МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Лучковський Ілля Якович

УДК 624.012 : 624.1

РОЗРАХУНОК ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

ТА СПОРУД З УРАХУВАННЯМ НЕЛІНІЙНОСТІ

ЇХ ВЗАІЄМОДІЇ З ОСНОВОЮ

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2000

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Харківському Промбуд НДІпроекті та Харківському

державному технічному університеті будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Барашиков Арнольд Якович,

завідуючий кафедрою залізобетонних та

кам'яних конструкцій Київського

національного університету будівництва

та архітектури

доктор технічних наук, професор

Чихладзе Елгуджа Давидович,

завідуючий кафедрою будівельної

механіки Харківської державної

академії залізничного транспорту

доктор технічних наук, професор

Фомиця Леонід Миколайович,

завідуючий кафедрою будівельних

коснтрукцій Сумського державного

аграрного університету

Ведуча організація: Харківська державна академія міського

господарства Міністерства освіти і науки

України

Захист відбудеться 27 лютого 2001 р. о 14 годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському

державному технічному університеті будівництва та архітектури

Міністерства освіти і науки України за адресою 61002, м. Харків, вул.

Сумська, 40.

З дисертацією можна ознаймитися у бібліотеці Харківського

державного технічног університету будівництва та архітектури за адресою:

61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий 22 січня2001р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Ємельяненко М.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку з інтенсивним освоєнням підземного простору великих міст і промислових комплексів обсяги будівництва заглиблених залізобетонних споруд в нашій країні і за кордоном істотно зростають.

Насосні станції, колектори і комунікаційні тунелі, підземні гаражі і технічні підвали, підпірні стіни і шпунтові огорожі, фундаменти установок безперервного розливання сталі і полегшені фундаменти під обладнання - ось лише неповний перелік сучасних підземних інженерних споруд і споруд промислових підприємств.

Різноманітність типів заглиблених, в основному, залізобетонних, споруд, видів грунтів і силових впливів настільки велика, що далеко не всі проблеми розрахунку і проектування цих конструкцій вирішені сьогодні на належному рівні. Крім того, в останні роки з'явилися вдосконалені технології будівництва підземних конструкцій і споруд із застосуванням тиксотропної сорочки і антифрикційних покрить, електроосмосу, підрощування, продавлювання і т. п.

Існуючі методи розрахунку і діючі нормативні документи містять ряд наближених положень, які в одних випадках приводять до перевитрати матеріалів, а в інших - до переоцінки несучої здатності конструкцій, що може провокувати аварійні ситуації. У нормах строго не відображено реальну взаємодію споруд з грунтовим масивом. Наприклад, не враховується, що контактний тиск, що передається на підземні конструкції, трансформується в процесі навантаження, оскільки нелінійно залежить від характеру деформування споруд і інтенсивності зовнішніх навантажень.

Вказані обставини обумовлюють необхідність проведення комплексних теоретичних і експериментальних досліджень для створення нових науково обгрунтованих методів розрахунку конструкцій і споруд, взаємодіючих з основою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконувалася за цільовою програмою 0.55.035 а-6*, що пов'язана із створенням нормативної бази будівництва опускних колодязів, технічних підвалів, тунелів і інших споруд промислових підприємств, а також за галузевою програмою 0.55.01.121 "Розробити і впровадити прогресивні способи будівельного забезпечення реконструкції і технічного переозброєння промислових підприємств", в рамках якої виконувалися теми за наступними основними розділами: 06-333 - технічна документація по захисних конструкціях котлованів; 02.02.01.СС10 - здійснити впровадження в практику будівництва розроблених технічних рішень і методів розрахунку заглиблених споруд і фундаментів технологічного обладнання; 01.03с - розробити нормативні документи по реконструкції будинків і споруд.

Автор був керівником і відповідальним виконавцем ряду бюджетних НДР, що стали базовими в підготовці дисертації (№№ГР: 7001859, 74058812, 75041555, 77067468, 79017752, 81057885, 0850080129, 01830058487, 01830058494, 01840057994, 01850049661, 01880050569 та інш.).

Мета роботи полягає в створенні і впровадженні ефективних залізобетонних конструкцій і споруд, взаємодіючих з основою, розробці відповідних нелінійних моделей систем "основа - споруда" і реалізуючих їх методів розрахунку.

Задачі досліджень:

·

· створення моделей основи з близькою до натурних умов розподільною здатністю;

· встановлення закономірностей нелінійного розподілу горизонтального тиску грунтового середовища на конструкції підземних споруд за наявності місцевих навантажень на поверхні;

· розробка методів розрахунку заглиблених залізобетонних конструкцій і споруд за різних режимів навантаження з урахуванням нелінійного деформування бетону і грунту, а також нелінійності взаємодії конструкцій з основою;

· створення нових ефективних конструкцій залізобетонних підземних споруд;

· проведення натурних і теоретичних досліджень розподілу тимчасових технологічних навантажень на перекриттях технічних поверхів і підвалів;

· встановлення впливу технології будівництва залізобетонних підземних споруд на розподіл зусиль їх взаємодії з навколишнім масивом;

· розробка і впровадження в нормативно-інструктивні документи практичних методів розрахунку заглиблених залізобетонних конструкцій і споруд: підпірних стін, підвалів, тунелів, колодязів, що споруджуються підрощуванням і опускним способом, горизонтально навантажених паль та інш.;

· впровадження результатів роботи в практику проектування, будівництва і реконструкції.

