ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ БУДІВЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ
ЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ БУДІВЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ
КАЛІЧАВА Тетяна Борисівна
УДК 624.131.54+69.59.05
Критерії оцінок інженерного захисту
фундаментів будівель у складних
грунтових умовах
05.23.02 – “Основи і фундаменти”
втореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ -2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті Міносвіти України в м. Алчевськ
ауковий керівник - кандидат технічних наук Черний Всеволод Гелійович,
тарший науковий співробітник Інституту проблем національної безпеки
при Раді безпеки України
Офіційні опоненти: – | доктор технічних наук, професор
Друкований Михайло Федорович,
завідувач кафедри Вінницького національного технічного
університету Міносвіти України
Офіційні опоненти: - | кандидат технічних наук, професор
Степаненко Галина Петрівна
Київський національний університет будівництва і архітектури,
професор кафедри основ та фундаментів
Провідна установа – | Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міносвіти України
Захист відбудеться 20 вересня 2006 р. о 16-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Мінбуду України за адресою: 03680, Київ – 37, вул. Івана Клименка, 5/2.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, Київ – 37, вул. Івана Клименка, 5/2.
Автореферат розіслано 18 серпня 2006 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради К 26.833.01 | Слюсаренко Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У складних ґрунтових умовах, поширених на більшій частині України, до ушкоджень і до руйнувань будівель і споруд призводить нерівномірна осадка основи після зведення, або деформаційні процеси, що можуть початись протягом їхнього строку служби, тому виникає потреба в захисних заходах, які підвищують вартість будівництва. Незважаючи на різноманітність інженерно-геологічних умов, у яких протікають ці процеси, і те що деякі з них є закономірними, а інші виникають спонтанно, через випадкові зміни природних і техногенних факторів впливу, і протікають стохастично, їхній руйнівний вплив на стан будівель і споруд визначають лише чотири головних чинники та іноді ще додаткові, які їх посилюють. Такими чинниками є викривлення поверхні грунтової основи, утворення локальних вирв, горизонтальні деформації розтягнень-стиснень у контурі будівель та хвильові навантаження на фундаменти через грунтові основи. Але для визначення впливу на стан будівель грунтових процесів використовують багато критеріїв, для кожних свій, за якими визначають максимально можливий рівень ушкоджень.
Лише для кількох процесів з вертикальними переміщеннями грунту розрахунки конструкцій будівель з захисними заходами у останні роки виконують уніфіковано за єдиним критерієм – запропонованим С.М.Клепиковим перемінним коефіцієнтом жорсткості основи при тиску будівлі. Розширення уніфікації, з розповсюдженням її на усі різноманітні складні грунтові та сейсмічні умови, шляхом визначення кількох головних і допоміжних критеріїв впливу при розрахунках конструкцій за ймовірними впливами грунтових процесів на будівлі є вельми актуальною задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.
Дослідження, представлені в даній роботі, виконані у рамках держбюджетної теми Міністерства освіти і науки, зареєстрованої в Українському інституті науково-технічної та економічної інформації, номер державної реєстрації № 0104U002975 “Дослідження та обгрунтування закономірностей зсуву товщи гірничих порід від схем відпрацювання світи пластів”.
Метою дисертації є розробка загальних критеріїв для визначення по них у складних ґрунтових умовах оптимальних витрат на захист будівель від ушкоджень ґрунтовими процесами, адекватних за вартістю ймовірним збиткам.
Ця мета досягається вирішенням задач:
1.
визначення для деформаційних і динамічних процесів складних ґрунтових умов кількох загальних уніфікованих критеріїв для розрахунків по них ймовірних рівнів ушкоджень будівель;
2.
застосування цих критеріїв для оцінок ймовірного збитку від ушкоджень будівель деформаційними і динамічними процесами за термін їхньої служби;
3.
використання оцінок ймовірного збитку від ушкоджень і витрат на захисні заходи для визначення ефективного і економічного методу захисту будівлі за мінімумом витрат.
Об'єкт досліджень - захист будівель від ушкоджень ґрунтовими деформаційними і динамічними процесами.
Предмет досліджень - критерії для оцінки методів захисту будівель від ушкоджень ґрунтовими деформаційними і динамічними процесами.
Наукову новизну роботи складає:
-
визначення та обгрунтування чотирьох головних та чотирьох допоміжних уніфікованих критеріїв впливу на стан будівель грунтових процесів у їхніх основах, загальних для різних типів складних ґрунтових і сейсмічних умов;
-
емпіричні методи оцінки по зазначених критеріях ймовірних збитку від ушкоджень будівель ґрунтовими деформаційними і динамічними процесами за термін їхньої служби, які можуть бути використані при визначенні методів та рівнів їхнього захисту в даних умовах;
Практичне значення отриманих результатів:
-
можливість уніфікації проектування будівель у різних складних ґрунтових умовах з застосуванням загальних критеріїв впливу на стан будівель деформаційних процесів у їхніх основах, незалежно від геологічних причин їхнього виникнення;
-
скорочення витрат на захисні конструктивні заходи будівель у складних ґрунтових умовах за рахунок їхньої оптимізації при розрахунках по зазначених критеріях.
