Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструкций мелкозаглубленных фундаментов и методов их расчета по деформациям морозного пучения грунта . 8
1.1. Морозное пучение грунтов и его влияние на сооружения... 8
1.2. Опыт строительства на мелкозаглубленных фундаментах 12
1.3. Анализ методов расчета фундаментов по деформациям пучения грунта 21
Выводы 26
2. Предлагаемая методика расчета мелкозаглубленных фундаментов по деформациям пучения грунта 28
2.1. Модель основания и ее расчетные параметры... 28
2.2. Программа расчета мелкозаглубленных фундаментов по деформациям пучения грунта 33
2.3. Исследование влияния отдельных факторов на напряженно-деформированное состояние системы перекрестных балок при неравномерном пучении грунта... 38
2.4. Расчет толщины противопучинистой подушки 61
2.5. Расчет толщины песчаной подушки, устраиваемой для увеличения несущей способности основания 65
Выводы 67
3. Исследование взаимодействия с упругим основанием совместно работающих фундаментов и стен здания 70
3.1. Определение расчетного значения коэффициента постели основания 70
3.2. Интегральный способ определения осадок 72
3.3. Анализ результатов расчета изгибающих моментов и относительных деформаций при осадках фундаментов ... 75
3.4. Корректировка результатов расчета фундаментов на действие сил пучения с учетом осадок их оснований. 83
Выводы.. — 86
4. Исследование влияния утепления грунта на глубину его промерзания .. 89
4.1. Экспериментальные исследования . 89
4.2. Расчет глубины промерзания грунта под утепленными отмостками .. 99
4.2.1. Теоретические предпосылки прогноза теплового взаимодействия здания с грунтами основания 99
4.2.2. Исходные данные при математическом моделировании влияния утепленных отмосток на глубину промерзания грунта под фундаментами зданий 105
4.2.3. Результаты моделирования 109
4.3. Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов 114
Выводы 118
5. Рекомендации по выбору конструкций мелкозаглубленных фундаментов в грунтовых условиях Московской области . 121
5.1. Грунтовые условия Московской области 121
5.2. Рекомендуемые конструкции мелкозаглубленных фундаментов.. 126
5.3. Армирование фундаментов 135
5.4. Подбор фундаментов для характерных конструкций малоэтажных жилых домов 137
5.5. Рекомендации по устройству мелкозаглубленных фундаментов.. 148
Выводы 156
Основные выводы 158
Литература 161
- Опыт строительства на мелкозаглубленных фундаментах
- Программа расчета мелкозаглубленных фундаментов по деформациям пучения грунта
- Интегральный способ определения осадок
- Расчет глубины промерзания грунта под утепленными отмостками
Введение к работе
В последние годы в Московской области происходит интенсивное строительство коттеджей, садовых домов, гаражей, торговых павильонов и других малоэтажных зданий.
Большой удельный вес в общей стоимости строительства малоэтажных
щ зданий составляют затраты на устройство фундаментов.
Нагрузки на 1 пог. м ленточных фундаментов в одно- и двухэтажных зданиях (в зависимости от материалов стен и перекрытий) составляют 20-120 кН, в трехэтажных зданиях - не превышают 150 кН.
Небольшие нагрузки на фундаменты обуславливают повышенную чувствительность таких зданий к силам морозного пучения.
Территория Московский область на 80% сложена морозоопасными
Ф (пучинистыми) грунтами. К ним относятся: глины, суглинки, супеси, пески
пылеватые, отчасти и мелкие. При определенной влажности эти грунты,
промерзая в зимний период, увеличиваются в объеме, что приводит к
подъему слоев грунта в пределах глубины его промерзания.
Находящиеся в таких грунтах фундаменты подвергаются выпучиванию,
если действующие на них нагрузки не уравновешивают силы пучения.
Поскольку деформации пучения грунта неравномерны, происходит
неравномерный подъем фундаментов, который со временем накапливается, в
ф результате чего конструкции зданий претерпевают недопустимые
деформации и разрушаются.
Применяемое в практике строительства мероприятие против выпучивания путем заложения фундаментов ниже расчетной глубины промерзания, как правило, не обеспечивает устойчивость легких зданий, так как такие фундаменты имеют развитую боковую поверхность, по которой действуют большие по величине касательные силы пучения.
