ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО – ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО – ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ
КОВАЛЬСЬКИЙ РУСЛАН КОРОЛЬОВИЧ
УДК 624.131.4 + 624.138.1
ЗМІЦНЕННЯ ҐРУНТОВИХ ОСНОВ БУДІВЕЛЬ ТА СПОРУД МЕТОДОМ АРМУВАННЯ
Спеціальність 05.23.02 – Підвалини та фундаменти
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
КИЇВ – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій (НДІБК) Держбуду України.
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Черний Гелій Іванович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, головний науковий співробітник.
Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор
Шаповал Володимир Григорович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, кафедра “Основи та фундаменти”;
- кандидат технічних наук, доцент
Моргун Алла Серафимівна, Вінницький національний технічний університет, кафедра “Промислове та цивільне будівництво”.
Провідна установа – Полтавський національний університет імені Юрія Кондратюка, кафедра “Видобування нафти і газу та геотехніки.”
Захист відбудеться 18 травня 2004 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, Київ – 37, вул. Івана Клименка, 5/2.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: Київ – 37, вул. Івана Клименка, 5/2.
Автореферат розіслано12.04.2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Слюсаренко Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Якщо раніше будівництво головним чином вели на землях з сприятливими ґрунтовими умовами, то протягом останнього часу розміщення нових будівель та споруд здійснюють переважно на несприятливих для будівництва територіях, в складних ґрунтових умовах. До таких територій відносять: підроблювані гірничими виробками площі, просідаючі ґрунти, ділянки, небезпечні щодо можливого розвитку суфозії та карсту, зсувів, а також насипні, органогенні, вічномерзлі ґрунти і т. д. Будівництво в таких умовах звичайно ведуть із застосуванням конструктивних захисних заходів, які збільшують міцність і жорсткість фундаментів і наземних конструкцій, та використанням пальових фундаментів. Альтернативою таких методів захисту будівель та споруд, які потребують великих затрат, є підсилення їх ґрунтових основ методом армування ґрунту горизонтальними гнучкими елементами, особливо в умовах пошарового створення штучних основ. Перевагами цього методу є економічність, простота, відсутність необхідності в спеціальній техніці та інше.
Але такі питання, що стосуються армованої горизонтальними елементами основи, як розрахунок при двох типах її руйнування – внаслідок розриву (без проковзування у ґрунті подушки) або проковзування арматурних елементів, робота армованої основи при динамічних впливах та дослідження коефіцієнта тертя арматури у вигляді суцільного матеріалу та сітки по ґрунту в залежності від фізико-механічних характеристик ґрунту подушки та арматури, досліджені ще недостатньо.
Зважаючи на вищесказане, а також враховуючи відсутність будь-яких діючих нормативних документів на території України, що стосуються армованого ґрунту, в основу дисертаційної роботи було покладено розробку методу розрахунку внутрішньої стійкості цього композитного матеріалу.
Зв’язок роботи з науковими програмами та темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з тематичним планом найважливіших науково-технічних робіт, що виконувалися інститутом у 2003 році, узгодженим Державним комітетом України з будівництва та архітектури. Тема “Методичні рекомендації по влаштуванню та розрахунку за другою групою граничних станів основ будівель та споруд при їх армуванні горизонтальними лінійними гнучкими елементами”, реєстраційний номер РК 0103U008524.
Метою дисертаційної роботи є розробка методу розрахунку армованої основи при її руйнуванні внаслідок розриву (без проковзування) або проковзування арматурних елементів у ґрунті подушки, а також розробка методу визначення коефіцієнта тертя арматурного елементу по ґрунту подушки.
Задачі дослідження:
-
розробити метод розрахунку за другою групою граничних станів армованої основи при розриві (без проковзування) та при проковзуванні арматурних елементів по ґрунту подушки, з використанням коефіцієнта тертя арматурного елементу по ґрунту подушки, як одного з головних розрахункових показників;
-
проаналізувати роботу армоґрунтової споруди при дії вібраційних навантажень та розробити метод наближеного їх врахування при розрахунку армоґрунтових споруд;
-
встановити вплив на величину коефіцієнта тертя арматурного елементу по піщаному ґрунту (далі КТАҐ) вологості та коефіцієнта неоднорідності матеріалу подушки, характеристики поверхні арматурного елементу, відстані між елементами сітки та їх ширини, на основі чого розробити методику для визначення КТАҐ;
-
удосконалити метод визначення коефіцієнта тертя арматурних елементів у вигляді сітки чи суцільного матеріалу по ґрунту подушки, з розробкою для цього вимірювального приладу;
-
обґрунтувати модель арматурного елементу у вигляді сітки, яка б дозволяла варіювати відстань між її робочими стрічками, ширину стрічок та характеристику їх поверхонь.
Об’єкт дослідження – основа будівель та споруд, яка армована горизонтальними лінійними гнучкими елементами.
Предмет дослідження – методи розрахунку армованої ґрунтової.
Методи дослідження – експериментальні лабораторні дослідження за допомогою розроблених методик та теоретичні дослідження, що базуються на теорії ймовірності і теорії пружності.
