ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ЯРКІН Віктор Володимирович

УДК 624.131:624.15

Взаємодія стрічкових фундаментів
з основою, що нерівномірно
деформується

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка - 2001 р.

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі "Основи, фундаменти та підземні споруди" Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,
ПЕТРАКОВ Олександр Олександрович
Донбаська державна академія будівництва і архітектури,
завідувач кафедри “Основи, фундаменти та підземні споруди”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент
ЛЕВІН Віктор Матвійович
Донбаська державна академія будівництва і архітектури,
професор кафедри “Залізобетонні конструкції”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
КІСІЛЬ Ася Іллінічна
Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України, м. Київ, провідний науковий співробітник відділу основ та фундаментів будівель та споруд у звичайних та складних інженерно-геологічних умовах.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, кафедра залізобетонних конструкцій, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться “29” листопада 2001 року о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 в Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка-23, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці при Донбаській державній академії будівництва і архітектури.

Автореферат розісланий “ 26 ” жовтня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент Югов А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Складні інженерно-геологічні умови, що під впливом різних факторів призводять до нерівномірних деформацій основ будинків, становлять 90% території України. Крім того, стан економіки України за останнє десятиріччя несприятливо відзначився на умовах технічної експлуатації, огляді і якості ремонтно-відбудовних робіт на об'єктах, що знаходяться на балансі в державних структурах. Останнє проявилося будівельними аваріями, причинами більшості з яких є несприятливий результат взаємодії споруди з основою, що деформується. У зв'язку з виниклою проблемою цілості основних фондів 5 травня 1997 року вийшла Постанова Кабінету Міністрів України № 409 “Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд і інженерних мереж”. Найважливішою задачею реалізації заходів для запобігання аварій і руйнування будівельних конструкцій є своєчасне проведення високоточної технічної діагностики будівель, що включає встановлення істинних причин порушення експлуатаційної придатності і застосування оптимальних технічних рішень, що дозволяють забезпечити подальшу нормальну експлуатацію будівель.

У вирішенні вищевказаних задач першочергову роль відіграє достовірний інженерний прогноз взаємодії основи і споруди. Необхідність рішення задачі щодо взаємодії системи “основа - фундамент - надземна споруда” відзначається й у чинних нормативних документах, проте в реальних проектах ця вимога практично не реалізується через відсутність необхідного методичного забезпечення. Переважна більшість реальних проектів у сучасній практиці проектування виконується за методом допустимих осідань або кренів. У тих же випадках, коли розрахунок проводиться з урахуванням основи, що деформується, він виконується звичайно в лінійній постановці, що призводить до недостатнього використання несучої спроможності основи, а також до похибок при визначенні контактних тисків, що перерозподіляються по підошві фундаменту.

Враховуючи викладене вище, актуальність даної роботи зумовлена необхідністю розробки методик урахування спільної роботи системи “основа - фундамент - надземна споруда” у нелінійній постановці, заснованих на застосуванні сучасних інформаційних технологій, а також вдосконалення конструктивних заходів захисту безкаркасних будівель, що експлуатуються в умовах нерівномірних деформацій основи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана в рамках державних наукових тем кафедри “Основи, фундаменти та підземні споруди” Донбаської державної академії будівництва і архітектури № К-2-2-96 “Удосконалення методів розрахунку основ фундаментів на основі гіпотез нелінійної механіки грунтів” і № К-3-04-01 “Удосконалення і розробка методів розрахунку фундаментів підвищеної несучої спроможності в умовах м. Макіївки”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертації є удосконалювання конструктивних заходів підсилення фундаментів безкаркасних будівель, що взаємодіють із основою, яка нерівномірно деформується, з урахуванням параметрів їхньої взаємодії.

Для реалізації зазначеної мети автором вирішені наступні задачі:

- аналіз і класифікація причин виникнення нерівномірних деформацій основи, методів захисту від впливу нерівномірних деформацій основи і методів рішення контактної задачі в умовах нерівномірних деформацій основи;

- розробка удосконалених конструктивних заходів підсилення фундаментів безкаркасних будівель, що реалізують принцип трансформації контактних тисків, які діють по підошві фундаменту;

- експериментальні дослідження параметрів взаємодії системи “основа - фундамент - конструкція підсилення” при різноманітних жорсткостях конструкції підсилення;

- розробка й експериментальне обгрунтування моделі ґрунтової основи, що нелінійно деформується, яка дозволяє визначати коефіцієнт жорсткості основи в стадії, близької до граничної несучої спроможності основи, на основі методу пошарового підсумовування;

- розробка інженерної методики розрахунку несучої спроможності й осадок фундаментів безкаркасних будівель, підсилених конструкціями, запропонованими й удосконаленими в дисертаційній роботі;

- дати рекомендації по конструюванню і виконанню робіт з устрою конструкцій підсилення.

Об'єкт дослідження. Фундаменти безкаркасних будівель, що експлуатуються в умовах нерівномірних деформацій основи.

Предмет дослідження. Конструкції підсилення фундаментів безкаркасних будівель та параметри їх взаємодії з основою, що нерівномірно деформується.

