ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

ГРАНЬКО ОЛЕНА ВАЛЕРІЇВНА

УДК 624.131.23

Напружено-деформований стан тривало навантажених лесових основ за умовИ їх підтоплення

05.23.02 – Основи і фундаменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полтава 2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор
Винников Юрій Леонідович,
Полтавський національний технічний університет імені
Юрія Кондратюка, професор кафедри видобування нафти і газу та геотехніки |

Офіційні опоненти: | - доктор технічних наук, професор
Петраков Олександр Олександрович,
Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри основ, фундаментів та підземних споруд

- кандидат технічних наук, професор
Корнієнко Микола Васильович,
Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри основ і фундаментів |

Захист дисертації відбудеться 1 квітня 2008 року о 13°° годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою:

36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд. 234.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою:

36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий “27” лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

В.В. Чернявський |

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основами фундаментів будівель і споруд на більшій частині України (до 70%) є лесові просадочні ґрунти. Підтоплення територій, що відзначається останнім часом, суттєво впливає на їх властивості. Експериментальні дослідження доводять, що при замоканні леси знижують свої механічні властивості й переходять у деградований стан.

У той же час через дорожнечу нового будівництва чи його неможливість в умовах щільної міської забудови зростають обсяги реконструкції будівель і споруд. Поширеними стають їх надбудови і перепланування внутрішнього простору, що призводить до зростання навантаження на фундаменти.

Тому актуальність досліджень у цьому напрямку зумовлено:

– необхідністю розв’язувати проблему можливості використання фундаментів у існуючому вигляді при наявності резервів несучої здатності основ чи з їх підсиленням;

– не достатньою вивченістю напружено-деформованого стану (НДС) замоклих лесових основ при тривалому обтисненні під підошвою фундаментів (відсутня як кількісна, так і якісна його оцінка; не визначений вплив підтоплення території на властивості ущільненої зони лесової основи);

– відсутністю методики розрахунку додаткових осідань основ при реконструкції будівель на тривало обтиснених ґрунтах.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає напрямам науково-технічної політики держави в галузі оцінювання технічного стану будівель згідно з Постановами Кабінету Міністрів України №409 від 05.05.1997 р. „Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та мереж”, №1313 від 20.08.2000 р. „Про затвердження програми запобігання і реагування на надзвичайні ситуації технічного і природного характеру на 2000-2005 роки з метою комплексного вирішення проблем захисту населення і територій від надзвичайних ситуацій техногенного і природного характеру і в інтересах безпеки окремої людини, суспільства, національного надбання та навколишнього середовища”, рішенням науково-технічної ради Держбуду України від 16.11.2001 р. №63 „Про досвід НДІБК щодо вирішення науково-технічних проблем обстеження, оцінки технічного стану та підсилення конструкцій і будівель в умовах стислих термінів будівництва та реконструкції”. Робота виконана у розвиток цільової комплексної програми Держкомітету з питань науки і технології №02.01.02/054-93, відповідно до рішень координаційної Ради з питань будівництва, захисту будівель, споруд, територій у складних інженерно-геологічних та сейсмічних умовах України і науково-дослідної тематики кафедри “Видобування нафти і газу та геотехніки” ПолтНТУ.

Мета роботи – оцінювання напружено-деформованого стану замоклих лесових основ фундаментів при їх тривалій експлуатації.

Для досягнення поставленої мети слід вирішити такі задачі:

– експериментально дослідити зміни фізико-механічних властивостей замоклих лесів у зоні впливу фундаментів при їх тривалій експлуатації;

– шляхом чисельного моделювання, в якому використовується пружно-пластична модель ґрунту, методом скінчених елементів (МСЕ) проаналізувати НДС замоклих лесових основ фундаментів при їх тривалій експлуатації;

– розробити інженерну методику розрахунку замоклих лесових основ фундаментів для проектування реконструкції будівель.

Об’єкт дослідження. Замоклі лесові основи, тривало обтиснені фундаментами будівель.

Предмет дослідження. НДС замоклих лесових ґрунтів, що тривалий час обтиснені під підошвою фундаменту.

Методи дослідження. Лоткові дослідження за методикою одночинникового планування експерименту; стандартні лабораторні методи визначення фізико-механічних властивостей ґрунту; методи математичної статистики для обробки результатів експерименту; МСЕ для моделювання НДС основи; геодезичні спостереження за осіданнями будівель, які надбудовують.

Наукова новизна одержаних результатів:

– уперше встановлено, що при реконструкції будівель, за умови підтоплення, слід враховувати додатковий резерв несучої здатності лесової основи в разі її тривалого завантаження при співвідношенні середнього тиску під підошвою фундаменту до розрахункового опору замоклого природного ґрунту більше 0,65;

– шляхом цілеспрямованих експериментів встановлені нові аналітичні залежності підвищення механічних характеристик тривало обтиснених замоклих лесових ґрунтів від співвідношення середнього тиску під підошвою фундаменту до розрахункового опору замоклого природного ґрунту;

– за результатами експериментально-теоретичних досліджень модифіковано деформаційну пружно-пластичну модель ґрунту для підвищення точності оцінювання НДС тривало обтиснених замоклих лесових основ фундаментів за допомогою МСЕ і кроково-ітераційних процедур;

– у межах методу пошарового підсумовування запропоновано нову методику визначення додаткових осідань основ при реконструкції будівель на тривало обтиснених ґрунтах, яка враховує: ущільнення основи під фундаментом; визначення коефіцієнта вz за міцністю ґрунту; змінність модуля деформації ґрунту в усьому діапазоні напруг.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

– розробленні інженерних методів визначення розрахункового опору ґрунту й додаткових осідань основи при реконструкції будівель з урахуванням закономірностей утворення ущільненої зони під підошвою фундаментів й особливостей замоклих лесових ґрунтів;

– розробленні рекомендації щодо проектування реконструкції будівель і споруд на замоклих лесових ґрунтах.

