Содержание к диссертации
Введение
Глава1. Взаимодействие сооружения с основанием 12
1.1. Выбор модели основания 12
1.2. Причины проявления неравномерных деформаций элементов системы основание - фундамент - надфундаментная конструкция 19
Глава2. Классификация участков территории г.Краснодара на основе анализа геологического строения и гидрогеологических условий при увязке с концепцией развития города на ближайшие 25 лет 25
2.1. Геологические и гидрогеологические особенности территории г.Краснодара 25
2.2. Районирование городской территории на основе генезиса пород и характера проявления неравномерной сжимаемости грунтовых оснований 34
2.3. Увязка фактических инженерно-геологических условий предполагаемых строительных площадок с концепцией развития города на ближайшие 25 лет 43
Глава 3. Расчетные модели системы основание - фундамент - надфундаментная конструкция 49
3.1. Анализ расчетного аппарата 49
3.2. Анализ сравнения результатов расчетов для различных программных комплексов. Сопоставление с данными натурных наблюдений за осадками реальных зданий 62
3.3. Пределы применимости различных программных комплексов для геотехнических и прочностных расчетов 74
Глава 4. Методы регулирования НДС системы основание -фундамент - надфундаментная конструкция за счет конструктивных особенностей фундамента 77
4.1. Влияние глубины заложения фундамента и плановых размеров его подошвы на показатели сжимаемости основания 77
4.2. Численное определение влияния различных конструктивных особенностей фундамента на его пространственную жесткость 87
4.3. Методика расчета и конструирования фундамента с использованием свай разной длины 107
4.4. Расчет и конструирование заанкеренного фундамента 125
Глава 5. Практическая реализация разработанных методик 129
5.1. Компенсация неравномерной сжимаемости основания фундаментом коробчатого сечения с диафрагмами жесткости 129
5.2. Расчет и конструирование коробчатого фундамента в сложных условиях городской застройки 134
5.3. К проектированию тяжелых сооружений на просадочных грунтах 140
5.4. Повышение пространственной жесткости фундамента колеса обозрения методом оребрения 146
Заключение и основные выводы 151
Литература 153
Приложения 167
- Причины проявления неравномерных деформаций элементов системы основание - фундамент - надфундаментная конструкция
- Анализ сравнения результатов расчетов для различных программных комплексов. Сопоставление с данными натурных наблюдений за осадками реальных зданий
- Численное определение влияния различных конструктивных особенностей фундамента на его пространственную жесткость
- К проектированию тяжелых сооружений на просадочных грунтах
Введение к работе
Актуальность работы
В связи с интенсивным ростом объемов строительства в городах возникла необходимость освоения площадок, долгое время остававшихся невостребованными из-за сложного геологического строения. Сегодня проектирование зданий и сооружений в населенных пунктах все чаще сталкивается с освоением так называемых неудобий: бывших свалок, оползневых склонов, засыпанных оврагов, палеопритоков рек и т.п. Во всех случаях приходится иметь дело с анизотропными основаниями, отличающимися значительной неравномерностью физико-механических характеристик.
В то же время архитектурные и технологические требования, предъявляемые к проектируемым объектам, предопределяют передачу больших нагрузок от здания на основание. Наряду с архитектурным обликом одним из основных требований становятся быстрые темпы строительства, возможность освоения подземного пространства под пятном здания, минимальный расход строительных материалов.
При решении поставленной задачи рационального проектирования требуется в первую очередь разобраться в причинах проявления изменчивости свойств грунта осваиваемых территорий и неоднородности физико-механических характеристик. Для этого необходим детальный анализ и прогнозирование возможных изменений свойств грунтов оснований, а также анализ материалов инженерно-геологических изысканий. Необходимо наиболее эффективно использовать жесткость несущих элементов здания, работающего совместно с основанием, что во многих случаях может привести к существенному снижению стоимости строительства.
Для зданий, возводимых в сложных грунтовых условиях, задача по составлению схемы для совместного расчета становится комплексной, включающей такие важные части, как:
Определение характеристик основания, выбор его расчетной модели;
Подбор рациональной конструкции фундамента, обеспечивающего безаварийную эксплуатацию здания;
Учет пространственной жесткости надфундаментных конструкций.