Автор захищає:
-
розроблений метод розрахунку армованої основи на теоретичній основі;
-
розроблений метод наближеного врахування вібраційних впливів, з використанням еквівалентного часу їх дії, при розрахунку армоґрунтової споруди;
-
узагальнені результати експериментальних досліджень залежності КТАҐ (для піщаного ґрунту) від вологості ґрунту, його гранулометричного складу, характеристики поверхні арматурного елементу, відстані між елементами сітки та їх ширини;
-
залежність інтегрального КТАҐ від диференціальних коефіцієнтів тертя: пісок по піску та пісок по суцільному арматурному елементові;
-
розроблені рекомендації щодо визначення величини КТАҐ та розрахунку армованої основи за другою групою граничних станів.
Наукова новизна одержаних результатів:
-
метод розрахунку армованої основи за другою групою граничних станів, що дозволяє визначати її осадку при руйнуванні внаслідок розриву (без проковзування) та за рахунок проковзування арматурних елементів, а також визначати величину їх проковзування у ґрунті подушки;
-
метод наближеного врахування вібраційних впливів, з використанням еквівалентного часу їх дії, при розрахунку армоґрунтової споруди;
-
узагальнені результати комплексного дослідження впливу основних факторів на коефіцієнт тертя арматурного елементу по піщаному ґрунту;
-
теоретична залежність, для арматурного елементу у вигляді сітки, інтегрального КТАҐ (пісок) від диференціальних КТАҐ: пісок по піску та пісок по суцільній арматурі;
-
рекомендації для визначення КТАҐ та для визначення осадки армованої основи при вертикальному навантаженні.
Достовірність наукових результатів та положень забезпечується:
-
використанням результатів теоретичних досліджень лише математично строгими методами механіки суцільного середовища;
-
співставленням отриманих теоретичних результатів з результатами, які отримані за методами інших авторів;
-
перевіркою збіжності теоретичних результатів з експериментальними даними власних випробувань та випробувань інших авторів.
Практичне значення одержаних результатів:
-
метод розрахунку дає можливість визначити осадку армованої основи в залежності від типу її руйнування (при руйнуванні внаслідок розриву або проковзування арматурних елементів у ґрунті подушки), а також величину проковзування арматурних елементів у ґрунті подушки, що є важливим при оцінці проектних рішень;
-
розроблений метод врахування вібраційних впливів дає можливість визначити додаткове навантаження на армоґрунтову споруду, яке виникає від вібрації за весь час експлуатації, що дає можливість запроектувати споруду такого виду;
-
розроблена методика досліджень КТАҐ дає можливість більш повно використати несучу спроможність армованої основи, за рахунок точнішого визначення КТАҐ;
-
теоретична залежність інтегрального КТАҐ для арматурного елементу у вигляді сітки від диференціальних КТАҐ дає можливість визначати його величину без проведення лабораторних досліджень.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на:
-
четвертій Українській науково-технічній конференції “Механіка ґрунтів та фундаментобудування” (Київ, 2000 р.);
-
науково-технічному семінарі “Армування ґрунтового масиву при будівництві, реконструкції, захисту будівель та споруд.” (Вінниця, 2001 р.);
-
науково-технічній конференції “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ.” (Київ, 2003 р.);
-
науково-технічному семінарі “Нелінійні методи розрахунку основ фундаментів і ґрунтових масивів” (Полтава, 2003).
В повному обсягу робота розглядалась на семінарі відділу.
Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 праць у фахових науково-технічних виданнях, з яких у 6 працях (№№ 2, 3 та 6-9 згідно списку), що повністю відповідають вимогам ВАК України, викладено її основні положення.
Структура та об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 120 найменувань та трьох додатків, викладених на 154 сторінках, у тому числі 115 сторінок основного тексту, 30 рисунків та 15 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі приведено обґрунтування актуальності, сформульовані мета та задачі дисертаційної роботи, а також наведені наукові положення, які виносяться на захист, та дані щодо апробації роботи.
У першому розділі аналізується стан питань, що пов’язані з фізико-механічними характеристиками складових армованої основи, з оптимальними параметрами при створенні армованої основи, з конструктивними особливостями, з методами розрахунку армованої основи та визначенням коефіцієнта тертя арматурного елементу по ґрунту подушки.
Значний внесок в теоретичне та експериментальне дослідження армованого ґрунту було зроблено зарубіжними та вітчизняними вченими, такими, як Аккол О.З., Бассет Р.Х., Бінквет Дж., Відаль А., Джевелл Р.А., Джоунс К.Д., Інгольд Т.С., Лі К.Л., Лін К.К., Лонг Н.Т., Муррей Р.Т., Фінлей Т.В., Чанг Дж., Янг Е., Шлоссер Ф., Алексеєв В.М., Антонов В.М., Балашова Ю.Б., Банніков С.Н., Бартоломей А.А., Биховцев В.Е., Бойко І.П., Друкований М.Ф., Зоценко М.Л., Казарновський В.Д., Ким А.Ф., Клевеко В.І., Коновалов П.О., Корчевський Б.Б., Моргун А.С., Никитенко М.І., Пономарьов А.Б., Рубан А.А., Рубан О.А., Степура І.В., Тімофеєва Л.М., Трофімчук О.М., Феофілов Ю.В., Цернант А.А., Черний Г.І., Черний В.Г., Шаповал В.Г., Шокарєв В.С., Янковський Л.В. та інші.
