Введение к работе
Актуальность темы. Лессовые просадочные грунты как "геологическая среда" изучены достаточно хорошо. Но в практике строительства приходится сталкиваться с рядом проблем, касающихся расчета и проектирования оснований и фундаментов, возводимых на этих грунтах. Известно, что при замачивании основания, сложенного лессовыми грунтами, возникают сложные деформации, в результате чего происходит повреждение зданий, а в некоторых случаях и полное их разрушение. Это происходит, прежде всего, в результате накопления ошибок, допускаемых на различных этапах изысканий, проектирования и строительства объектов. На наш взгляд, решение проблем, связанных с процессом инфильтрации воды и возникновения дополнительных деформаций лессовых грунтов, подлежит пересмотру и более глубокому осмыслению .
Ниже перечисляются некоторые из этих проблем, решение которых получено автором данной диссертационной работы, в частности:
разработка методологии определения механических свойств грунтов, позволяющая максимально сблизить между собой условия работы грунта в природных условиях на испытательных стендах;
анализ причин аварий зданий и сооружений, который необходим для принятия в нормативных документах ряда
. принципиальных положений конструктивного и производственного характера;
всестороннее изучение процессов увлажнения и просадок основания, сложенного лессовыми грунтами;
отказ от приближенных расчетных моделей и разработка расчетных методов, позволяющих моделировать напряженно-деформированное состояние основания, сложенных лессовыми грунтами.
Анализ повреждений зданий и сооружений, построенных на лессовых грунтах, как в Узбекистане, так и в других странах, показывает, что здания с различными вариантами остова по-разному воспринимают неравномерные просадочные деформации. Как показали исследования автора, сравнительно хорошо неравномерные деформации воспринимают крупнопанельные и каркасные здания с некоторой предельно допустимой жесткостью, определение которой требует дополнительных исследований. Сравнительно плохо неравномерные деформации воспринимают кирпичные здания. Поэтому, на наш взгляд, кирпичные здания необходимо проектировать
с большей жесткостью. Бытует мнение, что жесткость кирпичных зданий можно увеличить введением смешанного каркаса или усилением стен железобетонными сердечниками. К сожалению, как показывает практика, увеличение жесткости удлиненных (здания конечной жесткости) кирпичных зданий таким способом ухудшает работу конструкций и приводит к возникновению концентрации напряжений в отдельных частях здания, особенно в узлах сопряжении. Поэтому требуется исследование таких смешанных конструкций на неравномерные просадочные деформации.
Сложной инженерной ,задачей является определение увлажнения грунта в зависимости от типа различных источников# Задача усложняется, если процесс инфильтрации воды рассматривается с учетом ортотропности по проницаемости и экранирующего эффекта дневной поверхности земли. Решение этой проблемы потребовало провести лабораторные лотковые и широкомасштабные натурные исследования процессов инфильтрации воды, по результатам которых получены инженерные решения для одномерной, плоской и осе симметричных задач.
Напряженно-деформированное состояние основания из лессового грунта
без учета замачивания с достаточной для практических расчетов
точностью можно вычислить одним из распространенных методов
основанном на линейной зависимости между напряжениями и
деформациями. Определение напряженно-деформированного
состояния основания с учетом возникновения в нем просадочных деформаций и поверхностей сдвигов является сложной инженерной задачей. Поэтому решение совместной задачи процессов инфильтрации воды в грунт и напряженно-деформированного состояния имеет большое практическое значение и, в соответствии с этим, является актуальным.
Проведенные натурные и лотковые испытания показали, что просадочные деформации сопровождаются появлением объемных и сдвиговых деформаций. В некоторых областях основания происходит накопление сдвиговых деформаций, которые, в конечном -4Ш>ге^ривАЦяцсл1с^вле_нии поверхностей сдвигов. Именно эти зоны существенным образом влияют на напряженноесостояние-основания-и, следовательно, на конечные деформации. Поиски методов прогнозирования конечных просадочных деформаций лессовых грунтов, служат предметом споров ряда специалистов.