Об'єкт дослідження - заглиблені залізобетонні конструкції і споруди промислових підприємств і цивільного будівництва.

Предметом дослідження є напружено-деформований стан (НДС) конструктивних елементів споруд, його оцінка з урахуванням особливостей їх нелінійної взаємодії з основою на стадіях будівництва та експлуатації.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження засновані на аналітичних та чисельних методах теорії пружності, нелінійної теорії залізобетону і теорії граничної рівноваги сипучого середовища; на розроблених методах рішення диференційних рівнянь вигину залізобетонних елементів, що враховують фізичну нелінійність залізобетону і основи; на використанні програмних комплексів "Ліра" та інш. Експериментальні, в тому числі, натурні дослідження базуються на використанні спеціально створених установок, навантажувальних пристроїв і сучасної вимірювальної апаратури, з обробкою результатів методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

·

· знайдено нелінійний зв'язок між горизонтальним тиском грунтового масиву на підземні споруди, інтенсивністю місцевого навантаження на поверхні і шириною площадки навантаження; встановлено наявність чотирьох характерних зон активного тиску грунту за висотою захисних конструкцій;

· створено новий метод визначення еквівалентних технологічних навантажень на перекриття технічних поверхів і підвалів, що враховує прийняте конструктивне рішення споруди і найневигідніше угрупування обладнання і матеріалів, що складуються;

· розроблено методику розрахунку технічних поверхів як системи "основа – фундамент - надфундаментна будівля" з урахуванням запропонованих моделей основи і здійснено її експериментальну перевірку на великомасштабних залізобетонних плитно-стоякових конструкціях;

· запропоновано метод "фіктивних початкових параметрів", що дозволив створити методики розрахунку залізобетонних горизонтально навантажених паль і пальових ростверків, технічних підвалів, тунелів, анкерних паль і т.п., що враховують тріщиноутворення і нелінійність деформування бетону і грунтового масиву;

· розроблено методику розрахунку міцності залізобетонних згинальних елементів, в тому числі горизонтально навантажених паль, по похилих перерізах; запропоновано залежність, яка дає достовірні значення поперечної сили, що сприймається бетоном, за будь-яких величин проекції похилої тріщини;

· запропоновано новий спосіб алгебраїзації нелінійних реологічних рівнянь теорії повзучості бетону і грунту;

· експериментально доведено можливість застосування рівнянь теорії повзучості до опису деформацій основи при багаторазовому статичному навантаженні; отримано рішення для опису НДС горизонтально навантажених залізобетонних паль при циклічних впливах;

· встановлено, що при одночасному прояві повзучості матеріалів конструкції та основи існує "критичний час навантаження", при якому може виникнути несприятливий саме для конструкції розподіл внутрішніх зусиль;

· отримано закономірності взаємодії підземних споруд з основою, що враховують особливості технології їх зведення та експлуатації;

· розроблено нові патентозахищені конструктивні рішення опускних споруд (а.с.1201412; 1222762; 1265248; 1395768; 1599476 та інш.), тунелів (а.с.1057629), стиків збірних залізобетонних панелей клодязів (а.с.996659), підпірних стін (а.с.1303672; 1571141 та інш.), фундаментів обладнання (а.с.1465494; 1738169 та інш.).

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені методи розрахунку, які дозволяють враховувати близьку до реальних умов взаємодію конструкцій і споруд з грунтовою основою, встановлювати достовірні значення тимчасових технологічних навантажень і прогнозувати деформації і зусилля при тривалій дії постійних і змінних навантажень, відкривають можливість раціонального проектування підземних залізобетонних конструкцій і споруд.

Основні результати, отримані в роботі, використано при створенні наступних нормативних документів, одним з розробників яких є автор цієї дисертації: СНиП 2.09.03-85 "Сооружения промышленных предприятий"; СНиП 2.02.03-85 "Свайные фундаменты"; "Руководство по проектированию свайных фундаментов"; ВСН 1-83/МЧМ СССР "Нормы определения временных технологических нагрузок на перекрытия подвалов, технических этажей и междуэтажные перекрытия производственных зданий металлургических производств"; Руководство по проектированию фундаментов оборудования и сооружений подземного хозяйства прокатных и трубных цехов; Рекомендации по проектированию фундаментов под технологическое оборудование, возводимых в условиях реконструкции; Рекомендации по расчету свай на горизонтальную нагрузку в связных и несвязных грунтах с учетом образования зоны предельного равновесия; Рекомендации по расчету свай на горизонтальные нагрузки в просадочных грунтах; Рекомендации по проектированию подпорных стен, подвергающихся воздействию высоких температур; Рекомендации по проектированию опускных колодцев с учетом особенностей конструктивных решений и нагрузок, определяемых условиями реконструкции; Рекомендации по проектированию тоннелей мелкого заложения, возводимых методом продавливания; Рекомендации по усилению железобетонных конструкций зданий и сооружений реконструируемых предприятий; Методические рекомендации по проектированию свайных опор под технологические трубопроводы; Методические рекомендации по проектированию в условиях реконструкции заглубленных сооружений, возводимых способом подращивания; Пособие по проектированию "Расчет плит с прямоугольными отверстиями".

Особистий внесок здобувача.

