для шаруватої й однорідної основи, розраховані за нормами і пропонованою методикою, у залежності від вказаних вище умов можуть розрізнятися дуже істотно (для співвідношень між деформаційними характеристиками, маючих місце в інженерній практиці до 70%), при цьому найбільше розходження відзначене для випадку, коли більш стиснений нижній шар перекритий верхнім менш стислим (розходження в осадках може досягати 90% і більше).

Результати виконаного теоретичного аналізу для навантаження, розподіленого по деякій площі, приведено в опублікованих статтях [5…11], перелік яких указаний наприкінці автореферату.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ викладена методика розрахунку середніх осадок фундаментів на шаруватій основі. В основу методики покладений приведений у СНиП 2.02.01-83* алгоритм розрахунку з деякими корективами:

- основа приймається у вигляді лінійно-деформованого шаруватого півпростору, а його розрахункова схема вибирається в залежності від ширини фундаменту b і загальної товщини лінійно-деформованого шару Н;

- при розрахунку осадки S і вертикальних напруг zz для шаруватої основи на контакті сусідніх i-того і i+1 ґрунтових шарів з різними властивостями повинні бути забезпечені умови спільності напруг і деформацій, тобто умови "склейки" (для фундаменту прямокутної і круглої форми вони приведені в тексті дисертації);

- середню осадку фундаменту варто розраховувати на вертикалі, що проходить через його центр; вона визначається як різниця вертикальних переміщень wz основи на рівні закладення підошви фундаменту і на глибині, обумовленої відповідно до вимоги п.6 обов'язкового додатка 2 СНиП, при цьому для отриманої величини середніх осадок вводиться понижуючий коефіцієнт 0,85.

Як ілюстрацію використання запропонованої методики приводиться порівняння середніх осадок штампів круглої форми (табл. 3), дані іспитів яких розглянуті в розділі 2. Як видно з табл. 3, врахування шаруватості основи забезпечує досить близька відповідність дослідних і розрахункових значень.

Таблиця 3.

Середні осадки штампів Sср (мм) при різній площі підошви F(см2).

Вид основи | Р, кПа | Фактичні осадки | Розраховані за СНиП 2.02.01-83* | Розраховані за пропонованою методикою

F=100 | F=200 | F=100 | F=200 | F=100 | F=200

Двошарова (пісок і суглинок) | 8 | 0,29 | 0,40 | 0,98 | 1,19 | 0,31 | 0,38

16 | 0,57 | 0,79 | 1,96 | 2,37 | 0,62 | 0,75

24 | 1,14 | 1,58 | 2,95 | 3,56 | 0,93 | 1,14

Тришарова (супісь-пісок -суглинок) | 8 | 1,50 | 2,08 | 1,25 | 1,31 | 1,28 | 1,59

16 | 2,30 | 3,19 | 2,50 | 2,61 | 2,56 | 3,18

24 | 3,50 | 4,85 | 3,75 | 3,92 | 3,84 | 4,77

Запропонована методика розрахунку НДС шаруватої основи дозволяє оцінити взаємний вплив один на одного сусідніх фундаментів (більше ніж двох). При цьому розрахунок середніх осадок проводиться на основі вище викладеного. Сумарну напругу zz у основі фундаменту, що розраховується, варто визначати як суму напруг від середнього тиску під його підошвою і напруг на розрахунковій вертикалі від сусідніх фундаментів з урахуванням відстаней між центрами що розраховується і сусідніх (впливаючих) фундаментів. Середня осадка фундаменту, що розраховується, визначають відповідно до викладеного вище методикою розрахунку середніх осадок шаруватої основи. обліку рекомендацій п. 6 додатка 2 СНиП. Вертикальні переміщення (осадки) основи wz фундаменту, що розраховується, варто визначати на розрахунковій вертикалі як суму переміщень від середнього тиску під підошвою цього фундаменту і переміщень від середнього тиску під підошвою сусідніх з урахуванням відстаней від їхніх центрів до центра що розраховується. Середню осадку фундаменту, що розраховується, визначають відповідно до викладеного вище методикою розрахунку середніх осадок шаруватої основи.

У четвертому розділі також містяться матеріали з обліку реологічних процесів (фільтраційної консолідації і повзучості ґрунтового кістяка) у шаруватій основі. При розробці методики передбачалося, що сумарне навантаження до основи прикладене в момент часу t=0. Матеріали цього розділу частково містяться в статтях [1] і [4].

У ході визначення залежностей "середня осадка – час" необхідно розрізняти стабілізовані Sст і поточні осадки S(t). При визначенні поточних осадок встановлюють осадки, обумовлені фільтраційною консолідацією SФ(t), повзучістю ґрунтового кістяка SU(t) і осадки, обумовлені суперпозицією зазначених процесів.