Методи дослідження: експериментальні методи визначення міцності і деформативності будівельних конструкцій; методи визначення осідань основи на основі рішень теорії пружності; чисельні методи рішення змішаної пружнопластичної задачі визначення напружено-деформованого стана системи “основа - фундамент” методом кінцевих елементів; методи розрахунку конструкцій на основі, що деформується.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дослідження складають:

- параметри взаємодії системи “основа - фундамент - конструкція підсилення”, що включають: закономірності формування зон граничної рівноваги в грунтовому масиві; характер перерозподілу контактних тисків між фундаментом і конструкцією підсилення; залежності внутрішніх зусиль у конструкціях підсилення від їхньої жорсткості; спільність переміщень елементів системи;

- модель ґрунтової основи, що нелінійно деформується і дозволяє визначати кінцеві пружнопластичні осадки фундаменту аж до вичерпання несучої спроможності основи, яка реалізована з використанням методу пошарового підсумовування;

- інженерні методи аналізу напружено-деформованого стана (НДС) фундаментів безкаркасних будівель і конструкцій їхнього підсилення, заснованих на принципі трансформування епюри контактних напруг;

- кінцево-елементна розрахункова модель системи “основа - фундамент - конструкція підсилення”, заснована на єдиних рівняннях міцності для матеріалів конструкцій і ґрунтів основи, що реалізована з використанням безітераційного кроково-інкрементального метода змішаної задачі пружності і пластичності;

- методи експериментальних досліджень конструкцій на пружній основі, що дозволяють підвищити достовірність результатів за рахунок визначення характеристик ґрунтів безпосередньо в моделі основи.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблена методика і програмне забезпечення з розрахунку і проектуванню фундаментів безкаркасних будівель, що дозволяють на основі урахування їхньої взаємодії з основою, що нерівномірно деформується, підвищити надійність експлуатації будівель;

- запропоновані конструктивні заходи щодо підсилення фундаментів безкаркасних будівель, що знижують об'єм земляних робіт, матеріалоємність будівельних робіт і вартість у порівнянні з традиційними мірами захисту;

- запропонована інженерна методика визначення несучої спроможності і деформативності основи фундаменту безкаркасної будівлі, підсиленого розробленою в дисертації конструкцією;

- наведені рекомендації з конструювання і здійснення робіт із підсилення фундаментів безкаркасних будівель на реальних об'єктах будівництва.

Впровадження результатів досліджень. Матеріали досліджень використані при розробці:

- регіональних будівельних норм РБН В.3.1-01-99 “Правила оцінки технічного стану і паспортизації будинків та споруд, що експлуатуються в складних інженерно-геологічних умовах”;

- проекту мір охорони будівель м. Кремінне від підробітків шахтою “Кремінна”;

- заходів щодо забезпечення нормальної експлуатації будівлі дитячого садка по вул. Катеринича, у м. Краматорськ, що експлуатується на просідаючих ґрунтах I типу.

Особистий внесок автора. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора складається в наступному:

- запропоновані модифіковані конструктивні рішення з підсилення фундаментів безкаркасних будівель;

- проведені чисельні й експериментальні дослідження, що дозволяють обґрунтувати ефективність та область застосування запропонованих конструктивних заходів щодо підсилення фундаментів;

- розроблена методика визначення несучої спроможності і деформативності основи стрічкового фундаменту, підсиленого конструкцією, сполученої з відмощенням;

- розроблене програмне забезпечення для визначення перемінного коефіцієнта жорсткості основи з урахуванням складних інженерно-геологічних умов, взаємного впливу фундаментів, а також нелінійної залежності деформацій основи від напруг.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались: на IV Української науково-технічній конференції з механіки ґрунтів та фундаментобудування (Київ, 2000); на наукових конференціях Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Макіївка, 1997-1998 рр.); на наукових семінарах кафедри “Основи, фундаменти та підземні споруди” Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Макіївка, 2000-2001 рр.); на засіданнях Вченої ради інституту Донецький ПромбудНДІпроект (Донецьк, 2000-2001 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 друкованих робіт, серед яких 3 статті та 2 повідомлення за результатами наукових конференцій в наукових журналах і збірниках наукових праць; 3 роботи опубліковано без співавторів.

Об`єм та структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 148 найменувань та чотирьох додатків і викладена на 214 сторінках, що вміщують 121 сторінку основного тексту, 14 сторінок списку використаних джерел, 31 повну сторінку з рисунками та таблицями, 48 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета і задачі досліджень, визначені новизна і практичне значення роботи, представлена загальна характеристика роботи.

Перший розділ присвячений аналізу стана питання і рівня наукових досягнень в області забезпечення надійності фундаментів безкаркасних будівель, що експлуатуються в умовах нерівномірних деформацій основи.

Аналіз основних причин виникнення нерівномірних деформацій основи, методів урахування їхнього впливу на будівлі і експериментальних досліджень НДС будівель, що взаємодіють з основою, виконаний на основі наукових праць Абелева Ю.М., Крутова В.І., Цитовича М.О., Клєпікова С.М., ШагінаП.П., Мустафаева А.А., Метелюка М.С., МілюковаД.О., Петракова О.О., Черного Г.І., КісільА.І., МоскаліниІ.М. та ін., показав, що незважаючи на деяку подібність по характеру впливу на будівлі, вони мають і принципові розходження, до яких у першу чергу відносяться:

- залежність впливу безпосередньо від тисків, переданих на основу;

- залежність впливу від гідрогеологічного режиму території;

- циклічність (повторювальність) впливу.