Найбільш економічним та найменш трудомістким за видом конструкції є лінійний горизонтальний гнучкий арматурний елемент. Його вартість відносно інших конструктивних видів (елементний просторовий, дискретний і т.д.) до двох разів менша, а також при його монтажі непотрібно спеціального обладнання.
Більшість розроблених методів розрахунку армованої основи, що базуються на різноманітних методах (метод граничної рівноваги, числові, емпіричні методи і т.д.) не дають можливості розрахувати її при проковзуванні арматурних елементів у ґрунті подушки, як одного з можливих типів руйнування армованої основи, та визначати величину їх проковзування у ґрунті подушки. А методи, що дають можливість розрахувати вище згадані характеристики, використовують моделі, які потребують додаткових параметрів, що не є стандартизованими, а тому точність їх визначення невисока, що впливає відповідно на точність отриманих результатів.
На сучасному етапі спостерігається тенденція до збільшення швидкості руху транспортних засобів, що у свою чергу веде до вищих вібраційних впливів на армоґрунтові конструкції, а методики їх врахування чітко не сформульовані.
Більшість досліджень коефіцієнта тертя арматурного елементу по ґрунту подушки були проведені без комплексного підходу до врахування фізико-механічних характеристик ґрунту та арматурного елементу. Майже не досліджено вплив на коефіцієнт тертя арматурного елементу у вигляді сітки, коефіцієнту внутрішнього тертя ґрунту подушки та коефіцієнту тертя матеріалу сітки по ґрунту.
Вирішення вищесказаних питань було покладено в основу дисертаційної роботи.
У другому розділі наведено розгляд особливостей роботи основи, армованої горизонтальними лінійними гнучкими елементами.
Спочатку розглянуто принципи роботи армованої основи в складних ґрунтових умовах, таких як підроблювані площі при прокладанні ліній метрополітену, просідаючі ґрунти, ділянки небезпечні щодо можливості зсувів, а також насипні, органогенні та вічномерзлі грунти. Характерною особливістю для всіх видів складних ґрунтових умов слід вважати зменшення їх деформативності до двох раз при використанні оптимальних параметрів армування. Показано, що армоґрунтові споруди варто використовувати при будівництві на слабких ґрунтах, для заміни масивних залізобетонних споруд та з метою забезпечення підвищеної надійності. Ефект в таких спорудах досягається за рахунок активного впливу арматурного прошарку на напружено-деформований стан споруди, створення сприятливих умов для роботи масиву чи окремих його частин, забезпечення оптимальних гідрогеологічних умов та сумісного використання трьох зазначених факторів.
При великих швидкостях руху експлуатація залізниць та автомобільних шляхів висуває зовсім інші вимоги до стійкості насипів і ґрунтових основ полотна, ніж при звичайних швидкостях. Згідно експериментальних даних, максимальний рівень напруг в імпульсах при зростанні швидкості від 100 до 300 км за годину збільшується у 6…9 разів. Очевидно, особливістю цих квазібезперервних вібродеформаційних процесів є те, що вони розвиваються значно повільніше безперервних процесів від еквівалентних статичних навантажень. Елементарні деформації в квазібезперервних процесах відбуваються при проходженні імпульсів, коли сума навантаження на ґрунт від статичної і динамічної складових перевищує границю пружності і несучої спроможності грунту. Це триває кілька мілісекунд, а розділяють їх секунди, при проходженні вагонів потягу, і години, до початку проходження іншого. Для шосейних доріг враховується останній чинник. Для врахування сумісної дії динамічних (в нашому випадку від вібрації) та статичних навантажень використано обґрунтований Григоряном С.С. ще у 60-х роках квазістатичний підхід до динамічних навантажень на ґрунт. Суть його полягає в тому, що динамічні навантаження зводяться до еквівалентних їм статичних з визначенням еквівалентного часу їхньої дії. Автором запропонована схема для його визначення, рис. 1.
Рисунок 1 – Схема для визначення величини еквівалентного часу.
Згідно схеми, див. рис 1, еквівалентний час дії вібраційних навантажень рівний
, (1)
де n – кількість транспортних засобів (потягів та автопотягів), що проходять через 1 погонний метр дороги за 1 год.; r – кількість вагонів в потязі чи причепів в автопотязі, шт.; к – кількість осей коліс у вагоні чи причепі, шт.; V – швидкість транспортного засобу, яку вважаємо постійною на короткій відстані, км/год.
Статичне навантаження, яке еквівалентне діючому динамічному навантаженню, буде дорівнювати:
, (2)
де Р – вага одного вагону чи причепа, кН; Ру – границя пружності ґрунту, кН; - коефіцієнт динамічності, який для цього типу навантаження приймається рівним 2…3; Т – термін експлуатації споруди в роках.
Після визначення еквівалентного статичного навантаження його сумують з статичним навантаженням та ведуть подальший розрахунок за двома групами граничних станів. При цьому слід враховувати, що коефіцієнт тертя арматурного елементу по ґрунту зменшується до 37 % в залежності від його шорсткості.
