БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ГОЛОВ ОЛЕГ ОЛЕКСАНДРОВИЧ |

УДК 624.131.526 : 624.15

ДЕФОРМАЦІЇ ОСНОВ ФУНДАМЕНТІВ БУДІВЕЛЬ
В УМОВАХ ЩІЛЬНОЇ МІСЬКОЇ ЗАБУДОВИ

Спеціальність 05.23.02 – Підвалини та фундаменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Полтавському національному технічному університеті
імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Зоценко Микола Леонідович,

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри видобування нафти і газу та геотехніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шаповал Володимир Григорович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри основ і фундаментів

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Шокарєв Віктор Семенович, Запорізьке відділення Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій, директор

Провідна установа:

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

Захист відбудеться ”31” березня 2005 р., о 1300, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .085.01 при Придніпровській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва і архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-А.

Автореферат розісланий “15” лютого 2005 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К.В. Баташева

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку будівельної галузі України існує тенденція до збільшення обсягів робіт із будівництва та реконструкції в умовах щільної міської забудови, до освоєння територій із складними інженерно-геологічними умовами, до зниження рівнів підвалів існуючих будівель та освоєння підземного простору до позначок 10-15 м і більше, до зростання потужності будівельної техніки й навантажень на основи споруд та будівель.

При цьому в багатьох випадках існуючі будівлі зазнають значних ушкоджень (тріщини і розломи в стінах та фундаментах, зсуви плит перекрить, перекоси конструкцій тощо), спричинених нерівномірними осіданнями, які починають розвиватися з будівельних робіт нульового циклу і тривають на етапі експлуатації. В цих умовах особливо актуальною стає задача визначення напружено-деформованого стану (НДС) ґрунтових основ як нових, так і існуючих поряд із зоною забудови будівель. Про це свідчить суттєве зростання кількості наукових робіт, присвячених даній темі за останні 10 років.

Поява ушкоджень існуючих будівель в умовах щільної забудови обумовлена недостатньою достовірністю розрахунків НДС проектувальниками внаслідок відсутності в нормативних документах чітких указівок для оцінювання і обмеження додаткових, в першу чергу нерівномірних, осідань основ їх фундаментів.

Як відомо, НДС ґрунтів основ будівель і споруд істотно залежить не тільки від фізико-механічних характеристик ґрунтів, гідрогеологічних умов будівельного майданчика, типу навантажень та конструктивних рішень фундаментів, але й від технології і послідовності виконання будівельних робіт, відстані між будівлями, типу захисних споруд і т.д. Аналіз НДС основ будівель і споруд при цьому може бути виконаний лише із залученням програм, у яких реалізовані моделі нелінійної механіки ґрунтів і які дозволяють урахувати всі вищеназвані фактори на всіх етапах будівництва та експлуатації. Отже, актуальною задачею є розроблення й упровадження у практику проектування методики оцінювання НДС із застосуванням математичного моделювання основ в умовах щільної міської забудови.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана дисертаційна робота являє собою частину загальної наукової програми досліджень на тему “Аналіз напружено-деформованого стану ґрунтових основ будівель і споруд в умовах щільної міської забудови” кафедри геотехніки Полтавського національного технічного университету імені Юрія Кондратюка.

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є розроблення методики розрахунку НДС основ, яка забезпечує зменшення ушкоджень і збереження існуючих будівель та споруд при будівництві й реконструкції в умовах щільної міської забудови.

Для досягнення цієї мети в роботі розв‘язувалися наступні задачі:–

програмна реалізація ідеально пружно-пластичної моделі ґрунту для визначення НДС основ будівель і споруд;–

обґрунтування можливості застосування вибраної ідеально пружно-пластичної моделі ґрунту для розрахунку основ будівель і споруд в умовах щільної міської забудови;–

експериментальні дослідження осідань нових та існуючих будівель в умовах щільної міської забудови;–

аналіз НДС основ нових та існуючих будівель і зіставлення отриманих результатів із даними експериментальних досліджень;–

вивчення впливу різних факторів на осідання існуючих будівель, зокрема конструктивних рішень фундаментів, параметрів захисних стін.

Об‘єктом досліджень є основи і фундаменти існуючих будівель в умовах щільної міської забудови.

Предмет досліджень – НДС основ фундаментів існуючих будівель, у першу чергу додаткові осідання, спричинені новим будівництвом.

Методи досліджень –теоретичні дослідження НДС основ будівель і споруд, що базуються на апараті теорії пружності й теорії пластичної текучості у поєднанні з методом скінченних елементів (МСЕ), та експериментальні дослідження осідань нових й існуючих будівель в умовах щільної міської забудови.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у тому, що:–

вперше обґрунтовано застосування перевіреної на практиці пружно-пластичної моделі ґрунту, запропонованої Д.М. Шапіро, для аналізу НДС основ фундаментів будівель в умовах щільної міської забудови;–

розрахунковими дослідженнями показана ефективність застосування конструктивних рішень основ в умовах щільної міської забудови – влаштування консолей, захисних пальових і шпунтових стін, пальових фундаментів, лідирування паль підсилення й захисних стін, запропоновано нову методику вибору їх параметрів;–

знайшла подальший розвиток перевірка достовірності результатів моделювання основ будівель і споруд в умовах щільної міської забудови експериментальними дослідженнями їх додаткових осідань.