Урахування цих особливостей при вирішенні контактних задач і виборі ефективних заходів захисту безкаркасних будівель необхідно робити за принципово різними методиками.

Розглянуто і класифіковано будівельні методи захисту безкаркасних будівель від впливів основи, що нерівномірно деформується. При цьому особлива увага приділена конструктивним заходам, що реалізують принцип трансформації контактних тисків по підошві фундаменту, запропонованим у роботах Заболотного П.П, Яструбецького В.Л., Єгорова А.І. та ін. Особливістю зазначених конструктивних заходів захисту є те, що вони дозволяють збільшувати опорну площу фундаменту в міру виникнення такої необхідності. При цьому частина тиску, що діє по підошві фундаменту, перетворюється в пасивний опір ґрунту, в результаті чого збільшуються значення критичних тисків на ґрунти.

Автором запропоновані удосконалені конструкції підсилення стрічкового фундаменту, сполучені з відмощенням, що реалізують принцип трансформації контактних тисків і підвищують жорсткість фундаментної конструкції у вертикальній і горизонтальній площині (мал. 1). У залежності від причин виникнення нерівномірних деформацій основи і їхніх кількісних параметрів запропонована конструкція підсилення може використовуватися за різними функціональними призначеннями і з різним ступенем ефективності, проте основною метою влаштованого підсилення є зниження нерівномірності деформацій основи по довжині стрічкового фундаменту, що враховуються при вирішенні контактних задач.

Мал. 1. Схема трансформації епюри контактних напруг:
1 - фундамент; 2 - опорний шип; 3 - консольна залізобетонна плита; 4 - анкер; 5 - зворотне засипання із ґрунту, що не здимається; 6 - трансформована епюра напруг.

Проаналізовано досвід і прийоми рішення контактної задачі з використанням різних моделей ґрунтової основи. Моделі основи, що використовують гіпотезу Вінклера, розвинуті в роботах Пастернака П.Л., Пузирєвського М.П., Крилова А.М. та ін. Теорія розрахунку конструкцій на пружному півпросторі розроблений у наукових працях Проктора Г.Є., Герсеванова М.М., Горбунова-Посадова М.І., Флоріна В.Л., Жемочкіна Б.М., Кузнєцова В.І. та ін. Моделі основи проміжні між гіпотезою Вінклера і пружного півпростору розглянуті в роботах Філоненко-Бородича М.М., Клєпікова С.М., Рівкіна С.О., СиницинаО.П. та ін.

При взаємодії стрічкового фундаменту з основою, що нерівномірно деформується, тиск, який перерозподіляється по підошві фундаменту, може перевищувати межу лінійної деформівності ґрунту, у зв'язку із чим при вирішенні контактних задач в умовах нерівномірних деформацій основи необхідно застосування нелінійної механіки ґрунтів.

Дані досліджень в області нелінійної механіки ґрунтів відображені в роботах Бугрова О.К., Гольдштейна М.Н., Горбунова-Посадова М.І., Клєпікова С.М., Малишева М.В., Мурзенка Ю.М., Петракова О.О., Пілягіна О.В., Фадєєва О.В., Шапіро Д.М. та ін.

На підставі аналізу й узагальнення відомих досліджень обґрунтовані доцільність і актуальність виконання цієї роботи, сформульовані задачі досліджень.

Другий розділ присвячений експериментальним дослідженням параметрів взаємодії системи "основа – фундамент – конструкція підсилення" за умови різної жорсткості конструкції підсилення.

Проведені експериментальні дослідження вирішували наступні задачі:

- визначення впливу запропонованих конструктивних заходів захисту з різною жорсткістю на несучу спроможність і деформативність основи;

- визначення спільних деформацій системи “фундамент - конструкція підсилення” і розподілу зусиль між елементами системи;

- установлення діапазону працездатності запропонованих конструктивних заходів і області їхнього можливого застосування в залежності від різних умов експлуатації і конструктивних особливостей будівель, що посилюються.

Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних умовах на штучній, однорідній основі з дрібнозернистого піску. Вироблені дрібномасштабні залізобетонні фундаменти таврової форми мали наступні геометричні параметри: ширина підошви 160 мм; ширина стінки 60 мм; висота 170 мм; глибина закладення 100 мм; довжина 500 мм. Конструкція підсилення виконувалася з металевих зварних елементів, що мають Г-подібну форму, і кріпилася до фундаментів за допомогою кінематичної стержневої системи, що дозволяла визначити згинальний момент у місці кріплення (мал. 2). Одночасно випробувались два фрагменти стрічкового фундаменту, об'єднаних металевою траверсою.

Мал. 2. Схема проведення випробування

1 - фрагменти стрічкового фундаменту; 2 - конструкція підсилення; 3 - траверса;
4 - ґрунти; 5 - кінематична стержнева система.