- розроблено модель грунтового середовища у вигляді шару кінцевої ширини, що лінійно деформується, і показано, що ширина шару, як і його товщина, нелінійно залежить від інтенсивності зовнішнього навантаження і розмірів площадки навантаження; запропоновано нові моделі основи обмеженої розподільної здатності, що дозволяють враховувати неоднорідність грунтового нашарування;

- знайдено закономірності розподілу горизонтального тиску грунту на підпірні стіни та інші підземні конструкції, і доведено неправомірність принципу незалежності дії місцевого навантаження на поверхні, ваги грунту і зчеплення, що традиційно використовується;

- створено спеціальні дослідні установки і проведено експериментальні дослідження характеру роботи залізобетонних конструкцій, взаємодіючих з основою;

- створено нові ефективні конструкції підземних споруд, що занурюються при будівництві і реконструкції способами опускного колодязя, підрощування, продавлювання, стіна в грунті та інш.;

- розроблено методики розрахунку технічних підвалів, тунелів, горизонтально навантажених залізобетонних паль, опускних споруд та інше з урахуванням нелінійної взаємодії їх з основою;

- запропоновано методи рішення диференційних рівнянь із змінними коефіцієнтами і систем алгебраїчних рівнянь із стрічковими матрицями, що спрощують розрахунок залізобетонних конструкцій, взаємодіючих з основою, що нелінійно деформується;

- створено диференційований метод визначення еквівалентних технологічних навантажень на конструктивні елементи технічних поверхів і підвалів; проведено тривалі спостереження за реальним розподілом технологічних навантажень на підприємствах металургійної та автотракторної промисловості;

- встановлено взаємозв'язок навантажень, що передаються через грунт на залізобетонні конструкції, з технологією зведення підземних споруд;

- запропоновано чотирьохпараметровий зв'язок між поперечною силою, що сприймається бетоном залізобетонних елементів, що згинаються, і величиною проекції похилої тріщини;

- отримано нові форми алгебраїчного запису реологічних рівнянь деформування матеріалів при тривалому їх навантаженні, в тому числі зусиллями, що циклічно повторюються;

- розроблено ряд нормативно-інструктивних документів;

Випробування результатів досліджень. Основні результати дисертації докладалися і обговорювалися на науково-технічних конференціях Харківського, Донецького, Ленінградського ПромбудНДІпроектів (1970 - 1995 р.р.); Республіканських конференціях: Повышение качества и снижение материалоемкости строительных конструкций и изделий (Киев, 1974); Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження (Київ, 1999); Всесоюзних семінарах: Новые нормы расчета строительных конструкций (Москва, 1974), Устройство фундаментов и заглубленных сооружений в условиях реконструкции действующих предприятий и стесненных условий строительства (Ленинград, 1983), Передовой опыт организации труда при возведении сооружений нулевого цикла индустриальными методами (Старый Оскол, 1984), Изучение и обобщение опыта проектирования и строительства на шлаках (Магнитогорск, 1990), Современные методы устройства оснований и фундаментов (Челябинск, 1990); Всесоюзних конференціях: Повышение эффективности и качества бетона и железобетона (Харьков, 1977), Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений (Ленинград, 1985), Современные проблемы нелинейной механики грунтов (Челябинск, 1985); Міжнародных конференціях: VII Дунайско-Европейской конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Кишинев, 1983), IX JCSMFE. The effect of Horizontal Loads on Piles due to surcharge or seismic Effects. Proс. of the Sp. session 10. (Tokyo, 1977); Soils under Cyclic and Transient Loading (Swansea, 1980).

За участь у розробці нових технічних рішень фундаментів під технологічне обладнання автора нагороджено срібною медаллю ВДНГ СРСР (1980 р.), за розробку фундаментів захисних паль промпорту в м. Череповці нагороджено бронзовою медаллю ВДНГ СРСР (1983 р.), за проект реконструкції пресово-заготовчого цеху ХТЗ - дипломом ВДНГ України (1986 р.).

Нові методики розрахунку і технічні рішення впроваджено в типове проектування, робочі проекти і будівництво ряду вітчизняних і зарубіжних об'єктів: Харківські заводи ім. Малишева, "Поршень", ХТЗ; Лозівський ковальсько-механічний завод; Донецький, Ждановський і Запорізький металургійні заводи; Купў?янський ливарний завод та інші заводи України; металургійні комбінати Росії в Магнітогорську, Череповці, Іжорі, Старому Осколі, Москві; металургійні заводи ім. Хосе Марті (Куба), в Аджаокута (Нігерія), Креміковцях (Болгарія), Карачі (Пакистан), Бхілаї (Індія), трубний завод в м. Сетемврі (Болгарія).

Публікації. Основні результати роботи викладено в монографії, 49 опублікованих статтях і більше 30 авторських свідоцтвах. Крім того, частину отриманих результатів викладено в розділах вказаних вище “СНиП”, “Руководств”, “ВСН” та “Рекомендаций”.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, десяти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 263 найменувань і додатку. Робота містить 421 сторінку, в тому числі 285 сторінок основного тексту, 101 малюнок і 43 таблиці на 96 сторінках, 26 сторінок бібліографії і 14 сторінок додатку.

Автор висловлює вдячність своєму науковому консультанту, доктору технічних наук, професору О.Л. Шагіну за допомогу в підготовці дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Стан проблеми. Рішенню різноманітних задач взаємодії конструкцій і споруд з основою присвячено значне число досліджень вітчизняних і зарубіжних вчених: В.А. Баженова, І.П.Бойка, Є. Вінклера, Л.П. Винокурова, В.З. Власова, М.І. Горбунова-Посадова, М.Н. Гольдштейна, О.С. Григор'єва, Г.Д. Дутова, К.Є. Єгорова, Б.М. Жемочкіна, С.М. Клепикова, П.О. Коновалова, О.М. Крилова, М.М. Леонтьєва, Т.О. Малікової, І.В. Матвеєва, П.Л. Пастернака, О.О. Петракова, І.К., Самаріна, О.П., Синицина, Є.А. Сорочана, О.Н.Тетіора, М.М. Філоненко-Бородича, К. Хаясі, В.Б. Швеця, О.Я. Шехтер та інш.