Практичне значення. Доведено ефективність використання застосованої пружно-пластичної моделі на базі МСЕ і методу початкових напружень (МПН) для розв‘язання задач визначення НДС ґрунтових основ в умовах щільної забудови. Розроблена інженерна методика проектування нових будівель поряд з існуючими. Вона забезпечує задовільну відповідність експериментальних та теоретичних результатів і може бути використана для оцінювання впливу нового будівництва на існуючу забудову.

Упровадження результатів даної роботи було здійснено при розрахунках основ торговельного комплексу ЦУМ у м. Полтава, Полтавського облуправління НБУ, Полтавської філії національної юридичної академії імені Ярослава Мудрого. Запропонована методика була запроваджена у практику проектування Полтавським державним проектним інститутом “Міськбудпроект”.

Особистий внесок здобувача. У ході експериментально-теоретичних досліджень основ будівель в умовах щільної забудови особисто здобувачем:–

програмно реалізовано алгоритми для розв‘язання змішаної задачі теорії пружності на базі рівнянь теорії пружності для плоскої деформації, теорії пластичної текучості у поєднанні з методами скінченних елементів та початкових напружень для розрахунку НДС основ;–

виконано натурні спостереження за осіданнями фундаментів нових й існуючих будівель;–

виконано розрахункові дослідження НДС основ будівель і споруд низки об‘єктів із залученням пружно-пластичної моделі ґрунту й зіставлення розрахункових та експериментальних осідань;–

запропоновано низку рекомендацій для проектування основ фундаментів в умовах щільної міської забудови.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічній конференції творчої молоді “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ” у НДІБК (м. Київ, 2003 р.), на міжнародному науково-технічному семінарі “Нелінійні моделі в механіці ґрунтів” у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка (м. Полтава, 20-23 серпня 2003 р.), на Міжнародній конференції “Перспективи розвитку сільського будівництва й архітектури на сучасному етапі” в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка (м. Полтава, 5-7 листопада 2003 р), на щорічних наукових конференціях професорів, викладачів, наукових працівників, аспірантів та студентів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (м. Полтава, 2003 р. та 2004 р).

Публікації. Основні результати й зміст дисертаційної роботи були викладені у 8 публікаціях у фахових збірниках наукових праць.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, п‘яти розділів, висновків, списку літературних джерел, додатків. Вона викладена на 183 стор., з яких 149 стор. тексту, 57 рисунків (3 стор.), 19 таблиць (0 стор.), 135 позицій літературних джерел (13 стор.), 5 додатків (18 стор.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, викладені мета і задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі розглянуто: негативні явища, які мають місце при будівництві й реконструкції в умовах щільної забудови, а також фактори, що впливають на їх інтенсивність; конструктивні рішення фундаментів і захисних споруд, які визначають вибір розрахункових схем основ нових та існуючих будівель; технологію та послідовність виконання будівельних робіт, яка визначає етапи навантаження розрахункових областей і їх вплив на НДС основ; сучасний стан методики розрахунків основ існуючих будівель та споруд в умовах щільної забудови, а також недоліки нормативної бази для проектування основ при будівництві й реконструкції в умовах щільної міської забудови.

Проаналізовано основні напрями розвитку методів оцінювання НДС основ в умовах міської щільної забудови, викладені в роботах С.І. Алексєєва, І.П. Бойка, В.П. Вершиніна, Ю.К. Зарецького, М.Л. Зоценка., В.А. Ільїчова, П.А. Коновалова, І.В. Колибіна, Н.С. Нікіфорової, В.П. Петрухіна, А.В. Пілягіна, С.Н. Сотникова, В.Г. Симагіна, С.Б. Ухова, В.М. Улицького, Г.І. Черного, А.Г. Шашкіна, К.Г. Шашкіна, В.Б. Швеця.

Незважаючи на те, що методи розрахунку основ за допомогою чисельних реалізацій, зокрема МСЕ, набули певного розвитку, залишається ціла низка нерозв‘язаних проблем: необхідність перевірки можливості застосування МСЕ та апарату нелінійної механіки ґрунтів до розрахунків основ будівель і споруд в умовах щільної міської забудови; уточнення ступеня впливу різних факторів на додаткові нерівномірні осідання фундаментів існуючих будівель від навантаження їх основ новими будівлями і спорудами, зокрема відносної відстані і заглибленості фундаментів існуючих та нових будівель, довжини консолей фундаментів нових будівель, наявності захисних стін, їх анкерування, а також висоти й жорсткості; розроблення рекомендацій для вибору розрахункових схем у рамках плоскої задачі; перевірка відповідності результатів розрахунків і даних натурних спостережень за осіданнями нових та існуючих будівель; розроблення рекомендацій до проектування основ будівель і споруд в умовах щільної забудови.