Зміна жорсткості конструкції підсилення здійснювалася установкою в ланцюг кінематичної стержневої системи динамометрів із різною податливістю пружини. Варіювання жорсткості конструкції підсилення проводилося на трьох ступенях: із максимальною жорсткістю, яку можна було забезпечити застосованою кінематичною стержневою системою і жорсткостями, що складають відповідно 10% та 50% від максимальної.

Вплив підвальної частини враховувався зменшенням заглиблення підошви фундаменту, з боку протилежного від конструкції підсилення, до 10 мм.

За результатами проведених випробувань були отримані осереднені залежності осідань фундаментів від навантаження (мал. 3, 4), розміри критичних навантажень на фундамент і залежність зусиль у конструкції підсилення від навантаження на фундамент.

Мал. 3. Залежності осідань від навантаження без урахування підвальної частини

1 - без конструкції підсилення; 2 - із підсиленням жорсткістю 10% від максимальної; 3 - теж із жорсткістю 50% від максимальної; 4 - теж із максимальною жорсткістю. | Мал. 4. Залежності осідань від навантаження з урахуванням підвальної частини

1 - без конструкції підсилення;

2 - із конструкцією підсилення максимальної жорсткості.

У зв'язку з невідповідністю експериментальних критичних тисків на основу теоретичним, визначеним з урахуванням характеристик міцності, отриманих у приладі одноплощинного зрушення, проводилося додаткове визначення питомого зчеплення піщаного ґрунту безпосередньо в масиві ґрунту. На основі відомого рішення Соколовського В.В. для визначення граничної висоти стійкого вертикального укосу вирішувалася обернена задача, тобто в масиві ґрунту улаштовувався вертикальний укіс граничної висоти, а потім, приймаючи кут внутрішнього тертя за результатами випробування на зрушення, визначалося питоме зчеплення. Отримане питоме зчеплення в 4,5 разів перевищувало значення, визначене при випробуванні на зрушення.

Проведені випробування дозволили зробити наступні висновки:

1. Ефект від застосування запропонованої конструкції підсилення досягається переважно за рахунок збільшення несучої спроможності основи фундаменту і відповідно зниження пластичних деформацій основи при постійному рівні навантаження, а також за рахунок підвищення жорсткості стрічкового фундаменту.

2. Збільшення несучої спроможності основи стрічкового фундаменту при застосуванні розглянутої конструкції підсилення складає 15-43 %.

3. Зниження осідань підсиленого стрічкового фундаменту при тисках, рівних межі лінійної деформативності і межі міцності основи непідсиленого фундаменту, складає 10-35% і 300-500% відповідно.

4. Отримано три схеми втрати несучої спроможності підсиленого фундаменту:

- руйнування самої конструкції підсилення, після чого відбувається руйнування основи фундаменту, із зсувом ґрунту убік конструкції підсилення;

- руйнування основи під конструкцією підсилення, а потім руйнування основи фундаменту, із зсувом ґрунту убік конструкції підсилення;

- руйнування основи фундаменту із зсувом ґрунту убік протилежний конструкції підсилення, за наявності підвальної частини.

Остаточна несуча спроможність основи фундаменту, підсиленого запропонованою конструкцією, повинна визначаться з урахуванням умов: міцності самої конструкції підсилення; стійкості основи під конструкцією підсилення; стійкості основи під підошвою фундаменту.

5. Конструкція підсилення починає працювати з запізненням, яке тим більше, чим нижче жорсткість самої конструкції підсилення. При цьому зниження жорсткості основи під фундаментом, навпаки сприяє швидкому залученню конструкції підсилення у роботу.

6. Зменшення тиску, що привантажує основу фундаменту з боку, протилежного конструкції підсилення, призводить до зміни схеми втрати стійкості основи фундаменту та істотного зниження його несучої спроможності.

У третьому розділі розроблені методика рішення контактної задачі в умовах нерівномірних деформацій основи з застосуванням перемінного коефіцієнта жорсткості, що визначається з урахуванням нелінійних пружнопластичних деформацій неоднорідного по глибині ґрунтового масиву, а також інженерна методика розрахунку несучої спроможності і деформацій основи фундаменту, підсиленого конструкцією, що сполучена з відмощенням.

За основні положення розрахунку стрічкового фундаменту, взаємодіючого з основою, що нерівномірно деформується, прийняті наступні:

- рішення контактної задачі виконується методом кінцевих елементів;

- за модель основи приймається модель перемінного коефіцієнта жорсткості по Клєпікову С.М.. При розрахунку основа стрічкового фундаменту розбивається на рівні ділянки і заміняється окремими стержнями, які працюють на стиск, вигин і зсув. Жорсткість еквівалентних стержнів, що моделюють контактні умови, залежить від площі і коефіцієнтів жорсткості ділянок основи, що заміняються стержнями, а також довжини стержнів;

- коефіцієнт жорсткості основи призначається для кожної ділянки диференційовано в залежності від очікуваних осідань основи по вертикалі, що проходить через її центр, визначених з урахуванням впливу інших ділянок стрічкового фундаменту, а також факторів, що зумовлюють виникнення нерівномірних деформацій основи. Розрахунок виконується методом послідовних наближень шляхом уточнення на наступних етапах розмірів коефіцієнта жорсткості на кожній ділянці дискретної основи з урахуванням отриманих реактивних тисків;

- деформації земної поверхні, не пов'язані з навантаженням від будівлі, що виявляються у вигляді вертикальних, горизонтальних і кутових переміщень основи, моделюються відповідними переміщеннями опорних стержнів;

- реактивні тиски під підошвою фундаменту визначаються в передумові односторонніх зв'язків між конструкцією фундаменту та основою.