У роботі проаналізовано однопараметрові, двопараметрові і комбіновані моделі основи. При цьому показано, що більшість моделей є чисто контактними і не дають можливості виявити НДС основи. Цими можливостями володіють лише моделі безперервного середовища: напівпростір, півплощина і шар кінцевої товщини. Однак питання про розподіл горизонтального тиску на підземні споруди та захисні конструкції і до цього часу залишається невирішеним. Це привело до того, що для багатьох підземних споруд не розроблено обгрунтовані методи їх розрахунку.

Теорія розрахунку заглиблених у грунт споруд пройшла в своєму розвитку декілька принципово відмінних етапів. Якщо перші розрахункові схеми розглядали грунтовий масив тільки як навантаження, то сучасні методи враховують жорсткісні властивості грунту, що стримує деформації споруд при навантаженні. Стосовно до підпірних стін, тунелів дрібного закладення і опускних колодязів такі методи розроблялися О.М.Алмазовим, А.І.Байцуром, М.І.Безуховим, В.Г.Березанцевим, Б.В.Бобриковим, М.М.Варгіним, В.П.Волковим, Г.І.Глушковим, М.М.Глотовим, С.С.Давидовим, В.О.Івахнюком, Г.К.Клейном, В.П.Кожушком, Т.О.Маліковою, М.С.Метелюком, І.П.Прокоф'євим, В.Ф.Раюком, Г.Р.Розенвассером, А.Я.Серебро, К.С.Силіним, В.В.Синельниковим, М.І.Смородіновим, К.Терцагі, О.М.Туголуковим, Л.А.Четверніним, Г.Ф.Шишком, Ф.М.Шихієвим, І.В.Яропольським та інш.

Встановлено, що горизонтальний тиск на підпірні стіни і підземні споруди залежить від напряму деформування конструкцій. Рядом вчених виявлено також ефект загасання тиску грунту по глибині споруд обмежених розмірів, що дозволяє істотно знизити вагу опускних колодязів. Однак при наявності на поверхні місцевих розподілених навантажень задача визначення тиску грунту на підземні споруди надзвичайно ускладнюється, що вимагає нових, ефективних підходів до її рішення.

В останні роки намітилася тенденція переходу на пальові фундаменти для широкого класу споруд, у тому числі і для випадків їх роботи на горизонтальні впливи. Значний внесок в дослідження цих конструкцій внесли вітчизняні і зарубіжні вчені: Р. Бенержі, М.І.Горбунов-Посадов, К.С.Заврієв, М.Л.Зоценко, А.С.Кананян, О.В.Карасьов, Б.Клосинські, Л.Ш.Лундін, М.С.Метелюк, В.В.Миронов, А.А.Мустафаєв, Г. Поулос, Д.А.Романов, Р.Содж, О.С.Строганов, В.Селліван, І.В.Урбан, В.Б.Швець, Г. Ф.Шишко, Г. С.Шпіро та інш. Перші дослідники розглядали грунт як пружне середовище, що не дозволило встановити реальну деформативність і несучу здатність горизонтально навантажених паль. Однак подальші дослідження виявили необхідність урахування пружно-пластичних властивостей основи, що приводять до утворення зони граничної рівноваги грунту поблизу поверхні. Встановлено також істотний вплив на деформативність і несучу здатність паль циклічних горизонтальних навантажень. Однак теоретичні дослідження цієї проблеми практично відсутні.

У зв'язку з тим, що в роботі досліджуються залізобетонні конструкції, особливу увагу було приділено проблемі перерозподілу зусиль, що викликаються тріщиноутворенням, нелінійністю деформування і повзучістю бетону. Проаналізовано сучасні підходи до урахування перелічених чинників, запропоновані М.М.Акуленком, В.М.Бондаренком, Є.Гіуріані, О.О.Диховичним, М.І.Карпенком, С.М.Клепиковим, М.С.Метелюком, Я.М.Немировським, Е.А.Неустроєвим, Е.Д.Чихладзе, О.Л.Шагіним та інш., що дозволяють отримати зв'язок між жорсткістю елемента, що згинається, і діючим моментом. Крім того, дано аналіз основних результатів експериментальних досліджень роботи залізобетонних фундаментів, що виявили істотний вплив тріщиноутворення на трансформацію епюри контактного тиску.

Проаналізовано також вплив тривалого постійного і циклічного навантаження на роботу конструкцій, що контактують з основою. Експериментальні дослідження Ю.М.Васильєва, Р.Велха, Г.І.Глушкова, Т.Дітріха, В.М.Ієвлєва, С.Карлоса, В.Кокса, А.М.Латишенкова, В.В.Миронова, Л.Різа, Е.А.Сорочана, О.Б.Фіамського, М.Я.Хархути, В.П.Шумовського показали, що при навантаженнях, що повторюються, відбувається накопичення незворотних деформацій основи аналогічно процесу повзучості, дослідженому в роботах Н.Х.Арутюняна, А.Я.Барашикова, В.М.Веселовського, С.С.Вялова, М.Н.Гольдштейна, Ю.К.Зарецького, М.Ф.Какосіміді, М.М.Маслова, М.С.Метелюка, Г.Ф.Пеньковського, І.Є.Прокоповича, О.Р.Ржаніцина, В.А.Флоріна, Л.М.Фомиці та інш.