Найбільш розповсюдженим підходом для описання поведінки армованого ґрунту є підхід Ренкіна, тобто горизонтальні елементи армування вводяться в ґрунтовий масив з метою підвищити його опір зусиллям розтягу в горизонтальному напрямку. Вони можуть запобігти випору ґрунту, що проходить у формі зсуву та розтягу, але за рахунок перерозподілу вертикальних напружень на більшу площу, арматурні елементи також підвищують несучу спроможність основи та зменшують її осадку. В роботі Хамдана Фуада Ахмеда це явище пояснюється тим, що збільшення несучої здатності армованого ґрунту проходить за рахунок того, що круг Кулона – Мора пересувається вправо завдяки наявності сил тертя арматурних елементів з ґрунтом, і при цьому виходить з граничного стану, рис. 2а. Цей принцип роботи наведений для піщаних ґрунтів. За даними автора процес зміцнення йде наступним чином, рис. 2б.
Рисунок 2 - Робота армованого ґрунту за схемою Кулона – Мора: а) за Хамдан Фуад Ахмедом; б) за даними автора.
Лінеаризована огинаюча кругів Мора, координати точок якої відповідають граничному напруженому стану неармованого середовища, має кут нахилу до горизонту , відсікає на осі ординат відрізок, який дорівнює величині фіктивного опору середовища зрізу при нульовому стиску, що називається питомим зчепленням, а від від’ємної частини вісі абсцис – відрізок, що дорівнює величині фіктивного опору середовища всебічному розтягу Н. Оскільки опір армованого ґрунту розтягу (реальний, а не фіктивний) Нарм. значно перевищує цю величину, а кут тертя арм. відповідає куту внутрішнього тертя армованого ґрунту, має менший нахил до горизонту, пряма, що відповідає граничному стану армованого середовища, перетне круг Мора неармованого середовища і в області напружень стиску перейде в область пружного стану, тобто граничний напружений стан армогрунту в області значних напружень стиску досягається при менших дотичних напруженнях, ніж неармований, внаслідок чого різниця між векторами головних нормальних напружень зменшується при менших величинах більшого з них.
У третьому розділі представлено методи загального та детального розрахунку армованої основи.
Як відомо, основною проблемою існуючих методів розрахунку армованих основ є обмеження їх використання при їх руйнуванні через проковзування арматурних елементів. Для вирішення цієї задачі було використано статистичний підхід Покровського Г.І.
Для описання поведінки армованої основи було введено наступні події:
1р - збільшення опору ґрунту за рахунок збільшення його щільності, тому приріст опору пропорційний ущільнюючому тискові р та величині деформації , А1 – коефіцієнт пропорційності
, (3)
2р – зменшення опору ґрунту в результаті відносного зсуву частинок, якщо міцність ґрунту на одновісне стиснення позначити через q, то падіння опору необхідно прийняти пропорційним різниці між q та прикладеним тиском р, так і деформації (поперечне розширення) ( - коефіцієнт Пуассона), А2 – постійна, що включає в себе , тобто А2=А1
, (4)
3р - підвищення опору армованого ґрунту внаслідок включення в роботу горизонтальних арматурних елементів, тому приріст опору прямо пропорційний прикладеному навантаженню р, коефіцієнту тертя арматурних елементів по ґрунту , величині зворотній поперечному розширенню та коефіцієнту , що залежить від коефіцієнту тертя арматурного елементу по ґрунту та кількості шарів арматурних елементів
, (5)
4р - зменшення опору армованого ґрунту внаслідок розриву арматурних елементів, тому, позначивши опір арматури на розтяг через qa, падіння опору армованого ґрунту прямо пропорційно різниці qa та р, так і поперечній деформації
. (6)
Події (3),(4),(5),(6) йдуть одночасно або послідовно і незалежно одна від одної. Можливі комбінації рівно можливих подій: 1 - зміцнення за рахунок ущільнення 1р та послаблення за рахунок поперечного розширення 2р (за Покровським Г.І.); 2 - зміцнення за рахунок ущільнення 1р та за рахунок армування 3р; 3 - зміцнення за рахунок армування 3р та послаблення за рахунок поперечного розширення 2р; 4 - зміцнення за рахунок армування 3р та послаблення за рахунок розриву арматурних елементів 4р; 5 - послаблення за рахунок розриву арматурних елементів 4р та поперечного розширення 2р.
Настання тої чи іншої події залежить від характеру руйнування армованої основи: а) руйнування внаслідок розриву арматури; б) руйнування внаслідок втрати зчеплення між арматурою та ґрунтом (адгезійне руйнування).
При руйнуванні першого типу (а) можлива поява комбінацій подій 1, 2, 4 та 5, при другому типі (б) – можлива поява комбінацій подій 1,2,3.
Залежність навантаження від деформації для руйнування типу (а)
. (7)
Після нескладних математичних перетворень переходимо до диференціального рівняння інтегрування якого дає рівняння в неявній формі для визначення величини осадки армованої основи при розриві арматурних елементів
де - дискримінант квадратного рівняння; - коефіцієнт; - коефіцієнт; - коефіцієнт; - коефіцієнт; q0 – внутрішні сили взаємодії (сили зчеплення та тяжіння), що притискують частинки одну до одної. Інші позначення див. вище.