Реалізація роботи. Результати досліджень автора використані при:

– складанні “Рекомендацій з розрахунку замоклих лесових основ фундаментів будівель, які підлягають реконструкції” (до СНиП 2.02.01-83* “Основания зданий и сооружений”)” і ДБН “Основи та фундаменти будинків і споруд”.

– реконструкції 14 об’єктів (7 надбудов, 4 перепрофілізації споруд та ін.) у Полтавській області. Економічний ефект при цьому склав 124800 грн.

Особистий внесок автора. Наведені в роботі результати досліджень отримані автором самостійно. В публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача полягає в: [1, 2, 3, 4, 6] – плануванні та виконанні лоткових і натурних досліджень властивостей замоклих лесових ґрунтів, які тривалий час перебували під тиском; [10, 11, 13] – отриманні кореляційних залежностей коефіцієнтів зростання модуля деформації й питомого зчеплення ґрунту від співвідношення середнього тиску під підошвою фундаменту до розрахункового опору природного лесового ґрунту в замоклому стані; [7, 9] – дослідному обґрунтуванні логарифмічної залежності зростання граничного опору від щільності сухого ґрунту при тривалому обтисненні замоклих лесових суглинків; [5, 13] – розробці та апробації методики розрахунку додаткових осідань основ при реконструкції будівель; [8] – обґрунтуванні модифікації деформаційної пружно-пластичної моделі стосовно тривало обтисненого замоклого лесового ґрунту та її чисельній реалізації МСЕ; [12] – обґрунтуванні геометричних розмірів складових пристрою для відбору зразків грунту з-під підошви фундаменту та їх співвідношень.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертації доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях: міжнародній “Перспективи розвитку сільського будівництва й архітектури на сучасному етапі” (Полтава, листопад 2003 р.); міжнародній “Сучасне будівництво: конструкції, технології, перспективи” (Полтава, травень 2004 р.); 5-й Всеукраїнській „Механіка ґрунтів, геотехніка, фундаментобудування” (Одеса, листопад 2004 р.); „Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, вересень 2006 р.); міжнародній „Проблеми механіки ґрунтів і фундаментобудування в складних ґрунтових умовах” (Уфа, жовтень 2006 р.); міжнародній „Проблеми проектування та будівництва геотехнічних об’єктів в умовах центрально-черноземного регіону Росії” (Ліпецьк, червень 2007 р.); міжнародній „Геотехнічні проблеми ХХІ сторіччя у будівництві будівель та споруд” (Перм, вересень 2007 р.); 56-59 професорсько-викладацького складу та аспірантів ПолтНТУ (2004-2007 р.). У завершеному вигляді дисертація доповідалась на міжнародному семінарі “Сучасні проблеми геотехніки” (Полтава, листопад, 2007 р.) і розширених засіданнях кафедр “Видобування нафти і газу та геотехніки” ПолтНТУ й “Основи та фундаменти ” ОДАБА.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 13 праць (2 без співавторів), у т. ч. 8 статей у фахових виданнях ВАК, отримано патент України №13104 від 15.03.2006 на корисну модель, затверджені й видані „Рекомендації з розрахунку замоклих лесових основ фундаментів будівель, які підлягають реконструкції” (до СНиП 2.02.01-83* “Основания зданий и сооружений).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 190 найменувань на 20 стор., трьох додатків на 51 стор. Вона містить 115 стор. основного тексту, а також 64 рисунки, 32 таблиці. Загальна структура роботи подана на рис. 1.

Рис. 1 Структурна схема роботи

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, наукова новизна й практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі проаналізовані сучасні уявлення про взаємодію замоклих лесових основ з фундаментами при їх тривалій експлуатації та виявлені проблеми їх проектування при реконструкції будівель.

Дослідженнями будівельних властивостей лесових порід займались М.Ю.Абелєв, Ю.М.Абелєв, В.П.Ананьєв, І.П.Бойко, Ю.Й.Великодний, Ф.Г.Габібов, Я.Д.Гільман, В.М.Голубков, М.Н.Гольдштейн, А.Л.Готман, А.О.Григорян, А.М.Дранніков, М.В.Друкований, М.Л.Зоценко, Ю.О.Кірічек, С.М.Клєпіков, М.В.Корнієнко, В.Ф.Краєв, В.І.Крутов, А.К.Ларіонов, М.П.Лисенко, І.М.Литвинов, І.Я.Лучковський, М.М.Маслов, І.В.Матвєєв, М.С.Метелюк, А.С.Моргун, А.А.Мустафаєв, О.О.Петраков, Є.В.Платонов, А.І.Поліщук, В.Ф.Разоренов, А.М.Рижов, І.О.Розенфельд, О.Л.Рубінштейн, С.А.Слюсаренко, Є.А.Сорочан, В.Г.Таранов, Л.М.Тімофєєва, Р.А.Токар, А.С.Трегуб, Ю.Ф.Тугаєнко, М.О.Цитович, Г.І.Черний, В.Г.Черний, Д.М.Шапіро, В.Г.Шаповал, В.Б.Швец, О.В.Школа, В.С.Шокарєв, А.В.Яковлєв, S.Andrei, R.Bally, V.Dumitrescu та ін.