Одним из путей решения проблемы строительства на пучинистых грунтах
лёгких зданий и сооружений является применение фундаментов,
закладываемых на не большой глубине в сезоннопромерзающем слое грунта ( мелкозаглубленные фундаменты ) или устраиваемых на поверхности грунта ( незаглубленные фундаменты ).
В соответствии с главой СНиП 2.02.01-83* "Основания зданий и сооружений" глубину заложения фундаментов допускается назначать независимо от расчетной глубины промерзания ,если " специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную пригодность сооружения." Мелкозаглубленные фундаменты должны быть приспособлены к работе в условиях неравномерных деформаций оснований , вызванных пучением грунта . При этом конструктивные мероприятия направляются не на преодоление сил пучения, а на восприятие деформаций пучения . Другими словами, решение сводится к рассмотрению задачи о совместной работе фундаментов и конструкций сооружений с деформирующимся при промерзании пучинистым грунтом.
Существующие методы расчета не учитывают совместную работу фундаментов всех стен здания, что является крупным недостатком их.
Рассмотрение совокупности всех фундаментов здания как единой системы позволит снизить расчетные усилия в её элементах , а в конечном итоге уменьшить расход материалов на устройство фундаментов. Решению этой же задачи служить снижение глубины промерзания грунта , которое достигается путём применения утепленных отмосток.
Цель диссертационной работы : Усовершенствование методики расчёта фундаментов по деформациям пучения и разработка на её основе экономичных и надёжных конструкций мелкозаглубленных фундаментов для малоэтажного строительства в условиях Московский области. Научная новизна работы заключается в следующие: 1. Обоснована целесообразность методик расчёта по деформациям пучения
совместно работающих фундаментов и стен здания.
Численным моделированием по разработанной автором программе MZF показано существенное влияние на напряжённо - деформированное состояние системы основание - фундаменты - стены здания длины, изгибной жёсткости фундаментов и стен , а также сил пучения ( для пучинистых грунтов ) и коэффициента постели ( для непучинистых грунтов ) и др. факторов
Экспериментально ( в полевых условиях ) установлено влияние толщины и ширины слоя керамзитового гравия на глубину промерзания грунта.
4. Численным моделированием ( по программе проф. Хрусталёва Л.Н. )
установлено влияние толщины и ширины слоя экструзионного
пенополистрола на глубину промерзания грунта .
Апробация работы.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на
международной научно-практической конференции." Актуальные проблемы
усиления оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений." Пенза,
2002г.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 4 работы.
Объём и структура диссертации
Работа состоит из введения, пяти разделов, заключение, списка литературы из 125 наименований, 3хприложений. Содержит 106 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 36 таблиц.
Опыт строительства на мелкозаглубленных фундаментах
В отличие от традиционно применяемых фундаментов, закладываемых ниже глубины промерзания грунта, мелкозаглубленные фундаменты устраиваются в слое сезоннопромерзающвго грунта (рис. 1.1). На пучинистых грунтах под фундаментами устраивают подушки из непучинистого материала (песок крупный или средней крупности, песчано-гравийная или песчано-щебеночная смесь), варианты которых приведены на рис. 1.2. В настоящее время накоплен большой опыт строительства малоэтажных зданий различного назначения на мелкозаглубленных фундаментах [61-80]. В 1965-1969 г.г. в г. Первоуральске было построено 120 одноэтажных жилых домов с глубиной заложения фундаментов 0,8 м вместо 1,8 м по проекту. Подошвы ленточных фундаментов шириной 0,5-0,6 м располагались на песчаной подготовке толщиной 0,2 м. Геодезические наблюдения показали, что максимальная разность перемещений углов домов находилась в пределах 10-25 мм и не привела к появлению трещин в конструкциях и нарушению нормальной эксплуатации домов.
В 1978-1982 г.г. по программе Госстроя РСФСР в ряде областей Нечерноземной зоны осуществлено экспериментальное строительство нескольких десятков одно- и двухэтажных жилых домов, производственных и административных зданий, гаражей, хозяйственных построек и других легких зданий на средне- и сильнопучинистых грунтах с использованием мелкозаглубленных фундаментов. За зданиями в течение длительного срока (до 5 лет) проводилось наблюдение.