Показано, що спрощення рішення багатьох задач взаємодії конструкцій з основою досягається за рахунок алгебраїзації реологічних рівнянь у формі, запропонованій А.Я.Барашиковим, В.М.Бондаренком, О.Б.Голишевим, Я.Д.Лівшицем, Р.А.Мельником, І.І.Улицьким, С.Є.Фрайфельдом та інш.

Проведений аналіз дозволив виявити ряд процесів, що впливають істотним чином на нелінійність взаємодії заглиблених споруд з основою, однак, залишаються мало дослідженими:

·

· нелінійний зв'язок горизонтального тиску грунту з інтенсивністю місцевого навантаження на поверхні основи, викликаний обмеженістю площадки навантаження або обмеженістю розмірів споруди в плані;

· нелінійна зміна деформацій і контактних напружень в процесі навантаження конструкцій за рахунок збільшення глибини товщі, що стискається;

Внаслідок виконаного аналізу визначено і сформульовано основні задачі дисертаційної роботи, пов'язані з урахуванням нелінійності взаємодії залізобетонних конструкцій і споруд з основою. При цьому під нелінійністю взаємодії вважають: залежність глибини і ширини шару, що деформується, від інтенсивності зовнішнього навантаження і розмірів площадки навантаження; неможливість застосування принципу незалежності дії навантаження, ваги грунту і зчеплення; залежність зусиль взаємодії підземних споруд з грунтом від співвідношення ширини і глибини споруд, особливо при вузьких конструкціях; зміна тиску грунту, що викликається горизонтальними зміщеннями конструкцій; виявлення нелінійних і реологічних властивостей залізобетону і грунту при різних режимах навантаження та інш.

У другому розділі представлено теоретичні дослідження запропонованих у справжній роботі моделей основи, взаємодіючої з надземними і підземними спорудами, реакція якої є впливом на конструкції.

У разі плоскої задачі грунтовий масив моделюється шаром кінцевої ширини, що лінійно деформується, зў?єднаним податливими зв'язками з навколишнім масивом (рис. 1). На основі проведених натурних досліджень приймається лінійний закон зміни жорсткості зв'язків по глибині шару

Сz = С0 + Кz. (1)

Змішана задача теорії пружності вирішується для умов плоскої деформації. Встановлено, що для реальних грунтів вертикальна межа шару може вважатися такою, що не зміщується в горизонтальному напрямі, а співвідношення l/h для фундаментів шириною менше за 2а Ј 20 м знаходиться в діапазоні 1 Ј l/h Ј 2. Тоді нормальні відносні напруги , та осадки шару Sx можуть бути представлені у вигляді

(2)

де ; ; ; ;

; (3)

; (4)

(5)

- нова спеціальна функція (рис.2), що виражається через інтеграли

Клаузена Cl2.

Встановлено, що ширина шару, як і його товщина, нелінійно залежить від розмірів вантажньої площадки та інтенсивності зовнішнього навантаження. Показано, що при вузьких площадках навантаження отримане рішення повністю співпадає з відомим рішенням задачі Мітчела. При широких же площадках рішення (2) дає іншу картину НДС шару, що відображає реальні граничні умови.

Для рішення просторових контактних задач запропоновано дискретні моделі основи обмеженої розподільної здатності (а.с. 1141159; 1270611 ), що дозволяють моделювати реальну неоднорідність грунтів по глибині і простяганню, а також близьку до реальної розподільну здатність основи. Отримана при цьому залежність для визначення переміщень точок поверхні основи відрізняється простотою. Наприклад, для пў?ятиярусної плоскої моделі із змінною по глибині жорсткістю ярусів Сi при дії зосередженого навантаження Р на поверхні (рис. 3) отримано

(6)

Залежності для переміщень поверхні моделі з меншим числом ярусів n Ј 5 виходять з формул (6) при підстановці в них Сn+1=Ґ. Одноярусна модель перетворюється в модель Вінклера. Ширина зони деформування поверхні основи r0 за межами вантажної площадки не залежить в цій моделі від характеру зовнішнього навантаження і визначається кількістю ярусів n і кроком податливих елементів стиснення l:

r0 = ln.

У розділі розглянуто різні варіанти використання дискретної моделі при взаємному впливі близько розташованих споруд, будівель і фундаментів, а також при визначенні деформацій неоднорідних основ великих промислових комплексів. Спрощення рішення багатьох задач досягається за рахунок представлення рішення у вигляді систем алгебраїчних рівнянь зі стрічковими матрицями.

У третьому розділі досліджено закономірності нелінійної взаємодії конструкцій підпірних стін з основою при наявності місцевих навантажень на поверхні. Активний тиск досліджується з позицій теорії Кулона. При завантаженні масиву місцевим розподіленим навантаженням площини сповзання можуть перетинати денну поверхню на трьох ділянках (рис. 4): між стінкою і навантаженням q, в межах навантаження q і за межами місцевого навантаження. Тому в загальному випадку існує три варіанти умов рівноваги призм сповзання

де

Тому що є монотонно зростаючою функцією, то найневигідніший кут нахилу площин сповзання qо є перемінним по глибині, і принцип незалежності дії власної ваги грунту g , зчеплення с і місцевого навантаження q в даному випадку неприйнятний.