Для визначення осідань основи будь-якої ділянки стрічкового фундаменту використовується змішана модель ґрунтового масиву, що нелінійно деформується, в який:

- при тисках, які не перевищують межу лінійної деформівності R, ґрунти основи розглядаються як пружне тіло, що відчуває однократне завантаження;

- при тисках у діапазоні від R до граничного опору основи Pu - пружнопластичне тіло, у якому залежність деформацій від тиску апроксимується дрібно-лінійними гіперболічними функціями.

Основною відмінністю запропонованої моделі є те, що гіперболічна апроксимація застосовується не до всього масиву, як в аналогічних моделях Попова Б.П., Клєпікова С.М., Малишева М.В. та ін., а до окремого прошарку (мал. 5). При цьому повне осідання в розрахунковому прошарку від тисків, що перевищують граничне значення для цього прошарку, обмежені товщиною прошарку h.

Мал. 5. Розрахунковий графік залежності осідання в елементарному прошарку основи від тиску, що діє в цьому прошарку.

Повне осідання фундаменту S визначається за формулою

(1)

де Se – осідання, що відповідає умові лінійної деформівності основи; Sp - додаткове осідання при розвитку зон пластичних деформацій; Sd - вертикальні деформації від просідання (для I типу ґрунтових умов за просадочністю) або набрякання ґрунту (при набряканні - із знаком мінус).

Визначення повного осідання S провадиться шляхом крокової інтерпретації методу пошарового підсумовування, що призводить до виродження розрахункових прошарків у процесі рішення задачі: , що дозволяє розглядати розв'язувану задачу як конструктивно нелінійну. При цьому компоненти Se,i та Sd,i у кожному елементарному прошарку визначаються відповідно до чинних нормативних документів. Додаткове осідання Sp визначається за формулою

; , (2)

де n - кількість розрахункових прошарків у товщі основи, що стискається; ki - коефіцієнт наближення до граничного стана в i - тому прошарку, що описується гіперболічною залежністю у вигляді дрібно-лінійної функції з областю визначення від 0 до 1.

; ;

, (3)

де zp,nf,i - додаткова вертикальна напруга в i-тому прошарку ґрунту; zg,i - вертикальна напруга від власної ваги ґрунту в i-тому прошарку; Ri - розрахунковий опір основи i-того прошарку; Pu,i - тиск, що відповідає виникненню граничного стана в i-тому прошарку; ks,i - коефіцієнт, що залежить від виду ґрунту та його стану.

При визначенні додаткової вертикальної напруги zp,nf,i у i-тому прошарку вплив сусідніх фундаментів (ділянок стрічкового фундаменту) обмежується тиском, що не перевищує розрахункового опору основи під фундаментом, що впливає, тобто

Р0,k  Rk - zg,0k ,, (4)

де Р0,k і Rk - відповідно додатковий тиск по підошві і розрахунковий опір основи k-того фундаменту, що впливає; zg,0k - вертикальна напруга від власної ваги ґрунту на рівні підошви k-того фундаменту, що впливає.

Застосування у формулі (3) коефіцієнта ks,i робить її універсальною та дозволяє апроксимувати практично будь-яку нелінійну залежність осідань від тиску (мал. 6).

При відсутності даних реального деформування ґрунту за результатами штампових випробувань для визначення ks рекомендується використовувати формулу

, (5)

де - коефіцієнт Пуассона ґрунту.

Мал. 6. Залежності осідань від навантажень при різних значеннях ks

Розрахунок коефіцієнтів жорсткості основи стрічкового фундаменту, підсиленого запропонованою конструкцією, виконується в залежності від осідань, визначених з урахуванням параметрів взаємодії системи “основа - фундамент - конструкція підсилення”. Різниця в коефіцієнтах жорсткості основи підсиленого та непідсиленого фундаменту Сz дозволяє згладжувати нерівномірність епюри перемінного коефіцієнта жорсткості по довжині фундаменту.

Інженерна методика розрахунку підсиленого стрічкового фундаменту полягає у визначенні несучої спроможності і деформацій його основи, а також зусиль, що діють у конструкції підсилення. Розрахунок починається з визначення геометричних параметрів конструкції підсилення таких як активна зона bо,акт та ексцентриситет прикладення рівнодіючої реактивного тиску по конструкції підсилення щодо центру фундаменту ef. Жорсткість конструкції підсилення призначається з умови забезпечення нерозривного контакту з основою у всьому діапазоні діючих реактивних тисків аж до втрати стійкості основи під конструкцією підсилення. Далі методом послідовних наближень встановлюється такий розподіл навантаження між фундаментом і конструкцією підсилення, при якому виконуються умови рівноваги сил і спільності деформацій. Розрахунок деформацій основи виконується по вертикалях, що проходять через центр фундаменту і місце розташування рівнодіючої реактивного тиску по конструкції підсилення, з урахуванням взаємного впливу завантажених площ. При цьому необхідне урахування вертикальної деформації конструкції підсилення Sk, що складається з компонент f1 та f2, що залежать відповідно від прогину консольної частини і повороту опорного перетину в результаті розтягнення анкерів і крену фундаменту (мал. 7).