Наибольшее применение нашли фундаменты из железобетонных блоков, содержащих выпуски арматуры (рис. 1.3). После установки блоков в проектное положение арматурные выпуски соединялись с помощью щ электросварки или проволочных скруток, а стык бетонировался. Блоки изготавливались в стандартных формах, в которые были внесены некоторые конструктивные изменения. Недостаток этой конструкции состоит в необходимости устраивать монолитные стыки, которые не всегда выполняются качественно.
При строительстве панельных домов в качестве фундаментов успешно применялись цокольные панели (рис. 1.6). На пучинистых грунтах панели жестко стыкуются между собой, для чего предусмотрены дополнительные закладные детали. В 1998 году вьтущены территориальные нормы ТСН МФ-97 МО по проектированию и устройству мелкозаглубленных фундаментов [85]. 1- подушка из непучинистогоматериала, 2 - цокольная панель, 3 - железобетонная плита, 4 - утеплитель проектирование и строительство в Московской области малоэтажных жилых и дачных домов, зданий соцкультбыта и т.п.
Мелкозаглубленные фундаменты с теплоизоляцией применяются в Норвегии, Финляндии и Швеции [86-90]. При этом используется как горизонтальная, так и вертикальная теплоизоляция, выполняемая , в основном, из экструзионного пенополистирола или керамзитового гравия. Толщина элементов горизонтальной теплоизоляции из экструзионного пенополистирола - 10 см, ширина — 1 м. Толщина теплоизоляции определяется из условия, что глубина промерзания грунта не превышает глубины заложения фундамента. Для расчета глубины промерзания грунта используется программа ADINAT, разработанная в США [91]. Численный анализ влияния точности измерения теплофизических свойств грунтов на полученные результаты показал, что самым влиятельным фактором является температура фазовых переходов.
Программа расчета мелкозаглубленных фундаментов по деформациям пучения грунта
Зависимость (2.6) использована при разработке программы MZF (мелкозаглубленные фундаменты). По этой программе производится расчет деформаций и усилий в системе совместно работающих фундаментов, загруженных нагрузками от здания и нормальными силами пучения. По этой же программе может быть рассчитана фундаменты на Винклеровском основании. В этом случае Рг — 0, ф а коэффициент жесткости определяется в соответствии с рекомендациями, помещенными в разделе 3 диссертации. Систему фундаментов ( см. рис. 2.1. ) рассматриваем как пластину с вырезами и для описания её деформирования используем уравнение изгиба изотропной пластины ( уравнение Софи Жермен ): D h/x4 +2d4h/3x2/dy2 + a4h/y4) = DMh = q-p;, (2.17) где D - цилиндрическая жёсткость пластины ( приведенной системы фундаментов , для которой принято D = 1 . 04 EJ , с учетом того, что коэффициент поперечных деформаций приведенного материала фундамент с достаточной для практических задач точностью считается равным 0,2 ); EJ - изгибная жёсткость фундамента и стены; - вертикальные перемещения точек ( подъем или осадки ) основания; - удельные нормальные силы пучения ( или реактивное давление оседающего основания ).
Уравнение ( 2.17 ) учитывает условия равновесия, физические зависимости деформируемости системы, обеспечивает учет сопротивления скручиванию в узлах сопряжения элементов системы и преимущественный изгиб в направлении оси фундамента в промежуточных точках.
С учетом контактной зависимости ( 2.6 ) уравнение ( 2.17) сводится к следующему определяющему дифференциальному уравнению четвертого 4ь порядка DAAh + (Pr-Ch)(l-v.x/C)=q , (2.18) В краевых точках принято условие свободных от закрепления краев, Это условие записывается следующим образом. МХ=МУ =0; Qx = Qy = 0 , (2.19) Уравнение (2.18) решается численно методом конечных элементов ( МКЭ ). В МКЭ статические граничные условия конечно- элементной системы учитываются в векторе внешних сил . При этом автоматически учитывается , что на незагруженных краях полосы изгибающий момент и поперечная сила равным нулю. При расчете используется хорошо развитый математический аппарат, разработанный для модели винклеровского основания. В реализованном решении использована апробированная методика [105 ] определения матрицы жесткости уравнения (2.18 ) для прямоугольных конечных элементов ( КЭ)
При разработке программы MZF использованы оптимальные методики разбивки на конечные элементы (КЭ) и решения систем уравнений, гарантирующие заданную точность. Результаты расчета выводятся в виде таблиц в текстовой файл mzf, tab. При К, = 1 положительными считаются направленные вверх перемещения; при Ks = 2 -вниз.