У дисертації приводяться формули для визначення:

-

-

-

Ілюстрацією використання запропонованої методики служать представлені на рис. 6 графічні залежності середніх осадок від часу для штампів круглої форми.

Як видно з рис. 6 максимальна розбіжність між експериментальними і теоретичними кривими не перевищує 15%.

а)

б)

Рис. 6. Графічні залежності "осадка-час".

а) два шари – суглинок і пісок; б) три шари – суглинок, пісок і супісь.

1, 2 – штамп площею 100см2; 3, 4 – те ж 200см2; 1, 3 – експеримент; 2, 4 – теорія.

ВИСНОВКИ

Виконані дослідження дозволяють зробити наступний висновок.

1. Експериментальним шляхом показано, що будова ґрунтової товщі (товщина і характер розташування ґрунтових шарів з різними деформаційними властивостями) істотно позначається на величинах середніх осадок дослідних фундаментів (штампів) і характері їхнього розвитку в часі.

2. Зіставлення експериментальних і розрахованих відповідно до методики СНиП 2.02.01-83* середніх осадок фундаментів для двошарової основи кількісно показало, що:

- якщо несучий шар має більш високі деформаційні характеристики, ніж той, що підстилає, розбіжність між установленими відповідно до методики СНиП і фактичними середніми осадками фундаментів досягає 70%;

- якщо підстилаючий шар має більш високі характеристики, чим несучий, фактичні і розрахункові значення середніх осадок фундаментів близькі між собою (розбіжність не перевищує 20%).

3. Аналогічні висновки зроблені на основі аналізу результатів досліду досліджуваних фундаментів на тришаровій основі. При цьому було також установлено, що на величини середніх осадок позначається характер чергування ґрунтових шарів з різними деформаційними властивостями.

4. Теоретичні дослідження напружено деформованого стану шаруватих ґрунтових основ при використанні моделі кусочно-лінійного ізотропного пружного середовища дозволили підтвердити наявні і виявити нові закономірності:

-

-

-

5. Аналіз експериментальних і розрахованих з використанням рішень теорії пружності середніх осадок фундаментів виявило їх задовільну якісну і кількісну відповідність. При цьому, зіставлення розрахованих відповідно до методики СНиП 2.02.01-83* і теорією пружності середніх осадок дозволило зробити такі висновки:

- для однорідної (не шаруватої) основи розраховані по різних методиках середні осадки відрізняються незначно (на 12...15%);

- якщо несучий шар має більш високі деформаційні характеристики, ніж ті, що лежать нижче, то методика СНиП дає завищені значення середніх осадок;

- якщо несучий шар має більш низькі деформаційні , ніж ті, що лежать нижче, то розраховані різними методиками середні осадки мають близькі значення.

6. Розроблена методика розрахунку середніх осадок фундаментів, розташованих на шаруватих ґрунтових основах. У її основу покладені результати вирішення задачі теорії пружності про ущільнення шаруватої основи. Її відмінністю від методики СНиП є більш повний облік текстурних особливостей ґрунтової товщі і її фактичного напружено-деформованого стану. Методика також дозволяє враховувати вплив на середні осадки розташованих поблизу один від одного фундаментів і розрахувати середні осадки як функцію часу. В останньому випадку основа розглядається як спадково-пружнє водонасичене середовище

7. На основі виконаних для шаруватих основ теоретичних досліджень зроблений висновок про те, що через безліч факторів, що впливають на середні осадки, і їхніх сполучень необхідно розробляти методики, що дозволяють враховувати особливості таких основ найбільш повно. У зв'язку з розвитком обчислювальної техніки такий облік здійснити нескладно.

8. Результати досліджень впроваджені в 1998-2000 рр при розробці і реалізації проектів посилення фундаментів адміністративних і житлових будинків . Економічний ефект від впровадження склав 130 тис. грн., при пайовій участі ПДАБтаА близько 100 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в статтях.

1. Маркелова Т.В. Влияние фильтрационной консолидации на напряженно-деформированное состояние плитных фундаментов на пылевато-глинистом основании. /Сб. научных трудов Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. Вып. 2., т.1. Основания и фундаменты, строительные материалы –Днепропетровск: ПГАСиА, 1997. -С.25-27.

2. Поповиченко С.О., Маркелова Т.В. Влияние циклической нагрузки на деформирование плитных фундаментов, находящихся на слоистом основании. //Сб. научн. тр. ПГАСиА. Вып.2, т.1. –Днепропетровск: ПГАСиА, 1997. –С.27-30. (внесок здобувача- розробка методики випробовувань стискальності шаруватих основ у ґрунтовому лотку).