В системе основание-фундамент-сооружение именно за счет фундамента, его размеров, формы, конструктивных особенностей возможны рациональные решения, позволяющие избежать б< л^^|№{ЙРЙ?5|У/ныа деформаций.
БИБЛИОТЕКА і
2*Sfc&ft
4 Цель диссертационной работы. Разработать методику расчета и конструирования, обеспечивающую оптимизацию проектирования зданий и сооружений на неравномерно сжимаемых грунтах при рассмотрении системы основание—фундамент-надфундаментная конструкция с обоснованием оптимальных мероприятий, позволяющих регулировать НДС системы.
Задачи исследования:
-
Обобщить геологические, гидрогеологические особенности территории г.Краснодара.
-
Предложить классификацию участков территории г.Краснодара по удобству освоения на основе анализа геологического строения и гидрогеологических условий при увязке с концепцией развития города на ближайшие 25лет.
-
Изучить закономерности деформирования грунтового массива под нагрузками при использовании различных расчетных моделей основания с учетом его распределительной способности.
-
Проанализировать современный расчетный аппарат и показать возможность использования расчетных программ для решения различных классов задач.
-
Провести серию численных экспериментов с определением степени влияния различных конструктивных особенностей фундамента на его пространственную жесткость.
-
Разработать методику расчета и конструирования фундамента с использованием разнозаглубленных свай.
-
Определить достоверность разработанных методик и рекомендаций на основе наблюдений за натурными объектами, в которых они реализованы.
Научная новизна работы:
-
Предложена классификация участков территории г.Краснодара по удобству освоения на основе анализа геологического строения и гидрогеологических условий при увязке с концепцией развития города на ближайшие 25лет.
-
Проведен анализ современного расчетного аппарата и показана возможность использования расчетных программ для решения различных классов задач.
-
Определена степень влияния различных конструктивных особенностей фундамента на его пространственную жесткость при неравномерно сжимаемом основании.
5 4. Разработана методика расчета и конструирования фундамента с использованием разнозаглубленных свай.
Объектами исследования являются здания и сооружения городской архитектурно-строительной системы, возводимые на неравномерно сжимаемых основаниях.
Практическая значимость работы:
-
Обобщены сведения о геологическом строении и гидрогеологических условиях территории г.Краснодара, а также собраны данные о предполагаемой застройке на ближайшие 25 лет.
-
Результаты работы позволяют при рассмотрении инвестиционного проекта городской застройки или конкретного объекта предусмотреть мероприятия по минимизации или ликвидации возможных негативных воздействий на проектируемое здание от неравномерных деформаций основания за счет конструктивных особенностей фундамента и выбора места расположения здания.
-
Разработанные проектные решения оснований и фундаментов внедрены при возведении многих строительных объектов, что подтверждается соответствующими актами о внедрениях.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Классификация участков территории г.Краснодара по удобству освоения на основе анализа геологического строения и гидрогеологических условий при увязке с концепцией развития города на ближайшие 25лет.
-
Сопоставление результатов расчета с данными натурных наблюдений за осадками зданий, подтверждающих достоверность численного моделирования.
-
Степень влияния различных конструктивных особенностей фундамента на его пространственную жесткость при неравномерно сжимаемом основании.
-
Методика расчета и конструирования фундамента с использованием разнозаглубленных свай.
Достоверность результатов исследований обоснована использованием современной базы данных о геологическом строении и гидрогеологических условиях территории г.Крзснодара. Для численного моделирования использован современный расчетный аппарат. Достоверность подтверждается высокой степенью согласования результатов расчетов и данных натурных наблюдений, а
также проектной и эксплуатационной надежностью объектов, для которых применялись предложенные в работе методики и рекомендации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и доложены на V Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (Сочи, 2003), научно-технической конференции молодых ученых ВУЗов Южного федерального округа (Краснодар, 2003), региональных научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2000-2003), 60-ой научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ «Механика грунтов. Основания и фундаменты» (Санкт-Петербург, 2004), научном семинаре кафедры «САПР ОСФ» ЮРГТУ (Новочеркасск, 2003), ежегодных научных семинарах кафедры оснований и фундаментов КГАУ (Краснодар, 2001-2004).