В соответствии с этим, цель диссертационной работы заключается в исследовании комплекса строительных свойств лессовых грунтов в данном случае на примере геоморфологического строения Зеравшанского оазиса, усовершенствование методов
определения механических параметров лессовых 'грунтов,
закономерности инфильтрации воды в грунте из различных
источников увлажнения, прогнозирование напряженно-
деформированного состояния и просадочности лессовых грунтов с использованием аналитических и численных методов расчетов на ЭВМ.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведены исследования генезиса, физических, механических и фильтрационных свойств лессовых грунтов Зеравшанского оазиса;
-
Комплексно исследована работа зданий с различным несущим остовым на лессовых грунтах Зеравшанского оазиса и систематизированы основные причины, способствующие их повреждения;
-
Выполнены натурные экспериментальные исследования лессовых грунтов для определения характера их деформирования от воздействия внешних нагрузок;
-
Проведены натурные и лотковые экспериментальные исследования инфильтрации воды и просадочности в лессовых грунтах;
-
По данным результатов экспериментальных исследований получены аналитические решения стационарной и нестационарной задач инфильтрации воды от различных источников замачивания в лессовых грунтах;
-
Получено аналитическое решение задачи напряженного состояния увлажненного лессового основания на основе теории предельного равновесия и предложен инженерный метод определения осадок и просадок основания;
-
Разработана процедура численного расчета плоской задачи инфильтрации воды из различных источников замачивания и напряженно-деформированного состояния лессового основания при линейной постановке методом конечных элементов (МКЭ) с использованием ЭВМ;
-
Разработан автоматизированный комплекс для проведения практических расчётов процесса инфильтрации и напряжённо -деформированного состояния, включая просадочность лёссового основания.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в комплексном изучении строительных свойств лессовых грунтов Зеравшанского оазиса в разработке и усовершенствования методов определения деформационных и прочностных характеристик лессовых
грунтов, а также в разработке методов расчета напряженно -деформированного состояния, в том числе просадочных деформаций при замачивании основания из различных источников.
Анализ полученных автором, а также известных ранее результатов экспериментальных и теоретических исследований позволили выявить наиболее приемлемые для практических целей расчетные схемы, в основу которых положено решение совместной задачи процессов инфильтрации и линейной деформируемости грунтов.
Научная новизна исследований заключается в том, что автор впервые произвел комплексные исследование инженерно-геологических, строительных свойств и основных закономерностей водопроницаемости и деформирования лессовых грунтов Зеравшанского оазиса, являющимся крупным сельскохозяйственным и промышленным регионом республики Узбекистан. Исследованы работы грунтовых оснований, сложенных лессовыми просадочными грунтами и проведены натурные наблюдения за работой здания в условиях сложного деформирования основания. На основании лабораторных и крупномасштабных экспериментальных исследований произведены теоретические расчеты, позволяющие прогнозировать процессы инфильтрации и напряженно-деформированного состояния оснований зданий и сооружений при его локальном увлажнении. Это позволило получить следующие основные результаты:
проведена классификация лессовых грунтов Зеравшанского оазиса с учетом климатических, геоморфологических, геологических, гидрогеологических и иженерно-геологических условий. Разработаны методики и предложены способы определения величин удельного сцепления, начального просадочного давления, коэффициента бокового давления и коэффициента влагопроводности лессовых грунтов;
на основании проведенных исследований работы зданий на неравномерно деформируемом лессовом основании рекомендованы конкретные конструктивные мероприятия, позволяющие без повреждений, воспринимать сложные деформации основания кирпичных зданий, и установлена предельно допустимая ьеличинатіх-отноеительного-прогиба;
по результатам полевых штамповых испытаний выявлены закономерности деформирования и просадочности маловлажных и увлажненных лессовых грунтов.
экспериментально установлены основные закономерности процесса нестационарной инфильтрации воды в грунт и разработан метод теоретического расчета инфильтрации с учетом
ортотропности грунтов по проницаемости, экранирующего эффекта поверхности земли из различных линейных источников увлажнения;
разработан метод численного расчета напряженно-деформированного состояния и просадочности основания с учетом процесса инфильтрации воды в лессовых грунтах;
разработан метод расчёта напряжённого состояния и просадочности лёссовых грунтов от действия различных источников увлажнения, основанный на. теории предельного состояния.