3. Маркелова Т.В. Особенности напряженно-деформированного состояния плитных фундаментов на грунтовом слое конечной толщины. //Механика грунтов и фундаментостроение. т.2. Тр. 3й Украинской научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению –Одесса: ОГАСиА, 1997 – С.392-393.

4. Швец В., Шаповал В., Маркелова Т., Поповиченко С. К прогнозу напряженно-деформированного состояния водонасыщенных оснований при воздействии на них квазистатической нагрузки //Теоретичні основи будівництва. Дн-ськ: ПДАБтаА, 1998-№6 С.561-564. (внесок здобувача- аналіз експериментальних даних і їх зіставлення з теоретичним розрахунком).

5. Шаповал В.Г., Маркелова Т.В. К вопросу расчета средних осадок фундаментов на слоистом основании //Сб. научн. тр. Проблемы современного материаловедения. Материаловедение, строительство и отраслевое машиностроение. Вып. 8, ч.2., –Днепропетровск: ПГАСиА, 1999. – С.33-37 (внесок здобувача- зіставлення експериментальних даних з розрахунком по СНиП).

6. Шаповал В.Г., Маркелова Т.В. Напряженно-деформированное состояние слоистых оснований. Збірник наук. праць. //Проблеми реконструкції та експлуатаціі промислових та цивільних обєктів –Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 1999. – С.119-120. (внесок здобувача- аналіз НДС дво- і тришарової основи).

7. Маркелова Т.В. Алгоритм построения аналитического решения для определения напряжений и перемещений в слоистом грунтовом основании //Вісник Придніпровської державної академіі будівництва та архітектури. – Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2000-№1. – С.36-44.

8. Шаповал В.Г., Маркелова Т.В., Швец В.Б. К вопросу оценки напряженно-деформированного состояния слоистых оснований //Сб. научн. тр. Строительство, материаловедение, машиностроение, Вып. 10.- Дніпропетровськ: GАUDEAMUS, 2000.–С.331-339. (внесок здобувача- порівняльний аналіз розподілу напруг у дво- і тришаровій основі з однорідною основою при дії зовнішнього навантаження)

9. Шаповал В., Маркелова Т. К оценке напряженно-деформированного состояния слоистых грунтовых оснований от внешней нагрузки, приложенной к его поверхности //Теоретичні основи будівництва. Дн-ськ: ПДАБтаА, 2000-№8. С.546-550. (внесок здобувача- аналіз НДС шаруватої основи під дією зосередженої сили).

10. Маркелова Т.В. Напряженно-деформированное состояние слоистого грунтового основания от нагрузки, распределенной на его поверхности по площади круга //Вісник ПДАБтаА – Дніпропетровськ: GAUDEAMUS.- 2000.- №10-С. 31-35

11. Шаповал В. Г., Маркелова Т. В., Швец В. Б. К расчёту средних осадок фундаментов на слоистых грунтовых основаниях //Будівельні конструкції, вип. 53, кн. 1 Межвідомчий збірник “Механіка грунтів та фундаментобудування ”. Зб. наук. праць- Київ: НДІБК, 2000.- С. 269-275 (внесок здобувача – порівняльний аналіз середніх осадок дво- і тришарової основи з однорідною).

АНОТАЦІЯ

Маркелова Т.В. Прогнозування середніх осадок фундаментів на шаруватих основах від вертикального навантаження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за фахом 05.23.02 – основи та підвалини. – Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2000.

Робота присвячена дослідженню напружено-деформованого стану (НДС) шаруватої грунтової основи (у тому числі з шарами, що мають реологічні властивості у водонасиченому стані) при передачі на нього зовнішнього навантаження від фундаментів, а також розробці на цій основі методики розрахунку середніх осадок.

Експериментальними дослідженнями в спеціальному лотку з круглими металевими штампами площею 100 та 200 см2 досліджено особливості згущення одно- дво- та тришарової основи, представлені зв’язними і незв‘язними ґрунтами у водонасичному стані. За тривалих компресіонних іспитів встановлені реологічні властивості зв’язних ґрунтів шарової основи.

Аналітичним рішенням в межах загальних засад теорії пружності встановлені напруги та пресування у шаровій основі. Рішення спочатку отримане для випадку, коли до верхньої межі основи прикладену деяким способом розподілену напругу. В подальшому це рішення застосоване до напруги, розподіленій по заданій площині. Порівняльний аналіз розподілення напруг та пересувань у шаруватій і однорідній основах виявив їх суттєву розбіжність.