Особистий внесок здобувача становить:
-
визначення уніфікованих загальних критеріїв впливу на стан будівель грунтових процесів, що протікають у різноманітних складних ґрунтових умовах для розрахунків по них ймовірних рівнів ушкоджень будівель;
-
збір, обробка і узагальнення натурних даних про деформації основ, стан будівель та витрати коштів на захисні заходи і відновлювальний ремонт рівнів деформацій при протіканні деформаційних процесів зрушення над гірничими виробками і просадки, на підставі яких після відповідних ймовірносних розрахунків були визначені границі оптимальних областей трьох обгрунтованих в дисертації рівнів захисту будівель.
Апробація досліджень. По окремих розділах дисертації зроблені доповіді на 4-й Українській конференції з механіки ґрунтів і фундаментобудування і щорічних науково-технічних конференціях Донбаського державного технічного університету. У повному обсязі дисертацію викладено на об'єднаних наукових семінарах у НДІБК та у Донбаському технічному університеті.
П8ублікації. За матеріалами виконаних досліджень у періодичних науково-технічних виданнях, що ввійшли в затверджений ВАК України перелік фахових науково-технічних видань, опубліковано шість наукових статей.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п‘яти основних розділів, загальних висновків. Вона містить 174 сторінки друкованого тексту, 14 рисунків, 7 таблиць і список використаної літератури з 149 найменувань на 15 сторінках та додатку на 3 сторінках .
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, викладено наукову новизну, практичне значення роботи, її зв’язок з науковими програмами, планами, темами.
Перший розділ включає аналітичний огляд опублікованих результатів експериментальних і теоретичних робіт, присвячених методам захисту будівель від ушкоджень ґрунтовими деформаційними процесами в складних ґрунтових умовах та їх техніко – економічним обґрунтуванням . У першій частині огляду коротко викладений зміст публікацій, у яких розглянуті основні методи захисту будівель і споруд, розрахункові критерії, по яких визначають їх застосування, методи визначення цих критеріїв. В другій частині викладений зміст робіт, у яких розглянуті альтернативні критерії, по яких потреби заходів захисту визначались на основі теорії надійності. У третій частині розглянуті також роботи, присвячені визначенню техніко-економічних показників методів захисту.
Дослідження з питань захисту будівель від руйнівних грунтових процесів виконували на протягом декількох десятиліть багато наукових колективів і фахівців. На підставі експериментальних робіт, розпочатих у 30-х рр. минулого сторіччя були розроблені і перевірені в натурних умовах методи конструктивних і ґрунтових заходів захисту будівель і споруд від ушкоджень при деформаціях основ.
Результати досліджень протікання різних грунтових деформаційних і динамічних процесів, їхній вплив на стан будівель та методи захисту від нього будівель викладені у багатьох роботах. Серед них відомі роботи українських фахівців І.П.Бойка, Ю.Л.Винникова, В.М.Голубкова, М.Ф.Друкованого, М.Г.Демчишина, М.П.Дубровського, М.Л.Зоценка, А.В.Кірічека, С.М.Клепикова, М.В.Корнієнка, І.М.Литвинова, М.С.Метелюка, Ю.І.Немчинова, О.В.Новського, О.О.Петракова, А.М.Рижова, І.О.Розенфельда, Г.П.Степаненко, В.Г.Таранова, А.С.Трегуба, О.М. Трофимчука, Ю.Ф.Тугаєнка, В.Г.Черного, Г.І.Черного, В.Г.Шаповала, В.Б. Швеця, О.В.Школи, В.С. Шокарева й інш.
Однак розроблені на основі експериментальних досліджень рекомендації, методи розрахунків захисних конструктивних заходів при будівництві у різних складних ґрунтових умовах, що ввійшли в нормативи починаючи з 70-х рр. минулого століття, недосконалі. У нормативах і технічній літературі чітко не сформульовані критерії для визначення необхідності запровадження захисних заходів при будівництві у складних ґрунтових умовах, зокрема такий критерій, як гарантування безпеки людей у зведених будівлях при їх експлуатації.
При визначенні цієї необхідності і при розрахунках ефективності захисних заходів за критерій приймались можливі збитки від ушкоджень при максимальних розрахункових деформаціях ґрунту, незалежно від їхньої ймовірності, очікуваної тривалості протікання і періоду експлуатації будівлі, коли вони досягнуть небезпечного рівня. Такі розрахунки ефективності по максимальних деформаціях грунтової основи не коректні, особливо для ґрунтових умов, де протікають стохастичні деформаційні процеси, що виникають спонтанно. При ймовірності менше 0,5 того, що деформаційний процес за строк служби будівлі відбудеться, і невисокому рівні можливих ушкоджень розрахунки значно завищують збитки.
Недоліком є і те, що для кожного типу складних ґрунтових умов використовують свої критерії впливів на стан будівель. Це ускладнює проектування, не дає змоги вести по єдиних критеріях розрахунки в умовах, близьких по характеру впливу на будівлі. Запропонований С.М.Клепиковим один такий критерій - перемінний коефіцієнт жорсткості придатний лише для грунтових процесів з нерівномірнім вертикальним переміщенням грунту.