При підтопленні значення механічних і деформативних характеристик лесів зменшуються внаслідок взаємодії ґрунту з водою та прояву просідання. Окремого дослідження потребує НДС деградованих лесових основ будівель, які експлуатують.

Суттєвий вклад у дослідження НДС тривало обтиснених глинистих ґрунтів під фундаментами зробили Ю.Л.Винников, Б.І.Далматов, П.О.Коновалов, М.В.Корнієнко, М.М.Морарескул, О.О.Петраков, А.І.Поліщук, О.В.Савінов, Є.А.Сорочан, В.М.Улицький, Д.М.Шапіро, В.Б.Швець та ін. Встановлено, що внаслідок тривалої експлуатації будівель механічні властивості глинистої основи під підошвою фундаменту покращуються, коли ступінь її обтиснення (співвідношення середнього тиску під підошвою фундаменту р до розрахункового опору природного ґрунту R) р/R?0,7, але для випадків замоклих лесових ґрунтів ці зміни не досліджені. За Г.І.Швецовим під підошвою фундаменту перші 15 років експлуатації будівлі переважає процес ущільнення ґрунтів, а після 20 років починає формуватись нова, більш міцна, структура через „старіння” лесу. Розміри зони ущільнення досягають 0,5b (де b – ширина підошви фундаменту), але не більше 0,5 м.

Виходячи з особливостей визначення підвищуючих коефіцієнтів до розрахункового опору природного ґрунту, методики прогнозу цього показника після тривалого обтиснення фундаментом можливо поділити на п’ять груп. Методики групи 1 враховують вид і вологість ґрунту та час експлуатації будівлі (підходи прості, наочні, але не розглядають можливих осідань фундаментів). Група 2 бере до уваги вид ґрунту, ефект ущільнення основи під фундаментом і частку осідання будівлі за час експлуатації від граничної величини (але ці методики неприйнятні для замоклих лесів). В методиках групи 3 враховуються вологість ґрунту й час експлуатації будівлі (не враховуються зміни вологісного режиму). Група 4 (ДБН В.3.1-1-2002) розглядає ефект ущільнення основи під фундаментом та час його експлуатації (недоліки ті ж, що і в попередньої групи). Методики групи 5 враховують ефект ущільнення основи для прогнозу наведених величин питомого зчеплення с та модуля деформації ґрунту Е (та ці підходи не поширюються на замоклі лесові основи).

Отже, існуючі методики визначення розрахункового опору ущільненої основи внаслідок тривалого обтиснення фундаментом мають обмежену область застосування та потребують удосконалення. Для обґрунтування збільшення навантажень на основу при реконструкції будівель без підсилення фундаментів або зміцнення основ доцільно враховувати: зміну параметрів конструктивної схеми будівлі; первинну нормативну базу проектування; закономірності зміцнення природного та насипного ґрунтів відповідно від тривалого обтиснення під підошвою фундаменту і в результаті самоущільнення тощо.

Відсутня й окрема методика визначення додаткових осідань основ при реконструкції (надбудові). Для вирішення цього питання доцільно за базовий прийняти метод пошарового підсумовування, в якому врахувати: ущільнення основи під фундаментом; визначення коефіцієнта вz за міцністю ґрунту; змінність модуля деформації ґрунту в усьому діапазоні напруг; наведену анізотропію ґрунту.

У розрахунках основ і фундаментів, у т.ч. для задач їх реконструкції, достатню апробацію пройшли програмні комплекси МСЕ, створені І.П.Бойко, О.К.Бугровим, Г.Г.Болдирєвим, Ю.Л.Винниковим, О.Л.Гольдіним, А.В.Гришиним, В.О.Гришиним, О.С.Городецьким, Б.Й.Дідухом, М.М.Дубиною, Ю.К.Зарецьким, С.М.Клепіковим, С.Ф.Клованичем, І.В.Матвєєвим, Ш.Р.Незамутдіновим, Ю.І.Немчиновим, В.М.Ніколаєвським, А.С.Перельмутером, О.О.Петраковим, О.В.Пілягіним, В.С.Прокоповичем, А.С.Сахаровим, С.Б.Уховим, О.Б.Фадєєвим, В.Г.Федоровським, Д.М.Шапіро, В.Г.Шаповалом, S.Alturi, A.Britto, C.Desai, J.Grabe, G.Gudehus, S.Henke, M.Kelm, R.Lewis, R.Merifield, A.Pak й ін.

Практика застосування існуючих програмних комплексів МСЕ до проектування фундаментів з ущільненою основою (в т.ч. від її тривалого обтиснення) показує, що найбільшою проблемою є урахування параметрів зон ґрунту з наведеними характеристиками. Підходи їх урахування в задачах моделювання НДС основ фундаментів доцільно поділити на три групи. Методики групи 1 ураховують зміцнення ґрунту на контакті з фундаментом. Порівняння числових досліджень із натурними показує, що спроби ввести в розрахунки характеристики ущільненого ґрунту призводять до непевних результатів, оскільки після прикладання навантаження швидко починають розвиватись зони пластичних деформацій, відбувається значне випирання ґрунту до верхньої межі напівпоростору. В підсумку отримана картина відрізняється від дійсної. В методиках групи 2 наведені параметри ґрунту навколо фундаментів задають окремим скінченим елементам (СЕ). Проблема методик цієї групи – трудомісткість призначення вихідних характеристик ґрунту в кожному СЕ розрахункової області. Група 3 об’єднує ряд методик моделювання швидкоплинних процесів, в яких розроблена можливість одержання наведених характеристик ґрунту після утворення і роботи в ньому фундаментів.