Интегральный способ определения осадок
В качестве модели основания принята модель местных упругих деформаций, расчетным параметром которой является коэффициент постели основания. Расчеты выполнены по программе MZF. Коэффициент постели основания принят постоянным, давление пучения и его неравномерность имеют нулевые значения. Достоверность получаемых результатов зависит от правильного назначения коэффициента постели основания. В технической литературе приводятся противоречивые данные о коэффициенте постели основания или дается интервал возможных значений этого коэффициента, крайние значения которых отличаются подчас в разы, как, например, в работе [111 ], таблица из которой приводится ниже ( табл. 3.1.). Наиболее достоверные значения коэффициента постели могут быть получены по методике М.И.Горбунова-Посадова [110], суть которой заключается в приравнивании осадок, полученных с использованием теории местных упругих деформаций, к осадкам, вычисленным методом послойного суммирования деформаций (модель упругого полупространства), то есть
Для упрощения расчетов осадок целесообразно пользоваться формулами (2.25,2.26), характеризующими распределение напряжений по глубине основания. Глубина сжимаемой толщи грунта Не определяется из условия, что на ее границе дополнительные вертикальные напряжения равны 20% природного давления грунта [ 1 ].
Согласно [ 1 ], если найденная по указанному выше условию нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е 500 тс/м2 или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = Не , значение Не определяется исходя из условия, что дополнительные вертикальные напряжения на границе сжимаемой толщи равны 10% природного давления грунта.
Как было сказано ранее, расчет выполнен по программе MZF с использованием модели местных упругих деформаций. В качестве вводимого в расчет параметра, зависящего от механических свойств грунта, принят коэффициент жесткости основания С0.
Схема фундамента приведена на рис. 2.1. Сохранены соотношения длин элементов системы, их изгибных жесткостей и нагрузок. Расстояние от внутренней поперечной стены до начала координат во всех рассмотренных вариантах принято равным 0,4 (где - условная длина фундамента 1). Приняты по три варианта значений (12,18 и 24 м), нагрузок q (4,10 и 12 тс/м), коэффициента жесткости основания С0 (500, 2000 и 4000 тс/м2) и четыре варианта приведенной изгибной жесткости EJ = (1,10, 20 и 30) -105 тс м2. Напомним , что под приведенной изгибной жёсткостью понимается изгибная жёсткость фундамента и стены.
Как следует из табл. 3.2, независимо от приведенной жесткости фундамента, с ростом его длины увеличиваются изгибающие моменты. При этом, в интервале значений жесткости от 105 до 10 105 тс м2 интенсивность увеличения М возрастает с увеличением длины фундамента.
Так, при нагрузке q = 4 тс/м и длине фундамента = 12 м увеличение значений изгибающих моментов составляет 50%, при = 18 м- 86%, при = 24м-300%. С ростом жесткости фундамента последняя оказывает незначительное влияние на изгибающие моменты. Например, при длине = 12 м увеличение EJ в два раза (с 1010 до 20-10 тс м ) приводит к увеличению изгибающих моментов на 1,6; 3 и 3,1% соответственно при q = 4,10 и 12 тс/м.
Как и следовало ожидать, относительные деформации (прогиб) фундаментов уменьшаются с ростом и изгибной жесткости и коэффициента жесткости основания и увеличиваются с ростом передаваемой на основание нагрузки (табл. 3.4), а также длины фундаментов. Так, при С0 = 500, 2000 и 4000 тс/м2, q= 12 тс/м, Ш=105тсм2 относительные деформации при = 12 м равны соответственно 1,31; 0,42 и 0,25 , а при = 24м -соответственно 1,83; 0,71 и 0,49. При I = 18 м эти данные приведены в табл. 3.4.