Зазначені недоліки визначають потребу в кількох єдиних критеріях і методах розрахунків економічної ефективності захисних заходів при будівництві в складних ґрунтових умовах. Стан вивчення питань захисту будівель у цих умовах дає змогу розробити придатні для техніко-економічних методи розрахунків ймовірних збитків від ушкоджень і руйнувань будівель за термін їхньої служби при регулярному і при стохастичному протіканні ґрунтових деформаційних і динамічних процесів. Може бути визначено методику оцінки оптимальних витрат на захисні заходи будівель від ушкоджень по мінімуму суми цих витрат і ймовірного збитку від ушкоджень, за умови забезпечення безпеки для людей у будинках.
У другому розділі обґрунтовані методи і методики досліджень. Головним є визначення оптимальних рівнів захисту будівель для складних ґрунтових умов, адекватних за вартістю ймовірному збиткові від ушкоджень при розвиту деформаційних процесів в основах. Через значне розсіяння результатів грунтових процесів це можливо лише у ймовірносному наближенні, що визначило застосування ймовірносних розрахунків за статистикою ушкоджень.
Для вирішення інших задач дисертації, використані техніко-економічні розрахунки і теоретичні дослідження з застосуванням рівнянь механіки ґрунтів і будівельної механіки. На цій основі виконано визначення критеріїв впливу геотехнічних чинників на стан будівель. Визначення допустимої ймовірності ушкоджень і руйнувань будівель у небезпечній для людей формі раптових обвалів можливо лише методами ймовірносної теорії ризику.
Для визначення загальних для різних типів грунтових умов критеріїв впливу основ на стан будівель враховано, що при деформаційних і динамічних процесах у грунтах цей вплив відбувається лише у формі одного виду дії і двох видів навантажень. При вертикальних переміщеннях грунту - це викривлення основи будівлі, при горизонтальних - навантаження у формі розтягнень і стиснень фундаменту, при динамічних процесах - хвильові навантаження. При протіканні деформаційного процесу переважно у формі вертикальних переміщень грунту ушкоджує будівлю його нерівномірне осідання при дії своєї ваги, хоч осідання грунтової основи може відбуватись незалежно від неї. Якщо переважає горизонтальний рух грунту, навантаження на будівлю здійснює горизонтальна деформація розтягнення-стиснення основи, а при динамічному хвильовому русі – сейсмічна або вібраційна хвиля у грунті.
Поєднання зазначених методів при встановленні ймовірних рівнів ушкоджень будівель за строк служби здійснювалось шляхом виконання детермінованих розрахунків і на їх підставі визначення відповідних довірчих інтервалів для подальших ймовірносних розрахунків. Для стохастичних процесів у результаті розрахунків вводився понижуючий коефіцієнт, рівний імовірності виникнення процесу за строк служби будівлі.
У третьому розділі визначені загальні для складних грунтових умов критерії впливу деформацій і властивостей грунтів на будівлі у формі впливів і навантажень на фундаменти. До складних відносять п’ять типів грунтових умов, яким властиві такі особливості:
1.
в ґрунтових масивах є грунти з особливими властивостями (біологічні та інші спроможні значно стискуватись), що призводить до нерівномірних осадок будівель при навантаженні від їхньої ваги;
2.
можливе протікання незалежних від ваги будівель деформаційних процесів переважно з вертикальним переміщенням грунту, що призводить до нерівномірних осідань будівель, та з деяким горизонтальним переміщенням;
3.
можливе протікання деформаційних грунтових процесів переважно з горизонтальним переміщенням ґрунту, що призводить до деформацій розтягнень-стиснень будівель, та з деяким вертикальним переміщенням;
4.
можливе протікання сейсмічних або вібраційних процесів, що створюють хвильові навантаження на будівлі, з ушкодженням і руйнуванням конструкцій;
5.
підтоплення, що змінює властивості ґрунтів та інтенсифікує деформаційні процеси.
Найбільш розповсюджені в Україні типи складних умов - просадні ґрунти, підроблювані та сейсмічні території, яким притаманні усі три зазначені чинники впливів грунту основ на стан будівель, а також підтоплення при дослідженнях впливу основ на стан будівель прийняті за базові. Для інших типів складних умов чинники та критерії впливу визначені за аналогією з відповідними базовими.
Загальним головним критерієм негативного впливу на стан будівель у перших двох з перелічених типів умов, де грунтові процеси протікають з вертикальним переміщенням грунту, є нерівномірність осідання, яку при осадках будівель від навантажень їх вагою визначає перемінний коефіцієнт жорсткості основи. Цей критерій виникає або при зведенні будівлі, при слабких ґрунтах основи, або після зведення, при замочуванні лесових і набрякаючих грунтів, протіканні зрушення, тощо. Його зміни під будівлею можуть бути гладкими, або мати розриви. Коефіцієнт жорсткості може впасти до нуля при відриві ґрунту від фундаменту. Рис.1 ілюструє такі різні форми змін під будівлею впливу на будівлі зазначеного критерію. На чотирьох схемах показані різні епюри коефіцієнту жорсткості змін та за просторовими положенням під будівлею. Просідання s під будівлею довжиною L визначають умови:
smax при | x | r
s(x) = smax – kп (x - r) при r | x | (r + ) (1)
0 при | x | r +
де kп – коефіцієнт пропорційності, рівний : kп = smax/.
r–радіус плями замочування, - ширина проміжної зони.