Внедрение результатов: Результаты исследований и практические реко
мендации, разработанные в диссертационной работе, внедрены в
ОАО«Краснодаргражданпроект» (г.Краснодар), ОАО«Кубаньпроект»
(г.Краснодар), 000«Выбор» (г.Новороссийск), а также в учебном процессе КГАУ. Отдельные части диссертации (2 глава) разработаны при содействии специалистов Комитета по архитектуре и градостроительству Краснодарского края, ЗАО «СевКавТИСИЗ», ОАО «Краснодаргражданпроект».
Разработанные методики и рекомендации применялись при проектировании следующих строительных объектов:
Культурно-зрелищный комплекс в пАгой Краснодарского края.
Административное здание Сбербанка РФ в г.Новороссийске.
Торговый дом «Арбат» по ул.Красной в г.Краснодаре.
Здание бизнес-центра по ул.Красной, 135 в г.Краснодаре.
Фундаменты колеса обозрения в парке аттракционов в г.Геленджике.
Структура и объемработы. Диссертационная работа (166 стр. основного текста, 13 таблиц, 72 рисунка) состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников (156 наименований) и 5 приложений.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в десяти публикациях.
7 Теоретические и экспериментальные исследования проведены на кафедре оснований и фундаментов КГАУ под руководством академика МАНВШ, доктора геолого-минералогических наук, профессора Шадунца Константина Ша-геновича, которому автор выражает благодарность за постоянное внимание к работе. Автор также выражает признательность за помощь при выполнении исследований Пивнику Н.П., Батуриной А.Н., Водопьяновой О.Г.
Причины проявления неравномерных деформаций элементов системы основание - фундамент - надфундаментная конструкция
Действующие федеральные и региональные нормы предписывают учитывать совместную работу здания с основанием в условиях (дословная цитата из Петербургских ТСН 50-302-96):
«... - неравномерной сжимаемости грунтов на естественном основании и под острием висячих свай;
- подрабатываемых территорий в районах возможного изменения свойств основания в связи со строительством подземных сооружений под построенными или проектируемыми объектами (метро, коллекторы больших диаметров, подземные переходы и т.д.);
- дополнительных осадок, вызванных строительством новых объектов на соседних участках, т.е. в зоне их влияния».
При этом должна быть учтена жесткость сооружения, влияющая на перераспределение нагрузок на основание в различных точках фундамента, что позволяет точнее рассчитывать и экономичнее проектировать фундаменты и надфундаментные конструкции.
Выражение (1.5) имеет большое значение в промышленном строительстве, когда необходимо выдерживать заданные уклоны в технических трубопроводах, по которым продукт идет самотеком [21]. Нарушение может привести к несоблюдению технологического процесса. В гражданском и жилищном строительстве при нарушении условия (1.5) - при очень больших осадках сооружения - выпуски коммуникаций могут получить обратный уклон, либо разрыв, что нарушает нормальную эксплуатацию здания. Нередко такие явления встречаются в зданиях, построенных на просадочных или заторфованных грунтах.
Для большинства зданий и сооружений, возводимых на сжимаемых основаниях, наиболее неблагоприятным воздействием является неравномерная деформация, величина которой не должна превышать допустимое значение (1.6). При проявлении неравномерности осадок основания возникают различные виды деформаций здания - прогиб, выгиб, перекос, кручение, а также их сочетания.