Мал. 7. Розрахункова схема для визначення деформацій конструкції посилення.

Розрахунковий опір і несуча спроможність основи підсиленого фундаменту визначається відповідно до чинних нормативних документів як для фундаменту з умовною глибиною закладення, визначеною за формулою dусл = d + dp / , де dp - додаткова напруга в рівні підошви фундаменту по вертикалі, що проходить через центр активної зони конструкції підсилення, від тиску Ро,ср; - середня питома вага ґрунту вище підошви фундаменту.

У четвертому розділі виконано аналіз НДС і граничної несучої спроможності ґрунтового масиву, що взаємодіє з фундаментом і конструкцією підсилення.

Дослідження виконувалося шляхом рішення змішаної пружнопластичної задачі в умовах плоскої деформації методом кінцевих елементів. Фізичні рівняння прийняті в припущенні пружної роботи ґрунтового масиву аж до руйнування. Для опису процесу руйнування прийнята гіпотеза міцності Кулона-Мора

, (6)

де z , x , zx - компоненти тензора напруг.

Рішення задачі здійснюється кроковим методом, при цьому сумарні напруги в кінцевому елементі на кожному кроці записуються у вигляді:

; ; , (7)

де z0, x0, zx0 - початкові напруги на кожному кроці завантаження; zs, xs, zxs - збільшення напруг; k - коефіцієнт наближення до граничного стана.

За результатами пружного розрахунку для кінцевих елементів визначається мінімальний коефіцієнт наближення до граничного стана рішенням рівняння (6) при підстановці в нього рівнянь (7).

(8)

Якщо мінімальний коефіцієнт наближення до граничного стана менше або дорівнює одиниці, жорсткість (модуль деформації) відповідного кінцевого елемента знижується до значення, що дорівнює машинному нулю. Навантаження на даному кроці розрахунку коректуються шляхом помноження на коефіцієнт наближення до граничного стану і підсумовується з навантаженнями на попередніх кроках завантаження. Переміщення на кожному кроці завантаження визначаються з урахуванням скоригованого навантаження.

Параметри міцності матеріалу фундаменту: опір осьовому стиску Rb і опір осьовому розтягу Rbt, - інтерпретуються через фіктивні характеристики 1, с1 та 2, с2, прийняті для опису характеристик міцності зв'язних ґрунтів (мал. 8). Це дозволяє використовувати єдині умови міцності для всіх елементів розрахункової схеми, засновані на рівнянні Кулона-Мора.

Мал. 8. Діаграма міцності бетону.

Процес формування зон пластичних деформацій у ґрунтовому масиві просліджувався шляхом фіксації на кожному кроці завантаження кінцевих елементів, що досягли граничного стана.

У результаті проведених чисельних досліджень для стрічкового фундаменту з конструкцією підсилення і без неї були отримані залежності середніх вертикальних переміщень підошви фундаменту від навантаження (мал. 9), а також його повна несуча спроможність в обох випадках.

Мал. 9. Графіки залежності осідань фундаменту від навантаження

(пунктир - графіки, отримані розрахунковим шляхом за допомогою МКЕ)

Встановлено, що при взаємодії фундаменту з основою зародження зон пластичних деформацій починається під краями фундаменту і з ростом навантаження розвивається в сторони, нагору по бічній поверхні фундаменту аж до поверхні масиву й униз під підошву фундаменту до їхнього повного об'єднання і формування трикутного ущільненого ядра (мал. 10 а).

У випадку взаємодії з основою фундаменту, підсиленого запропонованою конструкцією, початок утворення зон пластичних деформацій цілком відповідає випадку без конструкції підсилення, аж до досягнення ними глибини 0,25b, що відповідає значенню розрахункового опору ґрунту основи. Подальше утворення зон пластичних деформацій відбувається під конструкцією підсилення. Після того, як зони зсувів із під конструкції підсилення одержують вихід на вільну поверхню, починається прямування зон зсувів всередину і під підошву фундаменту аж до їхнього повного об'єднання і формування трикутного ущільненого ядра (мал. 10 б).

Мал. 10. Фрагмент розрахункової схеми масиву з указівкою послідовності розвитку зони зсувів під підошвою стрічкового фундаменту в процесі його завантаження (число в трикутному кінцевому елементі показує номер кроку завантаження, при якому у ньому виникнули пластичні деформації):

а - без конструкції підсилення; б - із конструкцією підсилення.