А
А
А Б
kж kж/kж/ S N
kж
r r r
L L
В Г Б
i
kж kж kж кр
і
2r r S S
L L
Рис1. Епюри коефіцієнта жорсткості основи при Рис.2. А-схема підробітки будівлі при
локальному просіданні основи будівлі крутою виробкою; Б-графіки осідань S,
А- під центром, Б – під торцем будівлі в лесах 1-го нахилів і, деформацій кривизни кр і
типу просадковості, В,Г- те саме в лесах 2-го типу. і деформацій розтягнень - стиснень .
Для третього з перелічених типів складних грунтових умов, де деформаційні процеси протікають переважно з горизонтальними переміщеннями грунту, зокрема при зрушенні над крутими гірничими виробками і протіканні зсувного крипу, критерієм руйнуючого впливу на будинки є показник нерівномірності таких переміщень – величини горизонтальних деформацій розтягнень-стиснень ґрунтової основи . Дію цього критерію на будівлю ілюструє рис.2. На рисунку наведено схему підробітки будівлі крутою виробкою, коли горизонтальні переміщення грунту більше вертикальних. Під схемою показані відповідні графіки осідань, нахилів, деформацій кривизни і горизонтальних деформацій розтягнень-стиснень земної поверхні. З графіків видно, що при такому процесі переважають деформації розтягнення основи, які призводять до деформацій розтягнення фундаменту будівлі.
Для складних умов з протіканням динамічних хвильових процесів, крім параметрів сейсмічних хвиль (амплітуд, швидкостей, прискорень) на території будівлі, основним критерієм впливу на її стан також є сейсмічна жорсткість грунтової основи . Цей динамічний показник грунту є добутком від множення швидкості руху поздовжньої хвилі сп на щільність :
= сп (2)
З динамічним модулем деформації грунту Ед його зв’язує формула:
= Ед (3)
Його вплив на амплітуди вторинних хвиль, що потрапляють в будівлю і відбиваються від поверхні поділу грунт-фундамент ілюструє табл. 1. В ній наведені розраховані для п’яти типів грунтових умов параметри цих хвиль, хвильові коефіцієнти і відносний тиск хвиль на фундаменти у одиницях середньої об’ємної щільності енергії падаючої хвилі Wэ по В.Г.Черному. При розрахунках вихідна амплітуда хвиль у граніті перед основою будівлі прийнята за 1, сейсмічна жорсткість граніту - 16 тис. т/м2с, матеріалу фундаменту - 4,5 тис. т/м2с, чотирьох грунтів основи, відповідно, 3,6 тис., 3,2 тис., 1 тис. і 250 т/м2с, їх щільність: 2,0, 1,8, 1,8 і 1,5 г/см3, щільність фундаменту 2,2 г/см3 .
Залежні від грунтів основ параметри первинних і вторинних хвиль, що діють на будівлю
Таблиця 1
Грунт під будівлю | Амплітуди хвиль | Хвильовий тиск на фундамент | Коефіцієнти
на глибині | безпосередньо під фундаментом будівлі | падаючої | відбитої | заломленої | проходження | відбивання
граніт | 1 | - | 1,566 | 2Wэ | - | 0,31
граніт | водонасичений щільний | 1,632 | 0,160 | 1,462 | 2,08 Wэ | 0,54 | 0,01
граніт | водонасичений нещільний | 1,670 | 0,264 | 1,411 | 2,10 Wэ | 0,343 | 0,02
граніт | неводонасичений щільний | 1,882 | 1,181 | 0,695 | 2,10 Wэ | 0,207 | 0,40
граніт | неводонасичений пухкий | 1,981 | 1,775 | 0,205 | 2, 08 Wэ | 0,0003 | 0,80
Дані табл. 1 показують, що через скельні і водонасичені грунти сейсмічна хвиля проходить в будівлю і руйнує конструкції. Через пухкі грунти вона майже не проходить, і руйнування будівлі відбувається внаслідок її нахилу і перекидання, від деформації грунту падаючою і відбитою хвилею. Це має бути враховано при визначенні витрат на конструктивні захисні заходи.
Складні грунтові умови, де протікає підтоплення, відрізняє те, що цей процес на стан будівель безпосередньо впливає не дуже значно, але інтенсифікує протікання руйнівних для них деформаційних і динамічних процесів. Особливо значний вплив обводнення грунту на процеси просідання, набрякання, зсувні, карстові і суфозійні. Воно знижує показники міцності і підвищує деформаційні властивості грунту. Різниця між граничними величинами показників властивостей в глинах і суглинках різної вологості велика, але при техногенному замочуванні зміни цих показників значно менші, оскільки їхні вихідні і кінцеві величини не бувають граничними.