На основі проведеного аналізу стану питань за темою дисертації були визначені задачі досліджень.

У другому розділі оглянуто й проаналізовано математичні моделі для оцінювання НДС основ фундаментів будівель і споруд. Розрахункам НДС основ із застосуванням методів нелінійної механіки ґрунтів присвячені роботи А.К. Бугрова, А.В. Гришина, Ю.К. Зарецького, С.Ф. Клованича, О.О. Петракова, А.Б. Фадєєва, В.Г. Шаповала, Д.М. Шапіро, CommendDubois-PelereinDuncanGriffithsSmithZimmermann

Для розв‘язання поставлених задач вибрано ідеально пружно-пластичну модель ґрунту в рамках задачі про плоску деформацію. Вибір цієї математичної моделі був зумовлений намаганнями застосовувати фізико-механічні характеристики ґрунту, які б визначалися доступними для проектувальників лабораторними випробуваннями за стандартними методиками, а фізичні рівняння були перевірені практикою і давали результати, близькі до реальних. Для дискретизації розрахункової області застосовано МСЕ, який, з одного боку, має достатньо розвинуту алгоритмічну базу, а з другого – досить поширений серед проектувальників. Для розв‘язання нелінійної задачі залучено МПН, широко висвітлений у літературі. При цьому застосовано постійну матрицю жорсткості, яка дозволяє значно скоротити обсяги обчислень. Застосовані алгоритми дають змогу враховувати поетапність будівництва й експлуатації будівель і споруд.

Алгоритми вибраної моделі реалізовано мовою програмування С++ в інтегрованому середовищі Borland C++ Builder 5.0 у програмному комплексі “Основа”, що має дружній до користувача інтерфейс. Передпроцесор дозволяє інтерактивно утворювати і редагувати модель основи, зокрема додавати багатокутні області довільної конфігурації, вводити фізико-механічні характеристики ґрунтів інженерно-геологічних елементів (ІГЕ) основи, прикладати до системи розподілені й зосереджені навантаження, накладати по гранях розрахункових областей граничні умови, виконувати автоматичну генерацію скінченно елементної сітки й згущувати її в зонах значних градієнтів шуканих функцій НДС (рис. 1). Процесор дає можливість уводити розрахункові параметри, зокрема максимальну кількість ітерацій, коефіцієнт прискорення збіжності й точність за нев‘язкою, і виконувати розв‘язання системи рівнянь МСЕ за схемою Холецького. Постпроцесор дозволяє користувачеві переглянути поля напружень, деформацій і переміщень системи, зони пластичних деформацій та напрямів головних напружень у скінченних елементах.

Рис. 1. Головна віконна форма передпроцесора

Для підтвердження достовірності отримуваних рішень виконано тестові розрахунки основ, з одного боку, за програмою “Основа” і з другого – за програмою УПРОС, розробленою під керівництвом Д.М. Шапіро, надійність якої перевірена багаторічним досвідом її експлуатації. Виконано також зіставлення результатів розрахунків основ із даними, отриманими за допомогою всесвітньо відомих програмних комплексів PLAXIS .2 та ANSYS .1. Розбіжності результатів як пружних, так і пружно-пластичних розрахунків несуттєві.

У третьому розділі на основі проведеного аналізу об‘єктів, що споруджуються безпосередньо поряд з існуючими будівлями, дано класифікацію задач, що виникають при проектуванні основ будівель і споруд в умовах щільної забудови. При цьому значну увагу приділено обґрунтуванню вибору розрахункових схем та приведенню тривимірних схем до плоских. Доведено правильність низки припущень, які дозволяють суттєво спростити розрахункові схеми.

Розрахунковими дослідженнями підтверджено, що найбільше зниження впливу нових будівель і споруд на осідання існуючих досягається застосуванням таких конструктивних рішень:–

консольного примикання нової будівлі до існуючої, яке дозволяє відсунути від існуючих фундаментів зону найбільших напружень, які виникають унаслідок навантажень від нової будівлі;–

улаштування захисних стін між фундаментами нової й існуючої будівель, які виконують роль розділяючих екранів і дозволяють забезпечити проходження осідань незалежно під новою та існуючою будівлями;–

зведення нових будівель на пальових фундаментах;–

підсилення плитного фундаменту нової будівлі рядами паль;–

лідирування паль підсилення і захисних стін, яке істотно зменшує взаємодію ґрунту основи у зоні максимальних її осідань під підошвою з верхньою частиною паль, локалізує зони осідань безпосередньо під новою будівлею й зменшує вплив нової будівлі на сусідню.