Условие (1.7) является основным при ограничении кренов сооружений. Для высоких зданий, оборудованных лифтами, большие крены приводят к заклиниванию лифтов и выходу их из строя. Конструкции высотных зданий, как правило, имеют достаточную жесткость, поэтому грунт в основании такого здания работает как жесткий штамп, развивая под краями плиты зоны пластических деформаций. При величинах давления, не превышающих расчетного сопротивления грунта, такие зоны не оказывают существенного влияния на осадку фундаментов. При этом в расчетах очень важно учитывать, что величина крена фундамента по упругому решению значительно отличается от решения по упругопластической модели грунта. Крен здания при нагрузке, равной расчетному сопротивлению, может превышать расчетные ожидания до 1,5 раза. В работе [123] авторы на основании расчетов приводят график (рис. 1.4) зависимости отношения осадок и крена по упругопластическому (кривые 2,3) и упругому решениям (кривая 1). Кроме того, при проектировании высотных зданий необходимо учитывать дополнительный эксцентриситет, возникающий при смещении центра тяжести при возникновении крена. При учете этого фактора величина крена может превышать в 2 и более раз прогнозируемую величину, полученную по расчету с использованием упругой модели грунта.
Таким образом, в расчете очень важно учитывать нелинейную работу основания, чтобы предотвращать возможное развитие сверхнормативных кренов.
В реальных условиях в различных точках грунтового массива всегда будет возникать различное напряженно-деформированное состояние, даже при регулярной конструктивной схеме и однородном основании. Поэтому всегда необходимо следить за выполнением вышеперечисленных условий (1.5-1.7).
Анизотропность и неоднородность грунтового массива в плане и по глубине, нерегулярность сооружения, разное загружение рядом расположенных фундаментов — еще больше осложняют прогнозирование характера совместной деформируемости здания и основания (рис. 1.5).
Причиной повышения деформативности грунта в средней или крайней части здания может явиться локальное увлажнение просадочного грунтового основания, если просадочные свойства грунтов не были ликвидированы полностью или уменьшены до безопасных пределов (рис.1.5,е). При плавном растекании воды от середины к торцам проявляется изгиб со слабыми сдвиговыми деформациями. При этом ориентация трещин в стенах здания хорошо соответствует траекториям главных растягивающих напряжений [21].
Т.к. в последнее время благоприятные с точки зрения грунтовых условий строительные площадки - большая редкость, особенно в крупных городах, здания часто приходится возводить на засыпанных оврагах, руслах рек и бывших свалках (рис.1.5,а). В таких условиях, если здание возводится на пересечении с кромкой бывшего оврага или русла реки, при неправильном проектировании нарушения в несущих конструкциях появятся обязательно. Также дефицитом площадок обусловлено строительство зданий на участках с наличием частей старых фундаментов или осложняющими литологию площадки инженерно-геологическими элементами (рис.1.5,б,в). Как показывает практика проектирования, - неравномерные деформации сооружений очень часто возникают из-за неучета этих факторов.
Перекос стен здания может проявиться при пристройке к существующему зданию новых с нарушением правил примыкания и неучетом взаимного влияния. При этом активные зоны под фундаментами зданий накладываются друг на друга, вызывая дополнительные вертикальные деформации грунта основания и надфундаментных конструкций (рис.1.5,д).
Часто в процессе эксплуатации здания могут меняться функциональные назначения помещений с изменением величины нагрузки (рис.1.5,и). В этом случае кручение здания, обусловленное деформацией грунта от догружения фундаментов, будет неизбежным.
В целом, на практике вышеперечисленные деформации изгиба, кручения, крена, перекоса редко проявляются по отдельности. Чаще всего они дополняют друг друга. Поэтому на стадии проектирования очень важно уметь предусматривать эффективные конструктивные мероприятия, которые позволяли бы компенсировать усилия от неравномерных деформаций.
Необходимо отметить, что такие мероприятия должны иметь системный характер, учитывая масштабность и интенсивность темпов городского строительства.
Многие крупные города России в последнее время разрабатывают долгосрочные генеральные планы своего развития. Почти все такие концепции предусматривают массовую застройку пустующих участков. При размещении предполагаемых зданий и сооружений на плане необходимо предусматривать целый комплекс мероприятий, руководствуясь не только инфраструктурой города, но и геологическими, гидрогеологическими особенностями застраиваемой территории. Только при таком подходе в будущем будет обеспечена оптимизация проектирования и строительства, а также дальнейшее успешное развитие города.
При решении поставленной задачи необходимо проводить анализ обширной базы данных и взаимоувязывать имеющуюся информацию.