Це видно з узагальнених даних табл. 2, що характеризують вплив вологості на властивості різних грунтів.
Границі залежних від вологості змін міцносних, деформаційних і динамічних показників грунтів різної пористості і консистенції
Таблиця 2
Грунти | Коефі-цієнт пористості | Граничні величини показників властивостей грунтів різної вологості
кута внутрішнього тертя, град | зчеплення, КПа | модуля деформації, МПа | Сейсмічної жорскості,тис.т/м2с
мінімум | максимум | мінімум | максимум | мінімум | максимум | мінімум | максимум
Супіс-ки | 0,45 | 28 | 30 | 13 | 15 | - | - | 1,0 | 3,5
0,65 | 24 | 27 | 6 | 8 | - | - | 0.3 | 3,4
Суглинки | 0,45 | 24 | 26 | 39 | 40 | 32 | 34 | 1,1 | 3.6
0,65 | 19 | 24 | 25 | 30 | 17 | 22 | 0,4 | 3,4
0,95 | 14 | 20 | 14 | 19 | 6 | 11 | 0,25 | 3,2
Глини | 0,65 | 15 | 20 | 45 | 68 | 21 | 24 | 1,2 | 3,7
0,85 | 12 | 18 | 36 | 47 | 12 | 18 | 0,5 | 3,5
1,05 | 7 | 14 | 12 | 29 | 7 | 12 | 0,2 | 3,3
Табличні дані дають лише орієнтовні середні значення можливих змін показників з вологості. Реально в нещільних глинах і суглинках вони можуть змінюватись на 20 – 30%, в пилуватих пісках – до 10-15%, в біогенних грунтах - ще більше. А сейсмічну жорсткість підтоплення підвищує у 4 – 6 разів, значно посилюючи небезпеку руйнування будівель.
Наведені в табл.2 дані характеризують прямий вплив змін вологості на властивості грунту, але при підтопленні відбувається і посередній, часто більш значний вплив на несучу спроможність основ будівель, за рахунок активізації деформаційних грунтових процесів, що не залежать від ваги будівлі. Просідання, набрякання, тиксотропне розрідження грунтів, зсувні, карстові і суфозійні процеси протікають за рахунок дії води на грунт.
По аналогії з базовими діють розглянуті критерії впливу на стан будівель при інших грунтових процесах складних грунтових умов. Нерівномірні осідання і перемінний коефіцієнт жорсткості визначають осадки будівель на біогенних, слабких грунтів, діють на набрякання грунту, карстові і суфозійні процеси, осідання при дренуванні масиву, зрушення над підземними міськими спорудами, обвалення грунту над підземними техногенними камерами (катакомбами).
У четвертому розділі зміни технічного стану, деформації і ушкодження будівель при діях процесів складних грунтових умов розглянуто з точки зору взаємного впливу надійності будівлі і її основи. В математичній моделі будівлі її надійність оцінюється ресурсом Ф(t,q), що є убуваючою функцією від часу експлуатації t і дії основи q, яка в звичайних грунтових умовах несуттєва (q0). Його максимум (Ф0=1) відповідає часу зведення будівлі (t=0), мінімум Ф=Фmin – часу скінчення строку служби t=Т. Умова нормальної експлуатації:
Ф(t) N + Fн при t0 t Т (4)
де N–розрахункова сумарна зовнішня дія, Fн – функція неруйнування (резерв міцності).
Ресурс будівлі визначають експертною оцінкою стану її найбільш слабких основних складових елементів - фундаментів, несучих стін і конструкцій, що з’єднані послідовно, тому відмова одного з них є відмовою будівлі. Будівлі мають паралельні з ними змінні елементи, вихід яких з ладу їх не руйнує, але утруднює експлуатацію.
У теорії надійності відмову будь-якого об’єкту чисельно характеризує ступінь відмови . При його безумовній повній відмові ступінь відмови: ,=1, при умовно повній: 1, при частковій: 1 0,З. З ресурсом ступені відмови пов’язують співвідношеннями:
=0 при Ф=Ф0 =1, 1 при Ф=Фmin0,3 (5)
У складних ґрунтових умовах ушкодження будівель звичайно відбувається внаслідок розвитку ґрунтових процесів у основах, тому тут їхню надійність має визначати надійність технічної системи будівля - основа. Але взаємодія складових елементів цієї системи аномальна, тому для неї не підходять загальні методи визначення взаємодії складових елементів, що їх застосовують для систем з рівноправними складовими, наприклад конструкції-будівля. Її складові елементи нерівноправні, відмінні за властивостями і за призначенням. Будівля - статично невизначена технічна система, що складається з конструкцій, створює опір стискуючим, зрізаючим і розривним зусиллям. Основа - природне середовище, що заповнює напівпростір під нею, не має кінцевих розмірів, складається з не скріплених або неміцно скріплених часток грунту, на розтягнення не працює, створює помітний опір лише стискуючим, набагато менший – зрізаючим зусиллям.