Ці заходи суттєво зменшують нерівномірні осідання існуючих будівель і дають змогу уникнути ушкоджень їх конструкцій.

Нижче наведено результати розрахункових досліджень, які підтверджують ці положення.

У табл. 1 наведені осідання існуючої будівлі Полтавської філії національної юридичної академії імені Ярослава Мудрого для різних варіантів консолі довжиною до 2,5 м.

Таблиця 1

Результати розрахунків основи фундаментів юракадемії із консолями

Довжина консолі, м | Осідання існуючої будівлі, мм | Осідання нової будівлі, мм

1-ий стрічковий фундамент | 2-ий стрічковий фундамент | Нерівномірність осідань

0,0 | 79,7 | 24,5 | 0,0092 | 106,3

0,5 | 70,8 | 22,8 | 0,008 | 109,0

1,0 | 66,1 | 21,7 | 0,0074 | 111,7

1,5 | 58,1 | 19,8 | 0,0064 | 116,1

2,0 | 52,9 | 18,5 | 0,0057 | 119,9

2,5 | 46,3 | 17,0 | 0,0049 | 125,4

Як видно, влаштування консолі найбільшої довжини 2,5 м призводить до зменшення нерівномірності осідань існуючої будівлі майже вдвічі при одночасному збільшенні осідань нової будівлі на 18%. При цьому осідання існуючої будівлі в розглянутому діапазоні довжин консолей змінюються практично за лінійним законом.

У табл. 2 подані осідання тієї ж основи при влаштуванні захисної пальової стіни.

Таблиця 2

Результати розрахунків основи фундаментів юридичної академії
із захисними стінами

Висота захисної стіни, м | Осідання існуючої будівлі, мм | Осідання нової будівлі, мм

1-ий стрічковий фундамент | 2-ий стрічковий фундамент | Нерівномірність осідань

0,0* | 58,1 | 19,8 | 0,00640 | 116,1

6,0 | 43,8 | 18,9 | 0,00415 | 116,2

9,0 | 38,5 | 18,4 | 0,00335 | 115,4

12,0 | 34,0 | 17,8 | 0,00270 | 113,8

15,0 | 28,3 | 15,7 | 0,00294 | 110,8

* без захисної стіни

Із наведених результатів видно, що осідання існуючої будівлі і їх нерівномірність суттєво зменшуються зі зростанням висоти захисних стін, але в усіх випадках перевищують гранично допустимі за СНиП 0,0024.

Розрахунковими дослідженнями показано, що для забезпечення зменшення нерівномірних осідань до нормативно допустимих значень, доводиться, як правило, застосовувати вищеназвані заходи у різних комбінаціях, аналізуючи НДС основ для різних варіантів конструктивних рішень фундаментів і захисних стін.

Для прикладу наведемо результати розрахунків основи Полтавського облуправління національного банку України (НБУ), декілька варіантів розрахункових схем якої представлені на рис. 2. Додаткові осідання існуючого житлового будинку під зовнішньою стіною за 1-ою, 2-ою, 3-ою та 4-ою схемами становлять 46,6 мм, 28,7 мм, 17,1 мм, 12,1 мм відповідно. У проекті прийнята схема №4 з консольним примиканням і застосуванням захисної пальової стіни, виконаної з лідируванням, для якої осідання існуючої будівлі найменші і становлять 26% порівняно зі схемою №1 (примикання впритул).

Рис. 2. Розрахункові схеми основи Полтавського облуправління НБУ: 1 – стрічковий фундамент існуючої будівлі; 2 – фундамент нової будівлі; 3 – щілина під консоллю фундаменту; 4 – захисна пальова стіна; 5 – лідирування паль; №1 - №4 – номери розрахункових схем; ІГЕ-1 – ІГЕ-5 – інженерно-геологічні елементи.

Розрахунками показано необхідність визначення додаткових осідань основ на всіх етапах будівництва й експлуатації будівель і споруд, зокрема при виконанні робіт нульового циклу. Влаштування котловану для нової будівлі безпосередньо поряд із існуючою може спричиняти додаткові нерівномірні осідання, що проілюстровано прикладами розрахунків основ будівлі головпоштамту, що на розі вул. Луначарського і Фрунзе, та житлового будинку по вул. Косомольській, 27, у м. Полтава.

На прикладі виробничих будівель Радомишльського пивзаводу Житомирської області показано визначення тиску ґрунту на підпірну стіну в пружно-пластичному розрахунку.

У четвертому розділі описано методику експериментальних досліджень осідань основ нових та існуючих будівель в умовах щільної забудови, проведених у 2003-2004 роках у м. Полтава, й основні результати спостережень за осіданнями.