Залежність навантаження, яке сприймає армований ґрунт, від відносної деформації для руйнування типу (б) буде
де m=с2/с1 – коефіцієнт; В=Ас1 – коефіцієнт; - коефіцієнт; - коефіцієнт. Інші позначення див. вище.
Формули (8) та (9) дають можливість розраховувати осадку армованої основи при двох типах її руйнування. До переваг методу належить нелінійний зв’язок між навантаженням та відносною осадкою, але для розрахунку арматурних елементів цього методу недостатньо, тому було вирішено розробити метод, який базується на дискретній моделі.
Цей метод базується на диференціальному підході: арматурні елементи моделюються пружною ниткою з початковим нульовим прогином, а ґрунт – лінійно-деформованим тілом, при цьому для визначення сумісної осадки ґрунту та арматурних елементів використано наступні методи: для ґрунту - метод еквівалентного шару з поправочним коефіцієнтом, а для арматурних елементів – рівняння визначення довжини дуги сумісно із законом Гука.
Згідно експериментальних даних, які отримані іншими авторами, розрив арматурних елементів відбувається поблизу торців фундаменту, а з глибиною відстань від торців збільшується. Цей встановлений натурними спостереженнями факт та факт перерозподілу напружень між арматурними елементами дають підставу, використовуючи відомі положення статики сипучого середовища, обґрунтувати такі умови роботи арматурних елементів у ґрунті подушки:
-
перший арматурний елемент, який горизонтально розташований на глибині h1 нижче підошви фундаменту (рис. 3), розривається в точках перетину його з прямою, що виходить з кута фундаменту і відхилена від вертикалі на кут
(де - кут внутрішнього тертя ґрунту засипки);
-
навантаження, що передається на арматурний елемент, який розміщений нижче, від арматурного елементу, який розміщений вище, визначається як від умовного фундаменту шириною li-1. При цьому потенційні точки розриву знаходяться в місцях перетину прямої, що виходить з кутової точки умовного фундаменту та відхилена від вертикалі на кут
(див. рис. 3) ( - кут, який враховує перерозподіл навантаження між арматурними елементами, в середньому рівний 3).
Рисунок 3 – Схема для визначення потенційних точок розриву
Геометричні характеристики армованого ґрунту знаходимо за формулами
, (10)
, (11)
, (12)
, (13)
, (14)
, (15)
, (16)
, (17)
де - кут внутрішнього тертя ґрунту засипки; b – ширина фундаменту, м; hi – вертикальний крок і-того шару арматурного елементу, м.
Розрахунок армованої основи за другою групою граничних станів забезпечений при виконанні наступних умов
ргр+zg R, (18)
zp,гр+zg,1 Rz, (19)
sа su, (20)
де ргр – навантаження, що сприйме на себе ґрунт подушки та слабкий ґрунт, кПа; zg – вертикальна напруга від власної ваги ґрунту, що діє на глибині залягання покрівлі подушки, кПа; R – розрахунковий опір ґрунту подушки, кПа, визначається згідно СНиП 2.02.01-83; zp,гр - вертикальна напруга, яка діє на глибині залягання підошви подушки, від навантаження ргр, кПа (визначається згідно СНиП 2.02.01-83); zg,1 – вертикальна напруга від власної ваги ґрунту, що діє на глибині залягання покрівлі слабкого ґрунту (тобто в рівні підошви подушки), кПа; Rz – розрахунковий опір слабкого ґрунту, кПа, на глибині рівній глибині закладання підошви подушки, який розраховується згідно СНиП 2.02.01-83.
Якщо арматурний елемент не проковзує у ґрунті подушки, то осадку армованої основи знаходимо за рівнянням
ра,рі+ ргр - р= 0, (21)
де р – тиск за другою групою граничних станів, що діє по підошві фундаменту, кПа;
ра,рі – навантаження, що сприйняли на себе арматурні елементи, кПа;
, (22)
де - коефіцієнт концентрації арматурних елементів в горизонтальній площині; Еа – модуль пружності арматурного елементу, кПа; ta – товщина арматурного елементу, м; к – кількість шарів арматурних елементів; і – номер арматурного елементу, якщо рахувати від підошви фундаменту; L0,i, Li, li – геометричні характеристики армованого ґрунту;
(23)
де - коефіцієнт стискання ґрунту, м2/кН; - коефіцієнт, що характеризує бокове розширення ґрунту; - середньозважений коефіцієнт відносної поперечної деформації для ґрунтів на глибину hэ від підошви фундаменту; - потужність еквівалентного шару ґрунту, м; - коефіцієнт еквівалентного шару для всієї завантаженої площі; b – ширина фундаменту, м; Егр – середньозважений модуль загальної деформації ґрунтів на глибину hэ від підошви фундаменту, кПа; к’ – поправочний коефіцієнт, який визначається з умови рівності осадки, яка обчислена за методом еквівалентного шару, осадці, яка обчислена за методом пошарового підсумовування.