В зависимости от коэффициента жесткости основания влияние изгибной жесткости фундамента проявляется по-разному. Так, при EJ =105 тем2 (q = 4 тс/м) и С0 = 500 тс/м2 его относительная деформация в 3 с лишним и в 10 раз больше, чем при С0, равном соответственно 2000 и 4000 тс/м2.
Графики зависимости изгибающих моментов от нагрузки прижесткостиШх1СГ5тс.м2 : 1-1; 2-10;3-20; 4 - 30. (длина балки L = 18 м, коэффициент жесткости основания CJJ SOOTC/M2) изменяются при дальнейшем росте EJ. То же самое происходит при коэффициенте жесткости основания С0 = 2000 тс/м . Вместе с тем, при С0 = 500 тс/м влияние изгибной жесткости прослеживается во всем рассмотренном диапазоне значений EJ.
По методике , приведенной в подразделе 3.1, были определены значения коэффициентов жёсткости оснований мелкозаглубленных фундаментов , под которыми устроены песчаные подушки . Установлено , что как правило , значениях эти коэффициентов находится в диапазоне 2000 — 4000тс/м и зависит от толщины подушек и модуля деформации залегающих под ней грунтов. Таким образом , для определения изгибающих моментов ( дополнительных , к моментам, полученных из расчётов фундаментов по деформациям пучения можно воспользоваться графиками зависимости Мо = іЧКо)(см.Рис.3.2.)
При промежуточных значениях длины фундамента величина Мо определяется путём интерполяции . Так, при і = 18м изгибающий момент принимается равным среднему значению Мо при і = 12 и 24м. Формула ( 3.14 ) может быть использована также при расчете прочности мелкозаглубленных фундаментов на непучинистых грунах.
Анализ значений относительных деформаций показывает, что они соизмеримы с регламентированными предельными значениями только при С0 = 500 тс/м2 и изгибной жесткости балки ЕJ = 105 тс-м2. В остальных случаях в практических расчетах фундаментов их можно не учитывать.
Что же касается изгибающих моментов, вызванных осадками оснований, то их необходимо учитывать во всех случаях. В непучинистых грунтах полученные значения изгибающих моментов используются при расчете фундаментов на прочность.
Согласно формуле (2.23 ), расчетный изгибающий момент Мр равен сумме моментов от сил пучения Ми момента от осадок основания Mo.
При этом, необходимым условием является строгое соблюдение условия, что параметры, характеризующие пучинистые свойства грунта, и коэффициент постели основания соответствуют одним и тем же грунтовым условиям. Неоднородность грунта в плане и по глубине основания, а также глубина залегания подземных вод оказывают большое влияние как на деформации пучения грунтов, так и осадки оснований фундаментов.
Так, согласно Руководству [108 ], при однородном сложении грунта и глубоком расположении уровня подземных вод коэффициент неравномерности пучения v принимается равным 0,25; при близком расположении уровня подземных вод v = 0,35.
Расчет глубины промерзания грунта под утепленными отмостками
Вопросам теплового взаимодействия здания с грунтами основания посвящен ряд работ , в том числе [ 91, 118-121 ] . В общем случае тепловое взаимодействие инженерных сооружений с грунтами основания происходит за счет кондуктивного и конвективного переноса тепла с фазовыми превращениями грунтовой влаги. Однако, в такой постановке решение проблемы не существует. Все методы расчета, в том числе нормированные, изложенные в строительных Нормах и Правилах (СНиП 2.02.04-88), учитывают только кондуктивный механизм переноса тепла, который считается основным в прикладных задачах.
При необходимости учета конвективного переноса тепла прибегают к некоторым искусственным приемам, заключающимся в изменении определенным образом граничных условий или во введении соответствующих поправок в решение кондуктивной задачи.
Итак, ведущую роль в решении инженерных задач в геокриологии играют задачи кондуктивного теплообмена. Для обеспечения единственности решения уравнения теплопроводности необходимо задать начальные и граничные условия.
Начальные условия описывают температурное поле в некоторый момент времени, принимаемый за начало отсчета. Обычно начальные температуры определяются по данным изыскании.