Практический выход работы заключаются в:
применении полученных результатов исследований при расчете и проектировании кирпичных зданий, построенных на лессовых грунтах;
использовании разработанных методов определения величины удельного сцепления, . начального просадочного давления, коэффициента бокового давления и коэффициента влагопроводности при выполнении инженерно-геологических работ;
использовании разработанных расчетных комплексов "ИНФИЛЬТРАЦИЯ", (расчет процессов инфильтрации воды в грунтах), "ПРИЗ - СамГАСИ" (расчет напряженно-деформированного состояния и просадочности лессового основания с учетом инфильтрации воды в грунт) и "ЇЇИРОО -СамГАСИ" (программа расчета напряженного состояния и просадочности лессовых грунтов с учетом теории предельного состояния) для автоматизированного расчета основания.
Внедрение результатов работы в практику изысканий и
проектирования. Результаты данной работы были использованы в
составлении СНиП и внедрены в проектных и изыскательских
организациях Узбекистана. Обобщение результатов анализа
аварийных зданий, построенных на лессовых грунтах и грунтах
антропогенного происхождения, позволил разработать
дополнительные рекомендации. Эти рекомендации были использованы при проектировании новых объектов (более 30 зданий) построенных на просадочных и грунтах . В настоящее время, предложенную автором методику расчетов и рекомендации, используют крупные проектные и изыскательские организации, такие как УзГИИТИ, УЗНИИП, ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА, ГИПРОСЕЛЬСТРОЙ, ПЭМ СамГАСИ, ГЕОФУНДАМЕНТ - ПРОЕКТ СамГАСИ и многие другие.
Разработанные автором методы расчёта и рекомендации для проектирования зданий на просадочных грунтах являются
патентоспособными. В настоящее время автором получены шесть авторских свидетельств и поданы шесть заявок на предполагаемые изобретения.
Разработанные методики расчетов оснований зданий и сооружений и программные комплексы «ИНФИЛЬТРАЦИЯ», «ПИРОО-СамГАСИ», «ПРИЗ СамГАСИ» используются проектными институтами Республики Узбекистан.
Предложенные методы определения начального просадочного давления удельного сцепления в лабораторных и полевых условиях. существенно увеличивают точность измерения и позволяют в автоматическом режиме получать информацию. Эти разработки в настоящее время используются в проектно-изыскательских организациях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались на: семинарах и научно-технических
конференциях Самаркандского Архитектурно-строительного
института (1989-1999); 1 региональной конференции Средней Азии, посвященной «использованию достижений нелинейной механики грунтов в проектировании оснований и фундаментов» (Йошкар-Ола,1989); 6-Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механики, Ташкент 1986 г.; 7-Всесоюзной конференции по динамики оснований, Днепропетровск 1989 г.; З-Всесоюная конференция, посвященная проблемам лессовых просадочных грунтов, Барнаул 1990 г.; 1-региональной конференции Средней Азии, посвященная проблемам строительства на структурно-неустойчивых грунтах, Самарканд 1992 г.; На международных конференциях . Ваймер (Германия) и Стамбул (Турция).
На семинарах НИИОСП им. Н.М. Герсиванова 1994 г., ЦМИПКС МГСУ 1994 г.; на кафедрах «ГСОиФ» ТАСИ 1999 г. и СамГАСИ 2000 г.; «Мосты и тоннели» ТашИИТа 1999 г.; «Автомобильные дороги» ТАДИ 1999 г. и «Института механики и сейсмостойкого строительства» 1999-2000 г.
Публикация. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 56 научных статьях., из них 14 в периодических журналах Узбекистана, странах СНГ и дальнего зарубежья. По результатам исследований получены шесть авторских свидетельств на: изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, библиографии из 252 наименований. Общий объем диссертационной работы 376 страниц машинописного текста, в том числе 55 рисунков, 71 графиков и 9 таблиц.