У п`ятому розділі визначено область застосування запропонованої конструкції підсилення фундаментів безкаркасних будівель, розроблені і дані рекомендації з розрахунку і проектуванню конструкції підсилення у різних інженерно-геологічних умовах будівництва. Наведено результати апробації при захисті ряду об'єктів на просідаючих ґрунтах і підроблених територіях. Детально розглянутий розрахунок і проектування конструкції підсилення на прикладі будівлі дитячого садка в м. Краматорськ, що експлуатується на просідаючих ґрунтах першого типу. Прийнята конструкція підсилення дозволила зменшити середній тиск, що діє по підошві фундаменту на 55 %, при цьому деформації просідань основи знизилися більш ніж у чотири рази.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Запропоновані в дисертаційній роботі конструкції підсилення, що сполучені з відмощенням і реалізують принцип трансформації контактних тисків по підошві фундаменту, можуть застосовуватися за різноманітними функціональними призначеннями і з різним ступенем ефективності практично на усіх видах основи, що нерівномірно деформується за винятком ґрунтів, що набрякають. При цьому вони дозволяють у декілька разів знизити загальну нерівномірність деформування основи, підвищуючи при цьому несучу спроможність основи фундаменту до 40 %.

2. Експериментальна перевірка запропонованих у дисертації конструктивних заходів захисту підтвердила їхню працездатність. За результатами проведених випробувань виконана оцінка впливу даних конструктивних заходів на несучу спроможність і деформативність основи, а також встановлено, що для повного включення конструкції підсилення в роботу і збереження її безперервного контакту з основою відношення величини прогину конструкції підсилення до додаткового осідання основи повинно бути не більш 0.5.

3. Питоме зчеплення піщаного ґрунту, що визначалось безпосередньо в масиві ґрунту, може в декілька (2-4) разів перевищувати значення, визначене при випробуванні на зрушення, за рахунок уникнення похибки, обумовленої порушенням структурних зв'язків ущільненого ґрунту при відбиранні зразків.

4. Запропонована модель ґрунтової основи, що нелінійно деформується, дозволяє визначати кінцеві пружнопластичні осідання фундаменту аж до вичерпання несучої спроможності основи з урахуванням неоднорідності геологічної побудови ґрунтового масиву. Застосування даної моделі дає хорошу збіжність отриманих результатів із результатами експериментальних досліджень у діапазоні навантажень до 95 % від граничного.

5. Використання універсальної дрібно-лінійної гіперболічної функції дозволяє апроксимувати нелінійну залежність між напругами і деформаціями з урахуванням виду і стану ґрунту в основі фундаменту. Коефіцієнт ks, що залежить від виду і стану ґрунту, змінюється в діапазоні 0,004-0,02 (нижня межа відповідає щільному піску, верхня межа - слабкому глинястому ґрунту). При цьому результати, отримані при ks=0,01 та ks=0,02, практично збігаються з відомими рішеннями, для яких виконувалося зіставлення результатів.

6. Запропонована методика розрахунку системи “основа - фундамент - конструкція підсилення”, яка заснована на аналізі параметрів взаємодії її елементів, дозволяє врахувати вплив конструкції підсилення при вирішенні контактних задач і визначенні узагальнених зусиль як у конструкціях фундаментів, так і у будівлі в цілому.

7. Досліджена в дисертації кінцево-елементна модель системи “основа - фундамент - конструкція підсилення”, яка заснована на єдиному рівнянні міцності для матеріалів конструкцій і ґрунтів основи, дозволяє уніфікувати розрахункову схему спорудження на основі, що деформується, а також уникнути ітераційного процесу при визначенні збільшень напруг на кожному кроці рішення змішаної пружнопластичної задачі.

8. Отриманий у результаті чисельних досліджень процес виникнення і розвитку зон граничної рівноваги ґрунту, а також формування ущільненого трикутного ядра в основі непідсиленого фундаменту, у цілому відповідає результатам теоретичних та експериментальних досліджень, описаним у літературі. При цьому розбіжність між теоретичними і експериментальними значеннями знаходиться в межах: для критичних навантажень - 1 - 3%; для деформацій основи 20 - 22%. Це дозволяє вважати достатньо достовірними і результати, отримані для випадку підсиленого фундаменту, для якого немає аналітичних рішень.

9. За результатами чисельних досліджень НДС основи стрічкового фундаменту, підсиленого запропонованою конструкцією, установлено, що збільшення несучої спроможності основи фундаменту досягається за рахунок стримування конструкцією підсилення областей пластичних деформацій, що утворюються, і запобігання їхнього виходу на вільну поверхню. При цьому розбіжність між теоретичними і експериментальними значеннями знаходиться в межах – 4 - 13 %.

СПИСОК ДРУКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яркин В.В. Конструкция усиления фундаментов, совмещенная с отмосткой и ее модификации // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО "Лебедь". – 1999. - С. 69 - 71.

2. Яркин В.В. Экспериментальные исследования взаимодействия системы “основание – фундамент – конструкция усиления, совмещенная с отмосткой” // Будівельні конструкції. - Київ: НДІБК. – 2000. - С. 295 – 301.

3. Яркин В.В. Расчет деформаций основания при давлениях, превышающих предел линейной деформируемости // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО "Лебедь". – 2000. - С. 153 - 157.

4. Яркин В.В., Петраков А.А. Конструктивные методы защиты зданий на неравномерно сжимаемых грунтах г. Мариуполя // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. – Макеевка: ДГАСА. – 1997. вып. 97-3(7). – С. .

5. Яркин В.В., Петраков А.А. Модель для решения пространственной задачи теории упругости при исследовании взаимодействия конструкций с упругим основанием // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. – Макеевка: ДГАСА. – 1998. вып. 98-3(11). – С. .