Мета цих досліджень – оцінювання достовірності визначення НДС основ існуючих та нових будівель в умовах щільної забудови у розрахунках за розглянутою вище пружно-пластичною моделлю ґрунту. Задачі досліджень – безпосереднє вимірювання осідань існуючих і нових будівель, а також непряме визначення осідань за допомогою спостереження за процесом утворення й розвитку тріщин у несучих конструкціях існуючих будівель із подальшим зіставленням одержаних осідань із результатами пружно-пластичних розрахунків.

Спостереження за осіданнями існуючої та нової будівель Полтавського облуправління НБУ виконувалися методом геометричного нівелювання за IІ класом точності. Згідно з розробленою програмою визначення осідань основ нових й існуючих будівель: 1) нівелювання виконувалося по деформаційних марках, установлених у зовнішні несучі стіни на рівні цоколя, і по опорних зв‘язуючих точках; 2) висотна основа була представлена глибинними ґрунтовими реперами, закладеними в межах будівельного майданчика; 3) застосовано нівелір Н-05 та інварна рейка з двома шкалами; 4) нівелювання виконувалося способом із середини короткими візирними променями; 5) схема ходів і розташування станцій протягом усього періоду вимірювання в усіх циклах спостережень залишалися практично незмінними; 6) нівелювання виконувалось лише при задовільних умовах видимості й достатньо чітких зображеннях штрихів рейки; 7) осідання під час будівництва вимірювалися з інтервалом не більше ніж 30 днів, що зумовлено інтенсивним зростанням у цей період осідань, спричинених навантаженням нової будівлі, а у подальшому виміри осідань проводилися з інтервалом у 3 місяці.

Здобуті результати свідчать про те, що виміряні осідання нової будівлі досягли 25 мм та 18 мм у її центральній частині та на рогах відповідно. Осідання існуючої будівлі банку не перевищили 2 мм, а житлового будинку – 8 мм. Фактичні осідання становлять 50-70% від розрахункових. З урахуванням зростання осідань будівель у часі можна говорити про задовільну достовірність виконаних розрахунків.

Визначення осідань основи пальових фундаментів під трубобетонні колони нової будівлі і стрічкових фундаментів існуючої будівлі торговельного комплексу ЦУМ у м. Полтава виконувалось не тільки методами геометричного, але й гідростатичного нівелювання. Для вимірювання осідань гідростатичним нівелюванням використовувався гідростатичний нівелір НШТ-1. При цьому застосовувалось подвійне нівелювання зі взаємною перестановкою посудин, яке забезпечує автоматичне виключення впливу місця нуля і зменшує температурні похибки.

Установлено, що виміряні осідання пальових фундаментів нової будівлі становлять 16-22 мм, а стрічкових фундаментів існуючої будівлі – близько 13-14 мм, тобто близько половини від розрахункових осідань (36,8 і 27,4 мм відповідно). Враховуючи розвиток осідань у часі і ще не прикладені тимчасові навантаження, які становлять до 20% від розрахункових, можна зробити висновок про достатню достовірність розрахункових даних.

Непряме визначення осідань основ існуючих будівель та їх нерівномірності проводилось шляхом аналізу ширини розкриття тріщин у стінах та стиках плит перекрить і покрить, а також застосування інженерного підходу, який передбачає розбивку будівлі на умовні жорсткі блоки, що обертаються відносно точок у рівні підошви фундаментів незалежно від інших. Очевидно, що даний підхід не є точним, але дозволяє визначити осідання для зіставлення їх з розрахунковими на об‘єктах, де не проводились інструментальні спостереження за додатковими осіданнями існуючих будівель.

Оцінювання осідань основ за шириною розкриття тріщин у стінах було виконано на прикладі будинку головпоштамту при будівництві поряд із ним пішохідного переходу на перетині вул. Жовтневої та Луначарського у м. Полтава. Розрахунки показали, що осідання фундаментів на границях блоків на відстанях від краю стіни 6,800 м, 10,200 м, 16,700 м становлять 20,0 мм, 5,8 мм та 2,2 мм відповідно. Оскільки максимальне розрахункове осідання за пружно-пластичним розрахунком при відсутності анкерування шпунтової стіни становить 20,3 мм, можна говорити про доцільність такого підходу до оцінювання осідань. При будівництві пішохідного переходу шпунтова стіна була влаштована з відхиленням від проектного рішення (відсутність шпунтової стіни на окремих ділянках, а також відсутність анкерування шпунтової стіни), що і призвело до істотної нерівномірності осідань й ушкодження конструкцій.

При обстеженні існуючої житлової будівлі на вул. Комсомольській, 27, у вересні 2003 року виявлено: вертикальні тріщини на всю висоту в зоні примикання поздовжніх стін існуючого будинку до раніше збудованого, розташованого з протилежного боку від нового, із шириною їх розкриття від 2,0 см у нижній зоні стін (на 1-ому поверсі) до 3,5-4,0 см у їх верхній зоні (карнизній частині); тріщини шириною до 1,0 мм по швах між плитами перекрить на всіх поверхах та у поздовжніх стінах у кутах більшої частини дверних і віконних отворів у частині будинку, що примикає до нової будівлі.