Сучасні рішення задач МСЕ, у т.ч. для моделювання швидкоплинних процесів, з використанням пружно-пластичних моделей достатньо адекватно відбивають НДС масивів з ущільненням ґрунту при влаштуванні й роботі фундаментів. До проблем моделювання зміцнення замоклих лесових основ від тривалого обтиснення слід віднести: непристосованість методик визначення параметрів моделей як за чинником часу, що відповідав би умовам попереднього навантаження, так і за специфікою замоклих лесів.

Вищевикладене стало основою для постановки мети та задач дисертації.

У другому розділі представлені результати лоткових і натурних досліджень властивостей замоклих лесових ґрунтів, які тривалий час перебували під тиском. Для оцінювання зміни НДС замоклих лесових основ фундаментів при їх тривалому обтисненні досліджені два напрямки: отримання якісного боку впливу на несучу здатність і деформативність замоклих лесових основ тривалого обтиснення (лоткові дослідження); визначення кількісного боку зміцнення замоклих лесових ґрунтів від їх тривалого обтиснення підошвою фундаменту (натурні дослідження).

У лоткових дослідженнях взаємодії замоклого лесового ґрунту з короткочасно і тривало навантаженими моделями жорстких штампів ставилась задача визначення впливу тривалого навантаження на зміну несучої здатності та деформативності ґрунту. Для цього спланований одночинниковий експеримент. При моделюванні використовувалось співвідношення безрозмірних параметрів

, (1)

де dn, dm – діаметр підошви відповідно фундаменту та його моделі. |

Рис. 2 Схема дослідного лотка: 1 – лоток; 2 – реперна рама; 3 – штамп;

4 – навантаження;

5 – прогиноміри | Дослідження взаємодії штампів із замоклими лесовими суглинками проводились у лотку з розмірами 535Ч580Ч555 мм, передня стінка якого виконана з оргскла товщиною 40 мм (рис. 2). Для досліджень використовувався суглинок лесовий порушеної структури, що пошарово укладався до щільності сухого ґрунту (скелету ґрунту) сd від 1,30 до 1,50 г/см3 з коефіцієнтом водонасичення ґрунту Sr=0,80. В експерименті застосовувалися два металеві штампи: круглий у плані – посередині та напівкруглий – біля прозорої стінки. Діаметр штампів – 100 мм. Повторність дослідів 6 (число етапів 5). Загальна кількість дослідів 30.

Перша частина досліджень (умовно, „короткочасне” завантаження штампів) полягала у визначенні несучої здатності (граничного опору) ґрунту Р при постійній швидкості навантаження ДР/Дt=const (20-60 Н/год – для круглого штампу; 10-30 Н/год – для напівкруглого). Друга частина („тривале” завантаження штампів) імітувала три періоди існування будівлі. Перший, будівництво, представлявся навантаженням штампу до величини 80% (0,8Р) від граничної несучої здатності (за даними першої серії досліджень). Другий період, „експлуатація будівлі”, моделювався витримкою навантаження величиною 0,8Р на протязі однієї доби. Третій період, „реконструкція” – наступним довантаженням штампу з початковою швидкістю ДР/Дt=const. За дослідами побудовані графіки залежності осідання штампів S від навантаження на них Р (рис. 3). |

а | б | Рис. 3 Приклади графіків залежності осідання S круглого та напівкруглого в плані штампа від навантаження Р (при сd=1,35 г/см3): а – осідання круглого штампу; б – осідання напівкруглого штампу; 1 – графік залежності осідання від дії навантаження з постійною швидкістю; 2 – графік залежності осідання від дії тривалого навантаження при 0,8Р;

А – момент після витримки ступеня навантаження 1 добу | Внаслідок тривалого обтиснення відбувається зміцнення ґрунту, кінцевий граничний опір зростає. З порівняння графіків осідання „короткочасно” і „тривало” навантажених штампів зроблені узагальнення щодо підвищення граничного опору замоклої лесової основи від тривалого обтиснення її штампами малого діаметру. Для цього визначався коефіцієнт збільшення несучої здатності ґрунту Кр

, (2)

де Рt – граничне навантаження на штамп за режиму „тривалого” завантаження, Н; Р – граничне навантаження на штамп, Н, за „короткочасним” завантаженням.

За цими даними побудовано графік залежності коефіцієнта збільшення несучої здатності основи від щільності сухого ґрунту (рис. 4), що описується логарифмічною функцією (при коефіцієнтах кореляції і варіації )

, (3)

де сd0 = 1 г/см3. |

Рис. 4 Графік залежності

зростання коефіцієнту

несучої здатності основи Кр

від щільності сухого

ґрунту сd

Лотковими дослідженнями взаємодії тривало завантажених штампів із замоклим лесовим суглинком доведено логарифмічний вид залежності збільшення граничного опору основи від щільності сухого ґрунту, але при величині сd?1,60 г/см3 ефект ущільнення й зміцнення ґрунту під штампом стає несуттєвим.