АНОТАЦІЯ

Яркін В.В. Взаємодія стрічкових фундаментів з основою, що нерівномірно деформується. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2001.

Дисертація присвячена проблемі захисту безкаркасних будинків, що експлуатуються в умовах нерівномірних деформацій основи. У роботі розроблені конструкції підсилення фундаментів безкаркасних будинків, що сполучені з відмощенням і реалізують принцип трансформації контактних тисків, що діють по підошві фундаменту. Запропоновано методики: рішення контактної задачі для стрічкового фундаменту, що взаємодіє з основою, яка нерівномірно деформується, при виникненні в основі локальних зон зсувів; проектування конструкції підсилення стрічкового фундаменту; розрахунку фундаментів, підсилених запропонованою конструкцією. Виконано програмну реалізацію запропонованих методик.

Ключові слова: стрічковий фундамент, нерівномірні деформації основи, конструкція підсилення, контактна задача, напружено-деформований стан, змішана пружнопластична задача.

АННОТАЦИЯ

Яркин В.В. Взаимодействие ленточных фундаментов с неравномерно деформируемым основанием. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2001.

Диссертация посвящена проблеме защиты бескаркасных зданий, эксплуатирующихся в условиях неравномерно деформируемого основания. В работе разработаны конструкции усиления фундаментов бескаркасных зданий, совмещенные с отмосткой и реализующие принцип трансформации контактных давлений, действующих по подошве фундамента. Предложены методики: решения контактной задачи для ленточного фундамента, взаимодействующего с неравномерно деформируемым основанием, при возникновении в основании локальных зон сдвигов; проектирования конструкции усиления ленточного фундамента; расчета фундаментов, усиленных предложенной конструкцией. Выполнена программная реализация предложенных методик.

Первый раздел посвящен анализу состояния вопроса и уровня научных достижений в области обеспечения надежности фундаментов бескаркасных зданий, эксплуатируемых в условиях неравномерно деформируемого основания. Предложены разработки автора в области совершенствования конструктивных мер защиты бескаркасных зданий, эксплуатируемых на неравномерно деформируемом основании.

Второй раздел посвящен экспериментальным исследованиям параметров взаимодействия системы "основание – фундамент – конструкция усиления" при различных жесткостных характеристиках конструкции усиления. По результатам проведенных испытаний выполнена оценка влияния данных конструктивных мер на несущую способность и деформативность основания, а также получены схемы возможной потери устойчивости основания усиленного фундамента.

В третьем разделе представлены: методика решения контактной задачи в условиях неравномерно деформируемого основания с применением переменного коэффициента жесткости, определяемого с учетом нелинейных упругопластических деформаций неоднородного по глубине грунтового массива, а также инженерная методика расчета несущей способности и деформаций основания фундамента, усиленного конструкцией, совмещенной с отмосткой.

В четвертом разделе выполнен анализ напряженно-деформированного состояния и предельной несущей способности грунтового массива, взаимодействующего с фундаментом и конструкцией усиления, путем решения смешанной упругопластической задачи в условиях плоской деформации методом конечных элементов. Исследованная конечно-элементная модель системы “основание – фундамент – конструкция усиления”, основанная на едином уравнении прочности для материалов конструкций и грунтов основания, позволяет унифицировать расчетную схему сооружения на деформируемом основании, а также избежать итерационного процесса при определении приращений напряжений на каждом шаге решения смешанной упругопластической задачи.

В пятом разделе определена область применения предложенной конструкции усиления фундаментов бескаркасных зданий, разработаны и даны рекомендации по расчету и проектированию конструкции усиления в в различных инженерно-геологических условиях строительства. Приведены результаты апробации при защите ряда объектов на просадочных грунтах и подрабатываемых территориях.

Ключевые слова: ленточный фундамент, неравномерные деформации основания, конструкция усиления, контактная задача, напряженно-деформированное состояние, смешанная упругопластическая задача.

ABSTRACT

Yarkin V.V. Interaction of the tape foundations with the non-uniformly deformable basis. – Manuscript.

The thesis on the competition of a scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on a specialty 05.23.01 – Building structures, buildings and constructions. -Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeevka, 2001.

The thesis is dedicated to the problem of protection frameless buildings maintained in conditions non-uniformly of the deformable basis. In work the structures of strengthening of the foundations of frameless buildings combined with waterproofing plate and realizing a principle of transformation of contact pressure are developed. The techniques are offered: the decisions of a contact task for the tape foundations interaction with non-uniformly by the deformable basis, with occurrence in the basis of local zones of shifts; designing of a structures of strengthening of the tape foundations; calculate of the foundations strengthened by an offered structures. The program realization of the offered techniques is executed.

Key words: the tape foundation, non-uniform deformations of the basis, structure of strengthening, contact task, is intense-deformed condition, mixed elastic and plastic tasks.

Подписано к печати 19.10.01. Формат 6084 1/16.

Усл. печ. л. 1,15. Тираж 100 экз. Заказ 332.

ООО "НОРД Компьютер"

83055, Донецк, бульвар Пушкина, 23

(0622) 342-14-82