Для пояснення чинників виникнення вищеописаних ушкоджень виконано пружно-пластичний розрахунок основи. За результатами аналізу НДС основи додаткові осідання існуючої будівлі становлять близько 6,0 см. Оскільки довжина будинку приблизно дорівнює його висоті з урахуванням підвальної частини, при нескінченній жорсткості будинку горизонтальні переміщення, а отже, й ширина розкриття тріщини у карнизній частині стіни мали б становити близько 6,0 см. Натурні виміри дають величину горизонтальних переміщень не більше від 4,0 см, що можна пояснити проходженням осідань у часі та втратою будівлею суцільності (скінченною жорсткістю будівлі).

Таким чином, виміряна ширина розкриття тріщин у існуючій будівлі підтверджує правильність вибору розрахункових схем і достовірність розрахункових осідань.

У п‘ятому розділі викладено рекомендації до розрахунку основ фундаментів будівель та споруд в умовах щільної міської забудови.

При проектуванні пальових фундаментів поблизу існуючих будівель на стрічкових й окремих фундаментах показана необхідність виконання наступних додаткових розрахунків.

1) Визначення осідань основи фундаментів існуючої будівлі у зоні впливу палі на рівні глибини закладання існуючих фундаментів із рішень вісесиметричної пружно-пластичної задачі. Результати розрахунків доцільно представляти у вигляді графіків s = f (l), подібних до наведеного на рис. 3, де l – відстань до палі.

Рис. 3. Графік осідань основи в зоні впливу одиночного пальового фундаменту в залежності від відстані до палі

2) Визначення осідань стрічкового фундаменту і паль з урахуванням їх взаємного впливу. При цьому дозволяється сумувати осідання, незважаючи на те, що рішення одержані з пружно-пластичного розрахунку.

3) Визначення осідань стрічкового фундаменту існуючої будівлі від додаткових навантажень на його стіни. При цьому розрахунок можна виконувати для плоскої деформації за МСЕ у пружно-пластичній постановці.

4) Знаходження повних осідань фундаментів існуючої будівлі і їх нерівномірності та перевірка їх відповідності вимогам СНиП. Під повними необхідно розуміти суму осідань існуючої будівлі, що мали місце до початку будівництва й додаткових при будівництві.

Для підтвердження доцільності застосування цих рекомендацій нижче показано результати оптимізаційних розрахунків для вибору відстані між фундаментами існуючої і нової будівлі при реконструкції торговельного комплексу ЦУМ в м. Полтава. При виборі відстані від осей пальових фундаментів до стрічкових фундаментів існуючої будівлі слід ураховувати два фактори. При збільшенні цієї відстані, по-перше, вплив пальових фундаментів на осідання існуючих зменшується, а по-друге, у разі передачі навантаження від перекрить нової будівлі на стіни існуючої збільшується тиск під підошвою існуючого фундаменту і, як наслідок, його осідання. Тобто існує оптимальна відстань між фундаментами нової та існуючої будівель, при котрій осідання останньої мінімальні. З графіка, зображеного на рис. , видно, що ця відстань дорівнює 3,8 м, у той час як прийнята у проекті становить 3,0-3,5 м, тобто близька до оптимальної.

Рис. 4. Осідання основи існуючої будівлі: 1 – від впливу пальових фундаментів; 2 – від додаткового навантаження з перекрить нової будівлі; 3 – сумарні

Для проектування плитних фундаментів поблизу існуючих будівель на стрічкових фундаментах (до даної категорії можна також віднести стрічкові фундаменти нових будівель із значною жорсткістю при щільному розташуванні їх стрічок) запропоновано рекомендації, аналогічні вищенаведеним для пальових фундаментів. Вони передбачають у разі невиконання вимог СНиП розгляд різніх варіантів примикання нової будівлі до існуючої. Розрахунки осідань існуючої будівлі і їх нерівномірності необхідно виконати для всіх стадій будівництва та експлуатації.

Застосування цих рекомендацій показано на прикладі розрахунку основи існуючої житлової будівлі при реконструкції Полтавського облуправління НБУ. У прийнятому проектному рішенні (розрахункова схема №4 на рис. 1) довжина захисних паль становить 9 м, а осідання стрічкового фундаменту існуючої житлової будівлі – 12,1 мм при нерівномірності 0,002 та 0,003 для довжини (на якій вимірюється нерівномірність) 6 і 3 м відповідно. Збільшення довжини палі до 16 м, коли вона перетинає шар ІГЕ-5 із модулем деформацій Е=8МПа і занурюється у шар ІГЕ-6 з Е=15 МПа на 0,7 м, зменшує осідання існуючої будівлі до 5,8 мм, а їх нерівномірність до 0,0019 та 0,001, менших від допустимих за СНиП – 0,002.