Для кількісної оцінки зміцнення замоклих лесових ґрунтів від тривалого обтиснення проведені натурні дослідження на 18 об’єктах Полтавщини. Вік їх експлуатації, головним чином, від 30 до 50 років. Більшість з них дво- й триповерхові будівлі з цегляними несучими стінами. Фундаменти – стрічкові та стовпчасті з глибиною закладання d = 1,5 – 3,5 м. Ширина стрічкових фундаментів b = 0,95-1,0 м. Основою служили лесові суглинки від твердих до тугопластичних з коефіцієнтом водонасичення Sr ? 0,80.

Рис. 5 Схема відбору зразків ґрунту:

а – вертикальний розріз; б – вид у плані;

1 – стіна будівлі; 2 – фундамент; 3 – шурф;

6 – кількість зразків з одного горизонту | Відбір зразків ґрунту природної структури та з-під підошви фундаменту (рис. 5) виконували із шурфів, пошарово при товщині шару 25-30 см. Переважно кільця мали горизонтальну орієнтацію, та на окремих об’єктах їх відбирали ще й під кутами 45° і 90° до горизонту. Потім у лабораторії за нормативними методиками визначали фізико-механічні властивості ґрунту. Модуль деформації Е досліджували шляхом компресійного ущільнення ґрунту без можливості бічного розширення. Питоме зчеплення с і кут внутрішнього тертя ц визначали в приладах для випробування ґрунту на пряме зрушення.

Аналіз отриманих даних дає можливість стверджувати, що при тривалому обтисненні замоклих лесових основ за умов співвідношення середнього тиску під підошвою фундаменту до розрахункового опору природного замоклого ґрунту р/R?0,65 відбувається зменшення коефіцієнта пористості ґрунту е та збільшення величин його механічних властивостей. Тривале обтиснення основи фундаментом призводить до утворення під його підошвою ущільненої зони, потужність якої не перевищує 0,5b і складає 0,35-0,5 м, в якій в середньому щільність сухого ґрунту підвищується до 6 %, значення питомого зчеплення – на 18%, а модуль деформації Е – на 19%. Значення кута внутрішнього тертя залишається постійним або збільшується на 1-2. За умови р/R<0,65 характеристики тривало обтиснених замоклих лесових ґрунтів практично не змінюються.

За результатами відбору зразків ґрунту під підошвою фундаменту на трьох горизонтах і за трьома напрямками до горизонту б=0°, 45°, 90° побудовані квадранти годографів (рис. 6). З них видно, що при замоканні лесових ґрунтів під фундаментом формується практично ізотропне середовище.

Рис. 6 Квадрант годографу модуля деформації ґрунту Е, МПа:

1 – при відборі ґрунту на глибині 0,25 м під підошвою фундаменту; 2 – теж на глибині 0,50 м; 3 – теж на глибині 0,75 м

Для кожного об’єкта визначали коефіцієнти зростання питомого зчеплення Kс і модуля деформації ґрунту KЕ в зоні під підошвою фундаменту за формулами

Kс = сt / c; (4)

KЕ = Еt / Е, (5)

де сt , Еt – відповідно значення питомого зчеплення й модуля деформації замоклого ґрунту після його тривалого обтиснення підошвою фундаменту; с, Е – ті ж параметри ґрунту в його природному замоклому стані.

Графіки залежності коефіцієнтів Kс і KЕ від співвідношення р/R наведені на рис. 7. |

а | б | Рис. 7 Залежності від співвідношення p/R коефіцієнтів зростання:

а – питомого зчеплення Кс; б – модуля деформації КЕ |

Величини коефіцієнтів зростання питомого зчеплення (при та ) і модуля деформації ґрунту (при ; ) за умови р/R?0,65 пропонується визначати за емпіричними лінійними залежностями

; (6)

. (7)

При проектуванні збільшення навантаження на існуючі фундаменти будівель з часом експлуатації понад 10 років за умови співвідношення р/R?0,65 рекомендується множенням величин питомого зчеплення й модуля деформації природного лесового ґрунту в замоклому стані на коефіцієнти їх зростання отримувати їх величини (ct; Et) після тривалого обтиснення

; (8)

. (9)

Дослідним шляхом доведено, що внаслідок тривалого обтиснення фундаментом відбувається ущільнення ґрунту через зменшення коефіцієнта пористості та його зміцнення за рахунок утворення нових водно-колоїдних зв’язків між частками.

Третій розділ присвячено дослідженню НДС тривало обтиснених замоклих лесових основ за допомогою математичного моделювання. Крім аналітичної методики визначення наведених характеристик ґрунту після тривалого тиску на нього з боку фундаменту, іншим перспективним напрямом є моделювання ущільнення основи від тривалого тиску на них із боку фундаментів будівель, зокрема з використанням МСЕ. Деформаційну пружно-пластичну модель ґрунту, розроблену фахівцями ПолтНТУ для опису ущільнення основ, модифіковано для оцінювання НДС тривало обтиснених замоклих лесових основ фундаментів за допомогою МСЕ і кроково-ітераційних процедур програмним комплексом, орієнтованим на вісесиметричні задачі ущільнення масиву (перший етап моделювання), та наступного додаткового статичного навантаження ґрунту, наприклад, при надбудові (другий етап). При цьому враховується нелінійність процесу ущільнення й роботи ґрунту. Приймається, що після закінчення першого етапу значення наведених фізико-механічних характеристик ґрунту зберігаються. При складному НС загальні деформації включають лінійну та пластичну частини, причому пластична складова виникає після досягнення НС межі міцності відповідно до умови Мізеса-Шлейхера-Боткіна.