Арматурні елементи не проковзнуть та не розірвуться у ґрунті подушки, якщо виконуються умови
1,1 (24)
(25)
де - сила, що висмикує і-тий арматурний елемент, кН/м
(26)
де ра,рі – навантаження, що сприйняв на себе і-тий арматурний елемент, кПа; Еа – модуль пружності арматурного елементу, кПа; ta – товщина арматурного елементу, м; L0,i,, li – геометричні характеристики армованого ґрунту;
Rs – розрахунковий опір арматурного елементу на розтяг, кН/м;
- сила, що утримує і-тий арматурний елемент, кН/м
(27)
де - коефіцієнт тертя арматурного елементу по ґрунту подушки; р – тиск за другою групою граничних станів, що діє по підошві фундаменту, кПа; l1,i, l3,i – геометричні характеристики армованого ґрунту; zі – глибина закладення і-того шару арматурного елементу від поверхні планування, м; - середньозважене значення питомої ваги ґрунтів до глибини zі, кН/м3.
Якщо умови (18)…(20), (24), (25) виконуються, то осадка армованої основи рівна осадці, яка розрахована за формулою (21).
У випадку коли умова (24) не виконується, арматурний елемент проковзує у ґрунті подушки, в такому випадку осадка визначається за формулою (21) (при виконанні умов (18)…(20), (25)) без врахування шарів, що проковзнули, від навантаження p’
р’=р-ра,аі , (28)
де r – кількість арматурних елементів, що проковзнули;
ра,аі – навантаження, що сприймає на себе і-тий елемент, що проковзнув, кПа
, (29)
де - коефіцієнт тертя арматурного елементу по ґрунту подушки; р – тиск за другою групою граничних станів, що діє по підошві фундаменту, кПа; li, l1,i, l3,i, L0,i, – геометричні характеристики армованого ґрунту; zі – глибина закладення і-того шару арматурного елементу від поверхні планування, м; - середньозважене значення питомої ваги ґрунтів на глибину zі, кН/м3; Еа – модуль пружності арматурного елементу, кПа; ta – товщина арматурного елементу, м.
Якщо всі арматурні елементи проковзнули, то осадка армованої основи визначається при виконанні умов (18)…(20), (25)
, (30)
де р – тиск за другою групою граничних станів, що діє по підошві фундаменту, кПа; ра,аі – навантаження, що сприймає на себе і-тий елемент, що проковзнув, кПа; - потужність еквівалентного шару ґрунту, м; - коефіцієнт стисливості ґрунту, м2/кН.
Величина проковзування арматурного елементу
(31)
де li, l1,i, L0,i,Li – геометричні характеристики армованого ґрунту; sа – осадка армованої основи при руйнуванні від проковзування арматурних елементів; sа’ – осадка армованої основи при руйнуванні від розриву (не проковзування) арматурних елементів.
Результати, які отримані за цим методом розрахунку, були порівняні з результатами польових випробувань польського вченого Єжи Сенковського, що показало максимальне розходження теоретичних результатів від експериментальних 28 % у більшу сторону, що йде у запас міцності.
В четвертому розділі наведено дослідження КТАҐ, як важливої характеристики при розрахунку армованої основи.
В залежності від конструкції арматурного елементу необхідно розділяти КТАҐ на диференціальний (для суцільного полотна, стрічки і т.д.), тому що ковзання відбувається по одній поверхні, та інтегральний (для сітки), так як ковзання йде по двом поверхням – по поверхні арматурного елементу та ґрунту.
Дослідження КТАҐ виконувалось на розробленому автором приладі “Похилий столик”, принцип дії якого базується на загальновідомому фізичному законі ковзання тіла по похилій площині.
Величина КТАҐ пропорційна питомій вазі ґрунту, тому питома вага сухого ґрунту приймалася постійною у всіх дослідах і складала d =17 кН/м3.
Досліджувався вплив на величину КТАҐ наступних факторів: коефіцієнту неоднорідності середньозернистого піску Сu (варіювання – 1.7, 2.7, 4); характеристики поверхні арматурного елементу (варіювання – гладка та шорстка); вагової вологості піску (варіювання – 1.5, 6, 12, 15); ширини стрічки сітки bp (варіювання – 4 та 8); відстані між стрічками сітки d (варіювання при bp= 8 – 8, 16, 24; при bp= 4 – 4, 12, 20).
В якості арматурних елементів використовували сітки вітчизняного виробництва (СНАП 2000) та закордонного виробництва (ROMEX Secugrid 60/60 Q6 та Secugrid 200/60 R6), а для можливості варіювання таких параметрів, як ширина стрічки сітки, відстань між стрічками сітки та характеристика поверхні сітки, була розроблена сітка, матеріалом якої слугував алюміній.
В результаті проведених досліджень було встановлено, що максимальна вологість піску, при якій можливо використовувати прилад “похилий столик”, дорівнює 15 %, що відповідає коефіцієнту водонасичення піску 0,68; диференціальний коефіцієнт тертя для піску (аналог коефіцієнта внутрішнього тертя) при зміні вологості змінюється несуттєво; для диференціального коефіцієнта тертя арматурного елементу з шорсткою поверхнею по ґрунту характерна наступна тенденція зміни його кількісної величини – при переході піску з одного водонасиченого стану, за коефіцієнтом водонасичення, в другий викликає відчутне його падіння, але в межах одного стану ці зміни незначні. При гладкій поверхні арматурного елементу диференціальний коефіцієнт тертя суттєво змінюється лише при початковому зволоженні, в подальшому він має майже постійну величину.