Будівля в системі домінує, оскільки лише її стан має практичне значення. Однак до її повної відмови призводить не лише повна, але й часткова відмова основи, у формі її деформації без утрати несучої здатності:
б= 1 при ос1, б1 при 1 ос *ос (6)
де б, ос – ступені відмов будівлі і основи, *ос- ступінь основи, небезпечний для будівлі.
Таким чином слабкою ланкою системи є підпорядкований елемент - основа, і її стан більше, ніж стан домінуючої будівлі, визначає надійність системи. Така непроста взаємодія складових елементів унеможливлює визначення надійності системи у загальному вигляді. Існують лише методи визначення її окремих проявів, зокрема залежності ушкоджень будівель від деформацій основ. Існує метод наближеного визначення розкриття тріщин у стінах цегляних будівель по розрахункових деформаціях розтягнень і кривизни основ.
Розкриття тріщин по довжині стіни L залежить від деформації розтягнення будівлі , по висоті – від деформації кривизни k. У першому випадку тріщини рівномірно розкриті, у другому - розкриття змінюється по висоті стіни. При жорстко-крихкому руйнуванні:
D = . L , D = k l h (7)
де D – сумарне розкриття тріщин по довжині стіни, D – його зміни по висоті стіни h.
Умови утворення тріщин у будівлі від горизонтальних деформацій розтягнень грунту через створення напруг розтягнень у фундаменті при його пружних властивостях, такі:
Е при Е q tg
р , = (8)
q tg при Е q tg
де р – опір фундаменту розтягненню, - кут тертя грунту по фундаменту, Е – модуль деформації грунту, q – тиск фундаменту на грунт основи.
Для визначення умов утворення тріщин від деформації кривизни є емпірична формула Г.І.Черного, що враховує межу здатності кладки до розтягнення без тріщин. Вона зв’язує D з вторинною кривизною k* при дії грунтового процесу під час експлуатації будівлі, що призводить до появи тріщин та первинною кривизною k0, після її зведення будівлі:
D = 0,01 A(Bk + k*).l.h (9)
де А,В – безрозмірні коефіцієнти; перший має значення 0,3-0,95, другий – 0,6 – 0,9.
Деформації кривизни будівлі k розраховують по осіданнях торців S1 ,S3 і середини S3:
k = 4 S/ L 2 , S = ( S1 +S3 )/2 – S2 (м) (10)
Для визначення достатності захисних заходів будівель вони поділені на рівні різної придатності до експлуатації, кожному з яких відповідають свої величини ресурсу. Наводимо їх у таблиці 3.
Рівні експлуатаційної придатності будівель залежно від ушкоджень
Таблиця 3
№№ | есурс, від - до | ехнічний стан будівлі | Експлуатаційні обмеження
1 | 0,9 – 1 | Нормальний | немає
2 | 0,7 – 0,9 | Задовільний | немає за умови потрібного ремонту
3 | 0,5 – 0,7 | Незадовільний | експлуатація допустима з обмеженнями
4 | 0,3 – 0,5 | Непридатний до нормальної експлуатації | обмежена експлуатація в виключних випадках
5 | Менше 0,3 | Аварійний | експлуатація неприпустима
Дії деформацій основ визначають згинаючі моменти і напруги у несучих конструкціях будівель, яки значно різняться, залежно від жорсткості будівель та відношення її жорсткості до жорсткості основи. Зі збільшенням жорсткості будівлі згинаючі моменти спочатку інтенсивно зростають, але при значній жорсткості будівлі їхнє зростання припиняється. Напруги у несучих конструкціях найбільші у будівлях кінцевої жорсткості, які звичайно у складних грунтових умовах переважають . Для таких будинків висотою 5 – 9 поверхів розроблені типові захисні заходи. Але негативний вплив деформацій кривизни і розтягнень-стиснень основ найбільш значний на стан таких будинків, а на стан двох-триповерхові будинки і будинки висотою більш 16 поверхів він менший, що має враховуватись при визначенні для них витрат на ці заходи.
Виходячи з цього збільшують або зменшують при розробці заходів захисту будівель від ушкоджень при деформаціях основ за принципами гнучкості і жорсткості. В останньому разі метод захисту може бути інтегральним і диференційованим, і передбачати посилення будівлі разом з основою або ізоляцію його від деформацій основи. Диференційований метод захисту з поділом будівлі на відсіки, більш придатний при великих деформаціях основи.
У п'ятому розділі розглянуто техніко-економічну ефективність захисних заходів в складних грунтових умовах і уточнені методи визначення витрат на них, адекватних ймовірним збиткам. У будівельних нормах ймовірносні методи визначення впливу на стан будівель деформаційних процесів у основах, з урахуванням розсіювання показників властивостей грунтів, розроблені лише для втрат несучої здатності і деформацій основи, тобто для процесів випору і осадки, що можуть виникати в усіх ґрунтових умовах від дії ваги будівлі. У дисертації розроблено аналогічний метод визначення впливу на стан будівель грунтового деформаційного процесу зрушення над гірничою виробкою. Цьому регулярному процесу властива невизначеність результатів впливу на стан будівель.