Відмінності модифікованої феноменологічної моделі ґрунту стосовно тривало обтиснених замоклих лесових основ полягають у наступному: немає необхідності врахування геометричної нелінійності ущільнення ґрунту на першому етапі моделювання; релаксації напруг у масиві після нього не відбувається, бо тиск на ґрунт від фундаменту зберігається; модель відбиває стан замоклого ґрунту при тривалому статичному тиску на нього (кінцевий тиск на ґрунт не перевищує 0,4 МПа; час витримки кожного ступеня тиску приймають як для умовної стабілізації деформацій 0,01 мм за 24 години; для визначення умови міцності граничні співвідношення дотичної й нормальної напруг для ґрунту досліджують випробуваннями на пряме зрушення у діапазоні нормальних напруг, аналогічному одноосьовому стисненню). Параметри моделі встановлюють інтерпретацією логарифмічною функцією даних випробувань ґрунту на стиснення в режимі, що відповідає експлуатації основ (рис. 8).

, (10)

де , та , – модуль деформації та об’єм ґрунту на початковому та і-му ступені навантаження; – емпіричний коефіцієнт.

Геометрична інтерпретація граничних співвідношень дотичної й нормальної напруг на октаедричних площадках відносно діагоналі простору головних напруг для модифікованої моделі ґрунту являє собою два паралельні конуси, внутрішній з яких відповідає ґрунту природної структури, а зовнішній – ґрунту після тривалого обтиснення (рис. 9). Граничні співвідношення дотичної та нормальної напруг визначають апроксимацією даних прямого зрушення ґрунту лінійною функцією.

Рис. 8 Графік залежності співвідношення значень модулів деформації ґрунту при i-ому ступені навантаження та при початковому ступені навантаження від співвідношення відповідних об’ємів зразка ґрунту |

Рис. 9 Геометрична інтерпретація умови міцності замоклого лесового ґрунту: а – гранична поверхня у просторі; б – проекція граничної поверхні на девіаторну площину; 1 – природний стан ґрунту;

2 – ґрунт після тривалого обтиснення | Описані параметри моделі для оцінювання НДС основ будівель, які підлягають реконструкції, використовуються як вихідні дані в програмному комплексі “PRIZ-Pile”, розробленому С.Ф. Клованічем та Ю.Л. Винниковим. Розрахункова область вісесиметричної задачі – циліндр, отриманий оберненням прямокутної розрахункової зони навколо осі симетрії ОА (рис. 10). Розміри зони встановлюють таким чином (рис. 11): діаметр розрахункової області приймають не менше ніж 10b; за її глибину приймають нижню межу стислої товщі відповідно до СНиП 2.02.01-83*. |

Рис.10 Розрахункова область:

1 – фрагмент членування розрахункової області; 2 – СЕ | Рис. 11 Прямокутна розрахункова зона |

Особливістю використання програмного комплексу, завдяки властивості восьмивузлових ізопараметричних СЕ змінюватися за формою й об’ємом, є можливість визначення наведених характеристик ґрунту від тривалого тиску на

нього з боку фундаменту та його наступного додаткового навантаження відповідно до класу “Робота ґрунту з обмеженою можливістю його бічного витиснення з-під фундаменту”, що дає можливість врахувати зміцнення тривало обтиснутої основи для збільшення на неї тиску, наприклад при надбудові.

Як приклад застосування методики розглянемо моделювання НДС обтиснутої основи фундаменту чотириповерхової будівлі. Глибина закладання фундаменту – м, а половина ширини його підошви м. Несучий шар – суглинок

лесовий, важкий пилуватий, тугопластичний. Його потужність нижче підошви фундаменту – 1,75 м. Підстильний шар – суглинок лесовий, легкий пилуватий, текучопластичний. Його потужність 3,50 м. Нижче залягає суглинок важкий пилуватий, тугопластичний потужністю понад 6 м. Середній тиск під підошвою фундаменту до реконструкції складав кПа. Співвідношення . Осідання фундаменту до надбудови – см. Тиск від ґрунту, розташованого вище підошви фундаменту, умовно замінено розподільним навантаженням q = 40 кПа. Порівняння значення щільності скелету ґрунту (рис. 12, а) та модуля деформації (рис. 12, б), отриманих моделюванням, з даними натурних досліджень дає можливість стверджувати, що використовуючи МСЕ можливо враховувати зміцнення тривало обтиснутої основи фундаментів будівель, оскільки відносна похибка не перевищує 5 %. |

а | бРис. 12 Зміна щільності скелету ґрунту (а) та модуля деформації (б)

за глибиною тривало обтисненої основи під підошвою фундаменту:

1 – експеримент; 2 – моделювання |

У четвертому розділі представлено методику визначення додаткових осідань ґрунту при реконструкції будівель. Шляхами удосконалення розрахунку з використанням методу пошарового підсумовування є:

– урахування зростання величини модуля деформації в ущільненій зоні;

– визначення коефіцієнта, який враховує відсутність поперечного розширення ґрунту в компресійному приладі, вz за міцністю ґрунту

, (11)

де н – коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуассона), який дорівнює

, (12)

де p – вертикальний тиск, що діє під підошвою фундаменту для умов b=0, кПа; цII, cII – відповідно кут внутрішнього тертя (град.) та питоме зчеплення (кПа) для водонасиченого зв’язного ґрунту;

– урахування зміни модуля деформації ґрунту в усьому діапазоні тиску, який сприймає основа при навантаженні.