На основі експериментальних досліджень і теоретичного аналізу подані практичні рекомендації щодо розрахунку середніх осадок фундаментів на грунтовій шаруватій основі.

Ключові слова: шарувата основа, зовнішня напруга, напружено-деформований стан, напруги, пересування, реологічні процеси, середня осадка.

ANNOTATION

Marquelova I. Estimation Middle settlements of Basements of Slab Soil Beddings Loaded by Vertical Load (Manuscript.)

Thesis for a Candidate of Technical Science Degree, Specialty No. 05.23.02 – Foundations & Basements. – Pridneprovskaya State Academy for Civil Engineering and Architecture. Dnipropetrovsk City, 2000.

The thesis elucidates studies of stress-deformed state (SDS) of slab soil bedding (including those with flow properties in water-saturated state) when transmitting external load from foundations on it; and development of methods for standard deformations calculating based on these studies.

Experimental research in special gutter with round-shaped metal stamps 100 & 200 square centimeters have unveiled features of compression of single-, double- and triple-slab bedding represented by bound and unbound soil of slab bedding. Flow properties of bound soil of slab bedding are determined during prolonged compression testing.

Analytical solution within general theses of theory of elasticity stresses and movements in slab bedding are determined. Initial solution is made for case where distributed load is somehow implied to the upper edge of bedding. The solution is further applied to a stress distributed onto predefined area. Comparative analysis of distribution of stresses and movements in slab and uniform beddings has unveiled their essential difference.

On basis of experimental research and theoretical analysis practical recommendations on how to recalculate average sediments of foundations on slab soil bedding are given.

Keywords: slab bedding, external load, stress-deformed state, stresses, movements, Flow processes, average sediment.

АННОТАЦИЯ

Маркелова Т. В. Прогноз средних осадок фундаментов на слоистых основаниях от вертикальной нагрузки. –Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 – Основания и фундаменты. –Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, 2000.

Работа посвящена изучению напряженно-деформированного состояния (НДС) слоистого грунтового основания (в том числе со слоями, обладающими реологическими свойствами в водонасыщенном состоянии) при передаче на него внешней нагрузки от фундаментов и разработке на этой основе методики расчета средних осадок. Применяемые методы расчёта средних осадок фундаментов на слоистых основаниях не в полной мере учитывают особенности НДС таких оснований. Решение поставленной задачи осуществлялось экспериментально-теоретическим путём.

Экспериментальное исследования выполнены в грунтовом лотке с использованием круглых металлических штампов площадью 100 см2 и 200 см2 при передаче ступенчато-возрастающей нагрузки. Применённая методика лотковых испытаний позволила изучить особенности уплотнения одно-, двух- и трехслойного основания, представленных связными и несвязными грунтами в водонасыщенном состоянии. Одновременно путём длительных компрессионных испытаний установлены реологические свойства связных грунтов слоистого основания.

Путём решения в рамках теории упругости определены напряжения и перемещения в слоистом основании. Решение вначале получено для случая, когда к верхней границе основания приложена некоторым образом распределенная произвольная нагрузка. Далее это решение использовано для нагрузки в виде сосредоточенной силы, а затем для нагрузки, распределенной по заданной площади. Сопоставительный анализ распределения напряжений и перемещений в слоистом и однородном основании выявил их существенное различие.

Теоретическим исследованием распределения напряжений в слоистом и однородном основании установлено, что помимо влияния деформационных характеристик, расположения слоёв по глубине и их толщине на НДС слоистого основания оказывает влияние размер загруженной площади, её конфигурация, а также расстояние от центра загруженной площади до рассматриваемой точки. Осадки дневной поверхности под круглым фундаментом для сплошного и однородного основания, рассчитанные по нормам проектирования и предлагаемым формулам могут различаться в зависимости от конкретных особенностей грунтовой толщи до 70%, при этом наибольшем отличие отмечено для случая, когда более сжимаемый нижний слой перекрыт верхним, менее сжимаемым (различие в осадках может достигать 90% и более). Слоистая текстура основания оказывает также влияние на геометрию осадочной воронки

На основе экспериментальных исследований и теоретического анализа даны практические рекомендации по расчету средних осадок фундаментов на грунтовом слоистом основании, включающие в себя методику расчета конечных (стабилизированных) осадок отдельностоящих фундаментов, учет взаимного влияния напряжений от соседних фундаментов и реологических процессов (фильтрационной консолидации и ползучести грунтового скелета) на дополнительные осадки.

Ключевые слова: слоистое основание, внешняя нагрузка, напряженно-деформированное состояние, напряжения, перемещения, реологические процессы, средняя осадка.