Інтегральний коефіцієнт тертя для арматурного елементу (в даному випадку для розробленої моделі сітки з алюмінію) з будь-якою поверхнею змінюється від диференціального коефіцієнта тертя арматурного елементу (якщо він менший за диференціальний коефіцієнт тертя піску) до диференціального коефіцієнта тертя піску (Сu=2,7), рис 4. Ця тенденція спостерігалася при всіх вологостях для пісків з коефіцієнтом неоднорідності 1.7, 2.7, 4.4 відповідно.
Рисунок 4 – Залежність інтегрального коефіцієнта тертя від відстані між елементами сітки при гладкій поверхні арматурного елементу: а) при =1,5%; б) при =6 %; в) при =12 %; г) при =15 %; д) коефіцієнт тертя для піску при =12 %; е) коефіцієнт тертя для піску при =1,5 %.
Було помічено, що при зменшенні чи збільшенні коефіцієнта неоднорідності ґрунту, відповідно зменшуються та збільшуються коефіцієнти тертя, але при більш високих їх значеннях (Сu>4) та при відношенні відстані між стрічками сітки до діаметру частинок, менше яких в ґрунті міститься 60%, більше 30 та співвідношенні між стрічками сітки до ширини стрічки більше 2, інтегральний коефіцієнт тертя приймає постійну величину, яка становить порядку 98% від диференціального коефіцієнта тертя піску, тому в такому випадку можна приймати інтегральний КТАҐ рівним коефіцієнту тертя піску.
На основі аналізу отриманих даних по визначенню інтегрального КТАҐ була знайдена його теоретична залежність від диференціальних КТАҐ (пісок-пісок та пісок-арматурний елемент), яка має наступний вигляд
де - диференціальний коефіцієнт тертя по поверхні “арматурний елемент-ґрунт”; tan ’ - інтегральний коефіцієнт тертя сітки по ґрунту; ’ - кут внутрішнього тертя ґрунту, визначений на приладі “похилий столик”; tg’ – диференціальний коефіцієнт тертя ґрунту; l – величина контакту, яка дорівнює довжині обойми, яку розміщують на рухомому столику приладу; l1, n1 – відповідно величина та кількість контактів ґрунту в обоймі з елементами сітки, які відповідно рівні ширині та кількості стрічок сітки, що попадають в пляму обойми; l2, n2 – відповідно величина та кількість контактів ґрунту в обоймі з ґрунтом, що розміщений між стрічками сітки.
Порівняння результатів отриманих за формулою (32) з експериментальними даними показало максимальну розбіжність 16 % у більшу сторону, що йде у запас міцності армованої основи. Адекватність отриманої теоретичної залежності даним дослідження забезпечується згідно критерію Пірсона.
У п’ятому розділі приведено методичні рекомендації, що стосуються влаштування та розрахунку армованої основи, які покладено в основу “Методичних рекомендацій по влаштуванню та розрахунку за ll групою граничних станів основ будівель та споруд при їх армуванні горизонтальними лінійними гнучкими елементами.”
ВИСНОВКИ
1.
У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці методу розрахунку осадки армованої основи, з врахуванням двох типів її внутрішнього руйнування, та методики визначення коефіцієнта тертя арматурного елементу по ґрунту, шляхом використання теоретичних та експериментальних досліджень, що дасть можливість проектувальникам більш широко використовувати метод армування горизонтальними елементами для зміцнення основ.
2.
Метод армування основ горизонтальними гнучкими лінійними елементами при використанні оптимальних параметрів показує свою ефективність (зменшується деформативність основи) у складних ґрунтових умовах зі зменшенням величини осадок до 50 %.
3.
Розроблений на основі квазістатичного підходу метод врахування вібраційних навантажень, що діють на дорожні та залізничні армовані насипи, дає можливість розраховувати ці конструкції при такому видові впливу, при цьому враховується важлива характеристика, як еквівалентний час дії.
4.
Вдосконалена модель армованого ґрунту, що базується на теорії Ренкіна, описує, крім піщаних ґрунтів, армовані глинисті ґрунти, що значно розширює межі її застосування.
5.
Метод розрахунку осадки армованої основи, що базується на статистичному підході Покровського Г.І., можна використовувати для загальної її оцінки, як при розриві арматурних елементів, так і при їх проковзуванні.
6.
Метод розрахунку осадки армованої основи при дискретному підході використовується для детального розрахунку армованої основи, тобто при розриві арматурних елементів, при їх проковзуванні, для визначення величини проковзування арматурних елементів, їх розмірів та міцності; порівняння з результатами польових експериментів результатів розрахунку за цим методом показало максимальну розбіжність 28% у більшу сторону, що йде у запас міцності.
7.
Розроблений прилад “похилий столик” можна використовувати для швидкого визначення коефіцієнта тертя арматурного елементу по ґрунту засипки, як для арматури з суцільною поверхнею, так і для сітки.
8.
Результати досліджень коефіцієнта тертя арматурного елементу по ґрунту дозволили виділити два види КТАҐ в залежності від поверхні арматурного елементу – диференціальний (для суцільної поверхні арматурних елементів), коли ковзання проходить по одній поверхні, та інтегральний (для арматурних елементів у вигляді сітки), коли ковзання проходить по двох поверхнях.