Встановлено, що всі можливі площини сповзання розділяють підпірну стінку по висоті на чотири характерні зони (рис. 4), для кожної з яких встановлені кордони та закономірності змін горизонтального тиску. Крім того, встановлено існування "нульової зони", в якій площини сповзання не утворюються, а також зони, всі площини сповзання якої сходяться на зовнішньому краю площадки навантаження. Уперше отримане строге рішення для розподілу активного тиску по висоті стінки:

Зона 2: ; (7)

Зона 3:

; (8)

Зона 4: ; (9)

де ; .

Встановлено також наявність трьох характерних зон у разі дії зосередженого навантаження і отримано рішення для розподілу активного тиску в цих зонах.

Для визначення горизонтального тиску стану спокою використовується принцип Г.І. Глушкова та Г.К. Клейна, згідно з яким місцеве навантаження симетрично розташовується відносно вертикальної осі нерухомої стінки. У загальному випадку розташування місцевого навантаження, розподіленого на площадці шириною b і віддаленої від стінки на відстані а, на основі залежності (2) для запропонованої моделі шару кінцевої ширини отримано

(10)

???????З використанням рішення (10) складено таблиці 11-ти варіантів розташування тимчасових розподілених навантажень відносно стінки і дано зіставлення із знайденим рішенням (7)…(9) для активного тиску, що виявило близькість отриманих результатів і підтвердило експериментально встановлений факт, що тиск стану спокою перевершує активний тиск.

Четвертий розділ присвячено розрахунку технічних поверхів і встановленню еквівалентних технологічних навантажень на конструктивні елементи поверхів і підвалів. Досліджено закономірності найневигіднішого розподілу тимчасових навантажень на ригелі, колони, стіни.

За запропонованою методикою технологічне завдання повинно бути представлене у вигляді графіка розподілу навантаження від згрупованого обладнання, що дає зв'язок між інтенсивністю тимчасового навантаження і площею, що займається нею, що дозволяє встановлювати еквівалентні розподілені навантаження qэ в залежності від прийнятого конструктивного рішення поверху або підвалу.

Для оцінки методики і встановлення фактичних запасів несучої здатності реальних конструкцій технічних поверхів і підвалів було проведене обстеження 30 прокатних станів на 11 металургійних заводах і декількох ливарних цехів на заводах автотракторної промисловості. Було підтверджено, що конструктивні елементи, підтримуючі великі вантажні площі (ригелі, колони, фундаменти), мають найбільші резерви несучої здатності, оскільки не мають того максимального навантаження, на яке розраховані за традиційною методикою. Розроблений метод дозволяє при нормуванні тимчасових технологічних навантажень отримувати систему понижувальних коефіцієнтів на різні конструктивні елементи технічних поверхів і підвалів.

Сучасні технічні поверхи і прилеглі до них групові фундаменти під технологічне обладнання мають конструктивне рішення у вигляді залізобетонної плити, що опирається на залізобетонні колони, які встановлюються або на окремо стоячі фундаменти, або на загальну плиту. Існуючий у проектній практиці метод розрахунку таких систем, як окремих поверхів, є вельми грубим наближенням до дійсності, а в ряді випадків приводить до абсолютно невірних результатів. Це підтверджено проведеними теоретичними і експериментальними дослідженнями вказаних конструкцій як систем "основа - фундамент - надфундаментна будівля". Розрахунок виконано за узагальненою розрахунковою схемою, що враховує всі можливі конструктивні рішення і види основ, представлені запропонованими в розділі 2 моделями.

Замінивши колони зусиллями, що передаються ними на плити, і розглянувши рівновагу конструкції, приходимо до системи рівнянь вигляду

(11)

де Dв, Dн - циліндрична жорсткість верхньої і нижньої плит;

D?D? - бігармонічний оператор;

Rx, Ry, Мкр - зусилля, що передаються від колон на верхню плиту;

Рх, Ру, Мzр - горизонтальні зовнішні навантаження на верхню плиту;

qв, qн - розподілене навантаження на плити з урахуванням зусиль, що передаються на них колонами.

Оскільки ми маємо справу з дискретними зв'язками, складними граничними умовами, а також можливими отворами у верхній плиті, рішення задачі зроблене варіаційно-різницевим методом з урахуванням результатів експериментально-теоретичних досліджень плит з прямокутними отворами, проведеними нами раніше спільно з Д.В. Вайнбергом, О.Л. Синявським, Е.Ю. Малим та інш.

Випробування плитно-стоякових поверхів проводилися на велико- масштабних залізобетонних моделях, що складаються з плит 2,66 м 2,66 м різної товщини, зчленованих 16 стояками висотою 1,5 м і 2,0 м, обіпертих на пружинну основу (рис. 5). Крім того, на основі розробленої програми розрахунку на ЕОМ "ФОМА" було проведено чисельний аналіз 49 варіантів технічних поверхів з різною кількістю прогінів, співвідношень товщини верхньої і нижньої плит і схем розташування смугового навантаження на перекритті.

Проведені дослідження довели помилковість незалежного розрахунку окремих поверхів, що застосовується в практиці, і необхідність урахування спільної роботи всіх конструктивних елементів технічних поверхів і основи.

У п'ятому розділі розроблено методику розрахунку технічних підвалів і тунелів, що враховує перерозподіл зусиль, що викликається трансформацією епюри тиску грунту при деформуванні підземної споруди від зовнішніх навантажень на поверхні, а також тріщиноутворенням в окремих конструктивних елементах споруд.