При реконструкції будівель вирішальним критерієм можливості підвищення навантаження на фундаменти є оцінювання додаткових осіданнь та їх нерівномірності, що розвиваються при реконструкції. Їх необхідно враховувати в залежності від категорії споруди за технічним станом, виходячи з умов:

Sd ? Sd.u; ( Д S/L)d ? (ДS/L)u; іd? іd.u, (13)

де Sd – додаткове осідання від збільшення навантаження на фундамент, см; Sd.u – гранично допустиме осідання будівлі від збільшення навантаження на фундамент, см; (ДS/L)d – розрахунковий перекіс двох сусідніх фундаментів після реконструкції; (ДS/L)u – граничне значення перекосу на ділянці довжиною L; іd – додатковий крен будівлі за розрахунком; іd.u – граничний додатковий крен будівлі.

Для оцінювання додаткових осідань основ будівель, що підлягали реконструкції, виконані розрахунки за методиками: СНиП 2.02.01-83* та її модифікацією. Аналіз їх свідчить, що урахування зміцнення замоклого лесового ґрунту від тривалого тиску під підошвою фундаментів за авторською методикою дозволяє зменшити величину додаткових осідань на 20-40 % порівняно зі СНиП 2.02.01-83*.

Для перевірки модифікованої методики розрахунку додаткових осідань основ будівель при реконструкції проведені геодезичні спостереження за одноповерховою спорудою з підвалом в Полтаві, що надбудовували одним поверхом. Її фундаменти під стіни – стрічкові, залізобетонні, на природній основі, з глибиною закладення 2,4 м. Ширина фундаментів b=0,70 м. За розрахунком осідання основи до реконструкції становило S= 2,74 см, а після неї додаткове осідання замоклої лесової основи за модифікованою методикою повинно було ще скласти Sd=1,19 см.

Для вимірів осідань основи фундаментів на об’єкті реконструкції було вибрано два репери та влаштовано шість деформаційних стінових марок. Геометричне нівелювання відповідало ІІІ класу точності. Відліки знімались п’ять разів, через 19 діб кожний. Після завершення монтажних робіт середнє додаткове осідання становило 0,8 см. Отже, розрахунок додаткових осідань основ будівель модифікованим методом дає задовільну збіжність з даними натурних спостережень.

П’ятий розділ присвячено впровадженню результатів досліджень у практику реконструкції будівель на замоклих лесових ґрунтах. При обстеженні основ будівель, що підлягають реконструкції, доцільно використовувати запатентований автором пристрій для відбору зразків ґрунту з-під підошви фундаменту (Патент України №13104 від 15.03.2006). Він забезпечує якісний відбір зразків ґрунту непорушеної структури в ущільненій зоні, що утворилась під фундаментом. За рахунок цього підвищується точність визначення властивостей ґрунту, що дає змогу збільшити навантаження на фундаменти без їх підсилення.

При збільшенні навантаження на основи при реконструкції будівель, у разі виключення відривання фундаментів без розширень, можливо враховувати сили тертя, що виникають між їх бічною поверхнею й ущільненим не менше, ніж за 10 років під власною вагою ґрунтом зворотної засипки.

T = Aбіч ·t , (14)

де Aбіч – площа бічної поверхні фундаменту, м2; t – питома сила тертя ґрунту за бічною поверхнею фундаменту, кПа

t = гс •(Pg•tgц + K•c), (15)

де гс – коефіцієнт умов роботи (відповідно до СНиП 2.02.03-85, як для бурових паль у замоклому лесовому суглинку гс = 0,80); Pg – тиск ґрунту на бічну поверхню фундаменту, кПа; К= 0,22-0,65 – коефіцієнт, який залежить від показника текучості IL ґрунту при Sr=0,90; с – питоме зчеплення замоклого ґрунту, кПа.

За статистичною обробкою 26 надбудованих об’єктів встановлено, що, за умови збільшення загальної жорсткості будівлі (влаштування суцільних залізобетонних поясів) значення коефіцієнта умов роботи (у формулі (7) СНиП 2.02.01-83*) збільшується на 2-6 %, за рахунок зменшення відношення довжини будівель до їх висоти , збіль-шуючи розрахунковий опір основи на таку ж величину.

Результати досліджень увійшли до “Рекомендацій з розрахунку замоклих лесових основ фундаментів будівель, які підлягають реконструкції” (до СНиП 2.02.01-83* “Основания зданий и сооружений”)”. До їх особливостей, зокрема, слід віднести такі положення:

– ураховані особливості властивостей замоклих лесових ґрунтів природної структури та при тривалому обтисненні;

– розрахунковий опір ґрунту , під підошвою фундаменту визначають за формулою (7) СНиП 2.02.01-83* при наведених величинах питомого зчеплення ґрунту несучого шару, що є лінійною функцією ступеня обтиснення основи , і з урахуванням зміни конструктивної схеми будівлі;

– додаткові осідання основи обчислюють з урахуванням: закономірності зміни величини модуля деформації ґрунту в межах ущільненої зони масиву від його тривалого обтиснення фундаментом; визначення коефіцієнта, що враховує відсутність поперечного розширення ґрунту в компресійному приладі, вz за показниками міцності ґрунту, ущільненого фундаментом; змінності модуля деформації ґрунту в усьому діапазоні тиску, що сприймає основа;

– вирішальним критерієм можливості підвищення навантаження на фундаменти є додаткові осідання та їх нерівномірність при реконструкції. Їх слід враховувати в залежності від категорії споруди за технічним станом.