9.
Одержана теоретичним шляхом залежність інтегрального коефіцієнта тертя арматурного елементу по ґрунту від диференціального позбавляє від обов’язкового проведення складних та трудомістких дослідів по визначенню інтегрального КТАҐ.
10.
Досліджені основні закономірності зміни КТАҐ для незв’язних ґрунтів в залежності від гранулометричного складу та вологості ґрунту, від характеристик поверхні та геометрії арматурних елементів дають можливість підібрати найефективніший арматурний елемент для кожних конкретних умов.
11.
Розроблені методичні рекомендації покладені в основу “ Методичних рекомендацій по розрахунку за ll групою граничних станів основ армованих горизонтальними лінійними гнучкими елементами”, що дасть змогу широко використовувати метод армування для зміцнення основ будівель та споруд.
Основні положення і результати дисертації опубліковані в таких роботах:
1.
Друкований М.Ф., Дудар І.Н., Корчевський Б.Б., Ковальський Р.К. Фактори, що впливають на ефективність армування ґрунту // Вісник ВПІ. – 2001. - №5. – с. 22 – 27. (автору належить аналіз літературних джерел).
2.
Ковальський Р.К. Підсилення основ методом армування в умовах реконструкції // Будівельні конструкції № 54. – К.: НДІБК. – 2001. - с. 319 – 325.
3.
Ковальський Р.К. Розрахунок армованого ґрунту на основі ймовірного методу // Будівельні конструкції № 55. – К.: НДІБК. – 2001. - с. 55 – 62.
4.
Черний Г.І., Ковальський Р.К. Принципи застосування методу армування ґрунтів в складних ґрунтових умовах // Будівельні конструкції № 55. – К.: НДІБК. – 2001. - с. 154 – 158. (автору належить збір та узагальнення інформації)
5.
Черний Г.І., Ковальський Р.К., Шаповал А.В. Особливості визначення напружено-деформаційного стану армованих ґрунтових основ з використанням методу кінцевих елементів // Будівельні конструкції № 55. – К.: НДІБК. – 2001. - с. 154 – 158. (автору належить обґрунтування теоретичної основи для розрахунку армованої основи МКЕ).
6.
Ковальський Р.К. До питання визначення коефіцієнта тертя ґрунту по поверхні елементу армування // Будівельні конструкції № 57. – К.: НДІБК. – 2002. - с. 87 – 91.
7.
Черний Г.І., Ковальський Р.К. Розрахунок внутрішньої стійкості основ армованих горизонтальними гнучкими елементами // Современные проблемы строительства. Ежегодный научно-технический сборник. –Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО “Лебедь”, 2002. – ТОМ l. - С. 131-136. (автору належить отримання розрахункових формул)
8.
Ковальський Р.К. Визначення коефіцієнта тертя арматури по ґрунту на приладі “похилий столик” // Будівельні конструкції № 58. – К.: НДІБК. – 2003. - с. 141 – 147.
9.
Черний Г.І., Ковальський Р.К. Врахування динамічних навантажень при розрахунку армованих насипів автомобільних та залізничних доріг // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). – Полтавський національний технічний університет імені Ю. Кондратюка. – 2003. – с. 231-234. (автору належить отримання розрахункових формул)
АННОТАЦИЯ
Ковальский Р.К. “Усиление грунтовых оснований зданий и сооружений методом армирования горизонтальными линейными гибкими элементами” – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 – “Основания и фундаменты”. Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций, Киев, 2004г.
Диссертация посвящена вопросам, связанным с расчетом основания, армированного горизонтальными линейными гибкими элементами, по второй группе предельных состояний. Этот способ усиления основания проявляет свою эффективность почти во всех сложных грунтовых условиях, при этом осадка уменьшается до двух раз при условии оптимального армирования.
Разработан метод приближенного учета вибрации при увеличении скорости движения железнодорожного и автомобильного транспорта, при расчете армированных насыпей. Метод разработан на основе квазистатического подхода, при этом динамические нагрузки заменяются эквивалентными статическими с учетом времени действия первых.
Усовершенствована модель армированного основания, которая базируется на теории Ренкина. С помощью этой модели возможно рассматривать напряженно-деформированное состояние глинистых грунтов.
Разработан метод расчета армированного основания на основе статистического метода. С помощью этого метода возможно рассчитать армированное основание при разрыве и проскальзывании арматурных элементов.
Метод расчета армированных оснований, который базируется на дискретной модели, при котором арматурный элемент моделируется упругой ниткой с нулевым прогибом, а грунт – упругой средой, дает возможность рассчитать армированное основание при разрыве и проскальзывании арматурных элементов, а также величину проскальзывания арматурных элементов. Этот метод имеет более широкою область применения и был использован при составлении методических рекомендаций.
Проведено комплексное исследование такой важной характеристики, как коэффициент трения арматурного элемента по грунту в зависимости от физико-механических характеристик, как грунта так и арматурного элемента. Получена теоретическая зависимость интегрального коэффициента трения арматуры по грунту (для сетки) от дифференциальных – “песок по песку” и “песок по арматурному элементу”. Эти исследования были также использованы при составлении методических рекомендаций.
Разработаны “Методические рекомендации по расчету по второй группе предельных состояний оснований