Розрахункове осідання sp з заданою ймовірністю не перевищення рівня довірчої ймовірності Р визначено введенням в нормативне sн коефіцієнту безпеки по грунту kг:
sр = sн/kг (11)
Останній пов’язаний з показником точності пт визначення нормативного осідання sн , що є добутком від множення коефіцієнта варіації v на коефіцієнт ta, який залежить від Р:
kг = 1/(1 – пт), пт =v ta (12)
Коефіцієнт v дорівнює 0,15 при надійному визначенні висоти виробки у діючій шахті, і 0,25 - коли висоту майбутньої виробки визначають по даних розвідки, ta приймають рівним 1,16, 1,48, 2,01 і 3,36, коли довірча ймовірність Р дорівнює відповідно 0,85, 0,9, 0,95, 0,99.
Довірчі ймовірності, які приймають залежно від очікуваних форм руйнівного процесу наведені у табл. 4.
Довірча ймовірність, залежна від очікуваних форм руйнівного процесу будівель
Таблиця 4
Будівля | Повнота відмови | Ступінь відмови | Форма руйнівного процесу | Довірча ймовірність Р
з великим скупченням людей | повна | б =1 | Раптові обвали конструкцій, небезпечні для людей | 0, 99
звичайна | повна | б =1 | 0,95
унікальна | повна | б 1 | Руйнування, що потребують знесення будівлі | 0, 99
звичайна | повна | б1 | 0,95
звичайна | часткова | б 0,5 | Ушкодження, що потребують ремонту з припиненням експлуатації будівлі | 0,90
звичайна | часткова | б 0,5 | Ушкодження, що усуваються ремонтом без припинення експлуатації будівлі | 0,85
Стохастичні деформаційні процеси складних ґрунтових умов: просадні, карстові, суфозійні, зсувні, крім описаних мають невизначеності другого виду, обумовлені тим, що їх ініціюють такі випадкові події, як замочування лесу, обвалення карстової порожнини і т.і. Тому за строк служби будівлі процес може не початися, і розрахований по максимальному рівню ушкоджень збиток від дій цих процесів майже завжди набагато більше реального. Тому величину його ймовірності треба розраховувати ще з одним знижуючим коефіцієнтом.
Як було зазначено, захисні заходи спочатку повинні забезпечити дуже малу довірчу ймовірність небезпечних для людей раптові обвалень конструкцій, і за цієї умови відповідати мінімуму суми витрати на них і ймовірного збитку від ушкоджень :
+ min (13)
Останнє визначають шляхом порівняння проектних варіантів таких захисних заходів:
-
найдорожчого повного комплексу захисних заходів з мінімумом збитку від ушкоджень;
-
дешевших полегшених захисних заходів, з більшим ймовірним збитком від ушкоджень;
-
зведення будівлі без захисних заходів, з страхуванням від можливих ушкоджень.
Умову (13) визначає співвідношення витрат на захисні заходи і збитків від ушкоджень будівель. Воно для регулярного деформаційного процесу зрушення над виробками визначалось емпірично. Для його визначення використані зібрані автором дані по 44 п’ятиповерховим типовим житловим будинкам кількох міст за 15-17 років. Рівень збитків визначено по вартості відновлювального ремонту. Оскільки за час спостережень рівень цін суттєво змінювався, витрати на конструктивні захисні заходи і на відновлювальний ремонт визначались відносні, як частки від кошторисної вартості будівель . Узагальнені дані по цих будинках наведені в табл.5.
Вартість конструктивних захисних заходів і відновлювального ремонту 44 будівель на
підроблюваних територіях
Таблиця 5
Дані про будівлі | Максимальні деформації | Відносна вартість
Кількість | Стіни будівель | кривизни k.10-4 1/м | розтягнень-стиснень .10-4 | захисних заходів / | відновлюваного ремонту /
11 | цегляні | 0,45 – 0,5 | 1,35 - 1,6 | 0,063 | -
16 | великопанельні | 0,35- 0,4 | 1,05 – 1,3 | 0,056 | -
9 | великопанельні | 0,45- 0,5 | 1,35 - 1,6 | 0,071 | 0,014-0,026
8 | цегляні | 0,4 – 0,45 | 1,2 - 1,45 | - | 0,021-0,042
По цих результатах, доповнених даними з публікацій Я.Й.Бейлінова, М.С.Шувалової та ін., побудовані наведені на рис. 3 графіки залежностей величин збитків внаслідок ушкоджень при підробітках.
(+ )/
0,3
1
3 2 3
0,1 **0,1
2 *0,05
1 А В С
0 0,4(1,2) 1,5(4,5) k10-41/м (.10-3)
Рис.3. Залежності сум збитків і витрат на захисні заходи над виробками: 1–будівлі без захисту (0), 2 – з полегшеними заходами (0,05), 3 – з високонадійними (0,1), А,В,С – області їхніх економічних пріоритетів
Для стохастичних деформаційних процесів аналогічна методика має врахувати також зазначені вище невизначеності другого виду. Для процесу просідання від локального замочування основ були виконані порівняльні розрахунки збитків за детермінованими формулами, за критерієм максимуму ушкоджень, і з урахуванням ймовірності просідання і досягнення певного рівня ушкоджень за строк служби будівлі. Їх виконано для груп з 20 п'ятиповерхових житлових будинків у грунтах 1-го типа просадковості (легких умовах) і 2-го типу (важких умовах). Узагальнені результати зведені у табл. 6.