Доцільність застосування пружно-пластичних розрахунків у проектній практиці показана на прикладі аналізу НДС основи будівлі головпоштамту при влаштуванні захисної стіни котловану підземного пішохідного переходу на розі вул. Жовтневої та Луначарського у м. Полтава. На основі результатів аналізу НДС основи переходу зроблено висновок про те, що виконання захисної шпунтової стіни з відхиленням від проекту (безанкерною) призвело до збільшення нерівномірності додаткових осідань понад нормативні 0,002 (20,3/6000 ,0034). Це підтверджується результатами візуальних спостережень за будівлею головпоштамту, зокрема, виявлені три вертикальні тріщини на відстані близько 4 - 10 м від рогу будівлі. У зв‘язку з появою цих тріщин, спричинених понаднормативними нерівномірними осіданнями існуючої будівлі, було розглянуто варіант анкерування захисної шпунтової стіни котловану. У табл. 3 наведено результати аналізу НДС основи для проектного рішення анкерної шпунтової стіни і їх зіставлення з безанкерною.

Таблиця 3

Розрахункові значення осідань будівлі і внутрішніх зусиль у шпунті

Варіант конструктивного рішення | Безанкерна шпунтова стіна | Анкерна шпунтова стіна

Осідання існуючої будівлі після викопування котловану на глибину 4,2 м, мм | 10,1 | 0,1

Осідання існуючої будівлі після викопування котловану на проектну глибину 5,42 м, мм | 20,3 | 0,4

Горизонтальні переміщення шпунта на рівні його верхнього кінця, мм | 44,8 | 1,9

Максимальне значення згинаючого моменту в шпунті, кН м/м | 38,1 | 104,6

Максимальне значення поперечної сили в шпунті, кН/м | 26,5 | 99,5

З таблиці видно, що влаштування анкерної шпунтової стіни за проектом дозволило б унеможливити додаткові осідання фундаментів існуючої будівлі (знизити їх з 20,3 до 0,4 мм) та їх нерівномірність і, як наслідок, уникнути ушкоджень конструкцій та забезпечити нормальну експлуатацію будівлі.

Аналогічні результати отримано при розрахунку впливу 5- поверхового будинку по вул. Комсомольській, 27, у м. Полтава на додаткові осідання фундаментів існуючого житлового будинку. Як показав аналіз НДС основи, збільшення висоти захисної стіни і її жорсткості на згин не дозволяють суттєво зменшити додаткові осідання основи існуючої будівлі. Завдяки анкеруванню захисної стіни із буронабивних паль практично можна звести нанівець нерівномірність осідань при влаштуванні котловану, а також істотно зменшити небезпечні для існуючої будівлі горизонтальні переміщення (на 72%).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Результатом проведених досліджень є подальший розвиток пружно-пластичних розрахунків основ фундаментів будівель і споруд в умовах щільної міської забудови. Проведені дослідження дали наступні результати.

1. На відміну від нового будівництва деформації існуючих будівель при будівництві поряд із ними нових завжди нерівномірні. Саме вони спричиняють ушкодження існуючих будівель. Однак на сьогодні не існує єдиного підходу до розв‘язання цієї проблеми, про що свідчать численні випадки ушкоджень існуючих будівель, зокрема з аварійними наслідками.

2. Розроблене в даній роботі програмне забезпечення, що базується на ідеально пружно-пластичній моделі ґрунту в рамках теорії пластичної течії, алгоритмах МСЕ і МПН, максимально пристосоване до виконання поетапного розрахунку основ в умовах плоскої деформації та аналізу їх НДС на всіх фазах будівництва та експлуатації. Воно враховує найбільш важливі фактори (зокрема конструктивні рішення фундаментів існуючих і нових будівель та захисних споруд) і дозволяє оцінити вплив новобудов на осідання існуючих будівель і їх нерівномірність.

Вибрана математична модель використовує фізико-механічні характеристики ґрунту, які визначаються доступними для проектувальників лабораторними випробуваннями за стандартними методиками, а фізичні рівняння, які її реалізують, перевірені практикою і дають результати, близькі до реальних.

3. Подано низку рекомендацій для вибору розрахункових схем та приведення тривимірних схем до плоских.

4. Розрахунковими дослідженнями підтверджено ефективність застосування наступних відомих конструктивних рішень: консольного примикання нової будівлі до існуючої; влаштування захисних стін між фундаментами нової й існуючої будівель; зведення нових будівель на пальових фундаментах.

Показано доцільність варіантного проектування при виборі конструктивних рішень фундаментів нових будівель у зоні їх примикання до існуючих.

5. Показано, що при влаштуванні котлованів поряд з існуючими будівлями найбільший ефект дають анкерні захисні стіни, які суттєво зменшують осідання існуючих будівель і їх нерівномірність.