Найбільші труднощі пов'язано з розрахунком підвалів при однобічному завантаженні (рис. 6). Чисельний аналіз роботи нормальних сил на контурі прямокутного вирізу в пружній півплощині дозволив обгрунтувати розрахункову гіпотезу про незалежність деформаційних параметрів грунтового середовища від співвідношення розмірів котловану. Засипка моделюється Вінклеровою основою з коефіцієнтом постелі, що лінійно зростає по глибині. Прийнято, що збоку дії тимчасового технологічного навантаження реалізується активний Кулонівський тиск, а тиск засипки на стінку, що зміщується у бік грунту, змінюється від тиску стану спокою до пасивного тиску пропорційно горизонтальному зміщенню стінки. Цю передумову обгрунтовано тим, що активний тиск реалізується при деформаціях, що складають частки сантиметра, а пасивний тиск - при зміщеннях 2-5 см.

Для оцінки впливу трішиноутворення і нелінійності деформування бетону в стінах і стояках підвалу використовується безперервний зв'язок між жорсткістю В залізобетонного елементу і згинальним моментом М у вигляді

. (12) Спрощення рішення цієї складної нелінійної задачі досягнуто за рахунок заміни

зосереджених тимчасових навантажень еквівалентними, рівномірно розпо -діленими, а також прийняття одного члена формули (12). Вказане дозволило отри- мати аналітичні вирази для горизонтальних переміщень стояків та стін підвалу, і застосувати до розрахунку конструкції метод сил.

При розрахунку тунелів задача ускладнюється, оскільки на роботу споруди суттєво впливають не тільки горизонтальні навантаження на стіни, але і вертикальні навантаження на перекриття, що викликають вигин днища, і, як наслідок, стінового огородження.

Основу під днищем представлено Вінклеровою моделлю із змінним коефіцієнтом постелі

, (13)

причому параметри r, n та Сср визначаються з використанням отриманого рішення (2) і залежать від співвідношення глибини шару і ширини днища. У зв'язку з тим, що із зростанням вертикального навантаження зростає глибина товщі, що стискається під днищем, цей процес впливає додатковим чином на нелінійність взаємодії тунелів з грунтом. Представляємо відпір основи у вигляді

, (14)

де l – напівширина днища; x= х/l; N, M – зусилля, передані від с тін на днище.

Застосовуючи інтегральний метод Л.П. Винокурова, знаходимо невідомі параметри а і b, а потім і переміщення всіх точок контакту днища з основою.

Зв'язок стін тунелю з грунтовим масивом моделюється Вінклеровою основою з трапецієподібним розподілом коефіцієнту постелі по глибині. Горизонтальні переміщення стін знаходяться з використанням запропонованого в роботі методу "фіктивних початкових параметрів", що дозволило розробити табличний спосіб розрахунку тунелів з різним заглибленням їх у грунт і різним розташуванням тимчасового навантаження на поверхні.

У розділі 6 представлено теоретичні та експериментальні дослідження роботи залізобетонних пальових конструкцій при горизонтальному навантаженні.

Встановлено стадії НДС систем "паля - грунт" у процесі зростання навантаження, що характеризуються утворенням зони граничної рівноваги грунту верхньої області і шарнірів пластичності в стовбурі палі, що приводить до перетворення конструкцій пальових фундаментів в геометрично змінні системи (рис.7).

У загальному випадку зв'язних і незв'язних грунтів пружна зона масиву моделюється Вінклеровою основою з трапецієподібним розподілом коефіцієнту постелі, а в зоні граничної рівноваги приймається трапецієподібний закон опору грунту по глибині палі.

Для рішення диференційного рівняння вигину залізобетонної палі на основі з трапецієподібною формою коефіцієнту пропорційності також використано розроблений "метод фіктивних початкових параметрів".

Суть методу полягає в тому, що паля і епюра Сz продовжуються до фіктивної точки О ф , в якій Сz = 0. Потім на фіктивному кінці палі прикладаються фіктивні початкові параметри, що визначаються умовами задоволення в фіктивній палі граничних умов дійсної палі. Метод може бути застосований і для будь-якого криволінійного закону Сz.

Після визначення величин фіктивних початкових параметрів розрахунок паль ведеться з використанням рівнянь І.В. Урбана, у які замість у0, j0, Q0 и М0 , підставляються значення у0ф, j0ф, Q0ф та М0ф, а початок координат приймається в точці Оф.

Розроблено двостадійну нелінійну методику розрахунку одиночних паль і паль, затиснутих у ростверк. Глибину зони граничної рівноваги грунту визначено з умови рівності контактного тиску на межі пружної і непружної зон.

Ця методика дозволяє виявити граничний стан горизонтально навантажених залізобетонних паль і знайти граничне допустиме навантаження на палі за умовою міцності. Теоретично обгрунтоване збільшення несучої здатності затиснутих у ростверк паль, приблизно в півтори рази, що спостерігається в натурі, в той час як традиційно вважається, що несуча здатність паль у ростверку нижча, ніж одиночної палі.

Проведено експериментальну перевірку розробленої методики в різних грунтових умовах на стандартних і модельних залізобетонних і металевих палях. Випробування проводилися на декількох площадках Харківської, Полтавської і Ростовської областей. При цьому особливу увагу було приділено просадним грунтам, що широко розповсюджені на території України.

Всі залізобетонні палі мали підвищене поздовжнє армування, що дозволило здійснити їх навантаження значними горизонтальними зусиллями (до 150 кН). У процесі навантаження залізобетонних і металевих паль, що випробовувалися, контролювалися не тільки горизонтальні переміщення по глибині конструкцій, але і напруження в арматурі і всередині стовбура, що дозволило експериментально встановити розподіл згинальних моментів і обгрунтувати вірність прийнятої розрахункової моделі.