Витрати на захисні заходи і збитки від ушкоджень при просіданні за строки служби будівель,
в % від їх кошторисної вартості
Таблиця 6
Показники | 1-й тип просадковості | 2-й тип просадковості
Будівлі без захисту | Будівлі з захистом | Різниця | Будівлі без захисту | Будівлі з захистом | Різниця
Детерміновані розрахунки по максимально можливому рівню ушкоджень
Витрати на захист | - | 3 | - | 10
Збитки від ушкоджень | 8 | 1,6 | 100 | 3
всього | 8 | 4,6 | +3,4 | 100 | 13 | +87
Розрахунки з урахуванням ймовірності просідання і ймовірносних рівнів ушкоджень
Витрати на захист | - | 3 | - | 10
Збитки від ушкоджень | 0,312,3 | 00,4 | 9,612,8 | 0 0,75
всього | 0,312,3 | 3(+)3,4 | -1,1 | 9,612,8 | 10(+)10,75 | +2,05
Наведені дані свідчать, що ймовірність виникнення за строк служби будівель процесів, ініційованих випадковими подіями коливається від 0,05 до 0,5, а з урахуванням невизначеностей першого виду ширина довірчого інтервалів ще збільшується. Ймовірність того, що в основі даної будівлі деформацій не буде або вони будуть менші розрахункових - більше 0,7 - 0,8. Таким чином розраховані по детермінованих формулах очікувані збитки для стохастичних процесів завищені значно більше, ніж для регулярних.
Наведені дані також свідчать про потребу ймовірносних розрахунків ефективності різних методів і рівнів захисту будівель у складних грунтових умовах. При малій ймовірності виникнення деформаційних процесів за строк службі будівлі і низькому рівні очікуваних ушкоджень будівлі доцільно зводити без захисних заходів, з страхуванням від можливості ушкоджень. В дисертації обгрунтовані принципи визначення потрібних страхових ставок
У заключенні наведені висновки, зроблені по результатах досліджень.
1.
З метою подальшого розвитку узагальнень С.М.Клепикова впливу на стан будівель деформаційних процесів, що протікають з вертикальним переміщенням грунту, та методу ймовірносних розрахунків цього впливу В.Г.Черного, визначені уніфіковані загальні критерії для оцінок цього впливу при виборі методу захисту будівлі і розрахунків систем будівля – основа в усіх складних грунтових і сейсмічних умовах України. Такими критеріями є:
·
для деформаційних процесів першого типу, які протікають у формі вертикальних переміщень грунту, земної поверхні та будівель (нерівномірні осадки, просадки, набухання) головний критерій, що визначає ступінь руйнації та рівень потрібного захисту – розрахункова деформація кривизни земної поверхні в контурі будівлі, а при розривах функції цих переміщень (у формі просадкових і карстових вирв) – лінійні розміри зон розриву (вирв);
·
для деформаційних процесів другого типу, у яких переважають вертикальні переміщення грунту, земної поверхні та будівель, але їх супроводять менш значні горизонтальні переміщення, функціонально зв’язані з вертикальними (зрушення над гірничими виробками), окрім зазначеного головного, застосовується допоміжній критерій – розрахункові горизонтальні деформації розтягнень-стиснень в контурі будівлі, при певному рівні яких захист має бути посилений;
·
для деформаційних процесів третього типу, з переважно горизонтальними переміщеннями грунту, земної поверхні і будівель (зсувні процеси, зрушення над крутими гірничими виробками), головним критерієм, що визначає ступінь руйнації та рівень потрібного захисту, є розрахункові горизонтальні деформації розтягнень-стиснень у контурі будівлі і при необхідності застосовується допоміжній критерій – розрахункові деформації кривизни у цьому контурі;
·
для динамічних процесів (сейсмічних і вібраційних), головний критерій, що визначає ступінь руйнації і рівень захисту – розрахункові параметри хвиль у грунтах, допоміжній критерій - динамічні властивості грунту основи будівлі, при певному рівні яких захист посилюють.
2.
Відповідність рівнів захисту будівель від величин уніфікованих критеріїв визначено для найбільш поширених типів складних грунтових умов, прийнятих за базові : просадних грунтів, підроблюваних, сейсмічних, а також підтоплюваних територій, а для інших менш поширених складних умов рівні захисту визначаються за тими самими критеріями за аналогією з відповідними базовими. При практичних розрахунках у кожних умовах уніфіковані критерії розраховують по традиційних для цих умов показниках, отриманих при вишукуваннях.
3. За уніфікованими критеріями у складних грунтових умовах здійснюють оцінку дій грунтових процесів на будівлі, визначають ймовірні ушкодження, з метою вибору оптимальних захисних заходів з витратами, адекватними втратам від ушкоджень, зокрема з таких варіантів заходів:
·
високонадійних, ефективних при великих деформаціях у