Граничные условия описывают теплообмен рассматриваемой системы с внешней средой. В зависимости от температурного режима на границе различают три типа или, как принято говорить, рода граничных условий.
Граничное условие первого рода задает температуру на границе расчетной области как известную функцию времени и пространственных координат точек границы. Условие первого рода описывает идеальный тепловой контакт грунта с внешней средой, когда сопротивлением теплообмену можно пренебречь (например, металлическая труба, резервуар с известной температурой).
Условие второго рода задает тепловой поток, выделяемый сооружением в грунт или отбираемый из грунта.
Граничным условием третьего рода описывается теплообмен по закону Ньютона, который устанавливает пропорциональность между разностью температур по разные стороны границы и плотностью теплового потока через нее. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплообмена и может зависеть от координат и времени. Таким образом, граничное условие третьего рода содержит не одну, а две величины, которые задаются как заранее известные функции времени и участка границы.
Наиболее существенным процессом при тепловом взаимодействии сооружений с грунтами оснований является промерзание и оттаивание последних. При фазовых превращениях воды в лед и обратно теплопроводность и теплоемкость грунта изменяются, поэтому уравнение теплопроводности записывается отдельно для талой и мерзлой зоны, то есть получается система двух уравнений с двумя неизвестными температурами ti(x, у, z, т) - в талой зоне и t2(x, у, z, х) - в мерзлой.
При решении задач Стефана по неявной схеме появляются дополнительные трудности, связанные с фазовыми переходами. При большом шаге во времени фазовая граница может «проскочить» сразу несколько узлов сетки, что недопустимо, так как в узлах, изменивших свое фазовое состояние, должны быть сразу же скорректированы теплофизические параметры. Таким образом, задачи Стефана целесообразно решать по явной схеме, тем более, что в настоящее время известны весьма простые регуляризующие алгоритмы, которые позволяют в несколько раз увеличить шаг во времени без потери устойчивости схемы.
Энтальпийная формулировка является универсальной и применима к задаче Стефана. Она самым естественным образом сочетается с балансовым (энергетическим) методом построения конечно-разностных схем, где разностные уравнения выражают собой закон сохранения энергии.
По энтальпии однозначно восстанавливается как температура, так и относительная доля талой или мерзлой фазы. Это упрощает алгоритм и экономит память, так как на каждом временном шаге нужно вычислять и хранить не две, а одну величину — энтальпию.
Основные особенности примененного в программе «Тепло» алгоритма конечно-разностного решения задач Стефана состоят в следующем: использована явная схема с регуляризацией, что позволяет в несколько раз увеличить шаг во времени (и сократить время счета); использована энтальпийная форма решения и метод балансов, что приводит к наглядной физической интерпретации результатов и существенно повышает точность определения положения границ промерзания - оттаивания.
Программа «Тепло» разработана на кафедре геокриологии МГУ профессором Л.Н. Хрусталевым и др. [ 113 ] и предназначена для решения трехмерных асимметричных, а также одномерных и двухмерных задач теплопроводности с подвижными границами раздела фаз в неоднородных средах. Такие задачи возникают при расчетах и прогнозировании теплового взаимодействия промерзающих и вечномерзлых грунтов с окружающей средой и инженерными сооружениями.
Рассматриваются здания с температурой воздуха внутри них, равной 20С. Приняты два конструктивных решений полов: по грунту и по железобетонному цокольному перекрытию. Расстояние между бетонными ленточными фундаментами — 6 м. Фундаменты — шириной 0,6 м; глубиной заложения 0,3 м устроены на песчаной подушке толщиной 0,2 м.
При постоянной ширине траншеи, равной 0,7 м; ширина засыпки с каждой стороны фундамента составляет 0,1 м. С наружной стороны цоколя здания устроена утепленная отмостка, которая состоит из уложенного на грунт слоя экструзионного полистирола (с коэффициентом теплопроводности 0,035 Вт/мград) и бетонного покрытия средней толщиной 0,075 м. Толщина слоя утеплителя - 0,05; 0,10 и 0,15 м. Ширина отмостки, считая от цоколя здания, принята равной 0,5 и 1,0 м (в нескольких вариантах — 1,5 м).