6. Проведені експериментальні дослідження осідань існуючих будівель, візуальні спостереження за станом їх конструкцій, появою та розвитком тріщин свідчать про те, що отримані у розрахункових дослідженнях результати осідань є близькими до фактичних. Це дозволяє рекомендувати запропоновані підходи для проектування будівель і споруд в умовах щільної забудови.

7. На основі проведених досліджень запропоновано рекомендації для проектування будівель та споруд в умовах щільної забудови, які містять указівки щодо складу проектних робіт і послідовності їх виконання. Виконані за цими рекомендаціями розрахунки основ будівель на пальових, плитних та стрічкових фундаментах довели ефективність запропонованих рекомендацій, а також доцільність їх упровадження у практику проектування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

АНОТАЦІЯ

Голов О.О. Деформації основ фундаментів будівель в умовах щільної міської забудови. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.02 – підвалини та фундаменти. – Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 2004.

Дисертація присвячена питанням розвитку розрахунків основ існуючих будівель і споруд в умовах щільної міської забудови. Напружено деформований стан основ, зокрема нерівномірність додаткових осідань, визначається на базі ідеально пружно-пластичної моделі ґрунту в умовах плоскої деформації із залученням методу скінченних елементів та методу початкових напружень. Проведено математичне моделювання роботи основ фундаментів існуючих будівель і споруд в умовах щільної забудови та виконано зіставлення одержаних результатів із даними натурних спостережень і розрахунками за існуючими нормами. Доведено достовірність й ефективність цього підходу для задачі, що розглядалася. Виконано оцінювання впливу на додаткові осідання існуючих будівель різних факторів, зокрема довжини консолей фундаментів нових будівель, наявності захисних споруд та їх параметрів – жорсткості, висоти, анкерування та лідирування. Розрахунковими дослідженнями показано ефективність конструктивних рішень основ в умовах щільної міської забудови – улаштування консолей, захисних стін, пальових фундаментів. Розроблено методику розрахунку нерівномірності осідань основ стрічкових фундаментів існуючих будівель від впливу новобудов. Доведена достовірність запропонованої методики для прогнозування появи ушкоджень у конструкціях існуючих будівель.

Ключові слова: основи будівель і споруд, напружено-деформований стан основ, щільна міська забудова, нерівномірність осідань, ідеально пружно-пластична модель ґрунту, метод скінченних елементів.

АННОТАЦИЯ

Голов О.О. Деформации оснований фундаментов зданий в условиях плотной городской застройки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 – основания и фундаменты. – Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 2004.

Диссертация посвящена вопросам развития методов расчета оснований существующих зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки.

В работе выполнен анализ основных направлений развития методов оценки напряженно-деформированного состояния оснований в условиях плотной городской застройки, на основе которого сформулирована цель диссертации, которая состоит в разработке методики расчета деформаций оснований, позволяющей уменьшить повреждения и обеспечить сохранность существующих зданий и сооружений при строительстве и реконструкции в стесненных условиях.

Напряженно-деформированное состояние оснований, в том числе неравномерность дополнительных осадок, определяется на базе программной реализации идеально упруго-пластической модели грунта в условиях плоской деформации с использованием метода конечных элементов и метода начальных напряжений. Обоснована возможность применения выбранной модели грунта для расчета оснований зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки.

Проведено математическое моделирование работы оснований фундаментов существующих зданий и сооружений в стесненных условиях строительства и выполнено сравнение полученных результатов с расчетами по действующим нормам. Выполнена оценка влияния на дополнительные осадки существующих зданий различных факторов, в том числе длины консолей фундаментов новых зданий, наличия защитных стен и их параметров – жесткости, высоты, анкеровки и лидирования. Доказана достоверность и эффективность этого подхода для рассматриваемой задачи. Расчетными исследованиями показана эффективность известных конструктивных решений оснований в условиях плотной городской застройки – устройство консолей, защитных стен, свайных фундаментов. Приведен ряд рекомендаций по выбору расчетных схем и приведения трехмерных схем к плоским.

Осадки новых и существующих зданий исследованы экспериментально методами геометрического и гидростатического нивелирования и сопоставлены с данными расчетных исследований. Сделан вывод об удовлетворительном соответствии результатов. Выполнено непрямое определение величины осадок с помощью метода жестких блоков по ширине раскрытия трещин в стенах существующих зданий с последующим сопоставлением полученных осадок с результатами упруго-пластических расчетов, что позволило выполнить оценку осадок для сопоставления их с расчетными на объектах, где не проводились инструментальные наблюдения за дополнительными осадками существующих зданий.

На основе проведенных исследований предложены рекомендации для проектирования зданий и сооружений в условиях плотной застройки, которые содержат указания относительно состава проектных работ и последовательности их выполнения. Выполненные по этим рекомендациям расчеты оснований зданий на свайных, плитных и ленточных фундаментах доказали эффективность предложенных рекомендаций, а также целесообразность их внедрения в практику проектирования.

Ключевые слова: основания зданий и сооружений, напряженно-деформированное состояние оснований, плотная городская