Розроблено двостадійний табличний метод розрахунку, що враховує утворення зони граничної рівноваги грунту. При цьому застосовано створену програму розрахунку на ЕОМ "РАСГОН". Цей метод широко використано в реальному проектуванні збірних залізобетонних паль, шпунтів і конструкцій буронабивних паль великого діаметру (рис. 8).

Для урахування тріщиноутворення запропоновано залежність для зон з тріщинами

, (15)

отриману на основі результатів досліджень Е.А. Неустроєва. Складено таблиці констант для головних типів збірних залізобетонних паль різних коефіцієнтів армування і класу бетону. Використання залежності (15) дозволило отримати для зони з тріщинами рішення диференційного рівняння вигину палі у вигляді

(16)

де

А1, В1, С1, D1 - функції І.В. Урбана.

Оскільки на межі зон момент початку тріщиноутворення М1 відомий, вдалося зробити зшивку цих зон без ітераційного процесу.

У зв'язку з тим, що при підвищеному поздовжньому армуванні палі здатні сприймати значні горизонтальні навантаження, стає актуальним розрахунок їхньої міцності по похилих перерізах. Тому стосовно до квадратних і прямокутних перерізів стрижневих залізобетонних елементів розроблено метод розрахунку на поперечну силу, в основу якого покладено умову, що поперечна сила Qb, що сприймається бетоном, змінюється від максимального кінцевого значення Qbmax при с®0 (с - довжина проекції похилої тріщини) до мінімального Qbmin при с®Ґ (рис.9).

Для задоволення цих умов рівняння рівноваги сил при наявності найбільш небезпечної похилої тріщини с0 представлено у вигляді

, (17)

де А, В, F, n - параметри, що визначаються з експерименту або з використанням діючих норм; с0= с0/h 0.

Рівняння (17) дозволило знайти теоретичні значення мінімальної проекції похилої тріщини с1 і максимальної поперечної сили, що сприймається перерізом

, (18)

які співпали з експериментальними даними О.С.Залєсова і Ю.А.Климова.

При відсутності поздовжніх сил для важких і ніздрюватих бетонів отримано:

n = 3; А = 0,6; В = 0,75(- 0,6); F = 0,5 [0,25(+0,6)].

Дано графічну інтерпретацію запропонованої методики і її зіставлення з нормативною. Цей метод придатний для розрахунку бетонних і залізобетонних елементів.

У розділі 7 викладено принципи розрахунку залізобетонних стрічкових фундаментів з урахуванням тріщиноутворення.

Застосування залежності (15), використаної в розрахунках горизонтально навантажених паль, зручне у випадках, коли відомо заздалегідь положення ділянок конструкції з тріщинами і без тріщин. У загальних же випадках завантаження стрічкових фундаментів зробити це скрутно. Тому залежність (12) виявляється більш переважною. Обмежуючись m = 1, отримаємо початкове диференційне рівняння вигину залізобетонної балки з тріщинами на Вінклеровій основі змінної жорсткості К(х) у вигляді

, (19)

де М0 - згинальний момент у балці без тріщин;

Мg - додатковий момент, викликаний тріщиноутворенням;

. (20)

При цьому коефіцієнт a знаходиться з умови рівності жорсткостей В, які обчислюються по формулі (12) і по нормативній методиці при навантаженні М=(0,6…0,7)Мт.

Розрахунок ведеться варіаційно-різницевим методом і зводиться до рішення системи нелінійних алгебраїчних рівнянь. Рішення задачі здійснюється ітераційним методом. На першому етапі розрахунку приймається Мgi=0, а на подальших етапах Мgi приймається з попереднього обчислення. Число ітерацій практично не перевершує 3...4.

На кожному етапі ітерацій розвў?язується система лінійних пў?ятичленних рівнянь. По методиці, запропонованій в розділі 2, кожне невідоме виражається через перші два невідомих

Xi = AiX1 + BiX2 + Ci, (21)

де Ai, Bi, Ci - коефіцієнти, що обчислюються по рекурентних формулах.

При цьому система довільного порядку зводиться до системи двох рівнянь. У процесі послідовних наближень перераховуються тільки коефіцієнти Ci.

Методику розрахунку перевірено експериментально на великомасштабних залізобетонних конструкціях. Було створено спеціальну установку, що моделює основу з двобічними зв'язками (рис. 10). Для податливих зв'язків було використано сталеві стержні, що спираються на жорсткі опори. Варіювання діаметром стержнів, їх прогіном і кроком дозволило моделювати різні закони зміни коефіцієнту постелі по довжині залізобетонних балок.

У поперечному перерізі залізобетонні стрічки розглядалися як симетрично завантажені фундаменти. Відпір основи представлено у вигляді симетричних членів виразу (14), а тріщиноутворення враховане законом (12). Основа моделювалася шаром, що лінійно деформується, і напівпростіром.

З використанням розробленої методики розрахунку було проведено чисельні дослідження гнучких і жорстких залізобетонних стрічок, завантажених центральним зосередженим зусиллям Р, які показали, що тріщиноутворення фундаменту приводить до трансформації епюри контактного тиску і зниження максимальних згинальних моментів. Так, для гнучких стрічок отримано зниження максимальних моментів на 14%, а для жорстких стрічок - більше за 30%. При цьому епюра відпору під жорсткими залізобетонними фундаментами змінюється в процесі навантаження від сідловидної до параболічної