Практична реалізація роботи здійснена на 14 об’єктах реконструкції (7 надбудов, 4 перепрофілізації споруд та ін.), що засвідчено в довідках про впровадження. Загальний економічний ефект при цьому склав 124800 грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Викладені дослідження свідчать про розв’язання в дисертації наукової задачі з удосконалення розрахунково-теоретичної методики оцінювання напружено-деформованого стану замоклих лесових основ фундаментів при їх тривалій експлуатації. Вони дозволяють зробити наступні висновки.

1. При обтисненні замоклих лесових основ будівлями понад 10 років за співвідношення середнього тиску під підошвою фундаменту до розрахункового опору ґрунту природної структури р/R?0,65 внаслідок зменшення коефіцієнта пористості й виникнення нових водно-колоїдних зв’язків між частками утворюється зона ізотропного ґрунту з підвищеними величинами характеристик, товщина якої не перевищує половини ширини фундаменту і складає 0,35-0,50 м. Доведено логарифмічний вид залежності збільшення граничного опору основи від щільності сухого ґрунту, але при величині сd?1,60 г/см3 ефект ущільнення й зміцнення ґрунту під фундаментом стає несуттєвим.

2. Вперше рекомендовано при проектуванні збільшення навантаження на існуючі фундаменти будівель з часом експлуатації понад 10 років за умови співвідношення р/R?0,65 множенням величин модуля деформації й питомого зчеплення природного лесового ґрунту в замоклому стані на коефіцієнти їх зростання, що є лінійними функціями від співвідношення р/R, враховувати їх величини після тривалого обтиснення. Значення кута внутрішього тертя ґрунту обтисненої основи постійне чи збільшується на 1-2.

3. Для оцінювання НДС тривало обтиснених замоклих лесових основ фундаментів за допомогою МСЕ і кроково-ітераційних процедур модифіковано деформаційну пружно-пластичну модель, відмінності якої від прототипу наступні: немає необхідності врахування геометричної нелінійності ущільнення ґрунту на етапі влаштування фундаменту та зведення будівлі; релаксації напруг у масиві після нього не відбувається; модель відбиває стан замоклого ґрунту при тривалому статичному тиску на нього; геометрична інтерпретація граничних співвідношень дотичної й нормальної напруг на октаедричних площадках відносно діагоналі простору головних напруг являє собою два паралельні конуси, внутрішній з яких відповідає ґрунту природної структури, а зовнішній – ґрунту після тривалого обтиснення. Параметри моделі встановлюють інтерпретацією логарифмічною функцією даних випробувань ґрунту на стиснення у режимі, що відповідає експлуатації основ, а граничні співвідношення дотичної і нормальної напруг – апроксимацією даних прямого зрушення ґрунту лінійною функцією.

4. Для прогнозу зміцнення тривало обтиснених замоклих лесових ґрунтів і збільшення тиску на них доведено можливість підвищення точності оцінювання НДС таких основ у межах рішення вісесиметричної задачі МСЕ відповідно до розрахункових схем класу “Робота ґрунту з обмеженою можливістю його бічного витиснення з-під фундаменту”. В області під підошвою фундаменту змодельовані значення модуля деформації та щільності скелету ґрунту дещо менші за дані натурного експерименту, а нижче ущільненої зони – навпаки.

5. Запропоновано нову методику визначення додаткових осідань основ при реконструкції будівель на тривало обтиснених замоклих лесових ґрунтах, яка дозволяє зменшити приріст значень осідань основи при надбудові до 40% порівняно з нормативною методикою. Вона базується на методі пошарового підсумовування та враховує: закономірності зміцнення основи під фундаментом; визначення коефіцієнта вz, що бере до уваги відсутність поперечного розширення ґрунту в компресійному приладі, за його міцністю; змінність модуля деформації в усьому діапазоні напруг, який сприймає основа. Геодезичні спостереження за об’єктами надбудов, показали, що розрахунок їх додаткових осідань за цією методикою дає задовільну збіжність з даними нівелювання.

6. Результати досліджень реалізовані у вигляді “Рекомендацій з розрахунку замоклих лесових основ фундаментів будівель, які підлягають реконструкції”, що містять методику визначення розрахункового опору ґрунту й додаткових осідань основи при реконструкції будівель з урахуванням закономірностей утворення ущільненої зони під підошвою фундаментів й особливостей замоклих лесових ґрунтів, зміни параметрів існуючої конструктивної схеми споруди тощо, та на 14 об’єктах реконструкції (7 надбудов, 4 перепрофілізації споруд та ін.). Економічний ефект при цьому склав близько 124800 грн.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Яковлєв А.В., Винников Ю.Л., Гранько О.В. Використання існуючих основ та фундаментів при реконструкції будівель і споруд// Зб. наук. праць (галузеве машинобуд., буд-во)/ Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка. – Полтава: ПолтНТУ, 2003. – Вип. 13. – С. 93-95.

2. Дослідження наведених параметрів лесових основ при їх тривалому обтисненні/ Ю.Л. Винников, А.В. Яковлєв, О.В. Гранько, В.А. Титаренко// Будівельні конструкції: Міжвід. наук.-техн. зб. Вип. 61. – Т. 1. – К.: НДІБК, 2004. – С. 33-36.

3. Винников Ю.Л., Гранько О.В. Натурні дослідження тривало обтиснених замочених лесових основ фундаментів будівель// Зб. наук. праць (галузеве машинобуд., буд-во)/ Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка. – Полтава: ПолтНТУ, 2004. – Вип. 14.