На сегодняшний день Краснодарский край - один из самых быстроразвивающихся регионов России. Для города составлен генеральный план с концепцией развития на 25 лет. В данной диссертационной работе сделана попытка на основе системного подхода обобщить все имеющиеся данные о гидрогеологических особенностях, геологическом строении, о предполагаемой застройке г. Краснодара для обеспечения оптимизации будущего проектирования. Этому посвящена 2 Глава работы.
Предложенный в работе системный подход может быть применен и к другим городам с похожими условиями. Такой подход видится весьма актуальным при развитии крупных городов нашей страны.
Анализ сравнения результатов расчетов для различных программных комплексов. Сопоставление с данными натурных наблюдений за осадками реальных зданий
Сегодня конкуренция между различными расчетными конечноэлемент-ными комплексами заставляет их разработчиков наиболее полно представлять свою продукцию пользователям. Почти всегда информация о программном продукте сопровождается красочными иллюстрациями, впечатляющими воображение потенциального покупателя. Однако в большинстве случаев такие иллюстрации носят скорее рекламный характер и не дают реального представления о достоверности применения предлагаемого программного комплекса, хотя именно достоверность результатов расчета должна являться определяющим критерием при выборе.
Тем более что время, когда результаты расчетов не подвергались сомнению лишь потому, что были получены при помощи численного моделирования, безвозвратно прошло. Сейчас специалистов в первую очередь интересуют конкретные числовые значения рассчитываемых параметров и возможность эффективного контроля их достоверности [36].
В данном разделе диссертационной работы представлен ряд примеров, направленных на решение различных классов задач, которое получено с помощью описанных выше программных комплексов. В задачах рассмотрены пластинчатые конечные элементы, а также объемные, при помощи которых моделируется грунтовый массив. При этом сравнительным критерием являются величины усилий и перемещений (деформаций) для аналогичных расчетных схем, составленных в разных программных комплексах. Приведены примеры расчета системы основание-фундамент-надфундаментная конструкция в пространственной и плоской постановке, при этом приводится сопоставление результатов некоторых задач с данными натурных наблюдений за осадками реальных объектов.
Проведенный выше анализ результатов решения тестовых задач показывает, что результаты с достаточной степенью точности согласуются друг с другом. Каждый из рассмотренных программных комплексов может быть использован для проведения прочностных расчетов строительных конструкций, если удается корректно моделировать грунтовое основание.
При выборе модели грунта необходимо определить, какая мера деформаций рассматривается при работе основания, а также состояние массива грунта: стабилизированное или нестабилизированное [145]. Под мерой понимается либо допущение о малости деформаций по отношению к деформированной области (например, нагружение основания весом сооружения), либо возникновение смещений, сопоставимых с размерами деформируемой области (оползень, потеря устойчивости стенок).
Обычно проектировщики в расчетах используют двухпараметрическое основание. В ряде работ отмечено, что расчеты с применением такой модели дают вполне удовлетворительное совпадение с расчетами по упругой пространственной модели грунта [146] при корректном назначении коэффициентов постели. В геотехнических расчетах широкое применение получили физически нелинейные модели работы грунта, например, пятипараметрическая (у, Е, v, С, ф) теория пластического течения.
В рассматриваемых ниже задачах анализируется работа гибких и жестких фундаментов, взаимодействующих с основанием, представленным различными моделями, реализованными в анализируемых программных комплексах. Во всех задачах величина сжимаемой толщи и законтурной области основания принимались согласно действующим СНиП [107], а также с учетом рекомендаций, приведенных в книгах М.И. Горбунова-Посадова [33], Ю.К.Иванова, П.А.Коновалова, Р.А.Мангушева, С.Н.Сотникова [46] и др. При этом сравнительным критерием является величина осадки основания. После каждого расчета полученные данные приводятся в графической и табличной форме для удобства сравнения результатов.
Кроме того, для оценки корректности использования программ дополнительно решены тестовые задачи, в которых размеры основания приняты в соответствии с решением теории упругости. При этом рассмотрены гибкие и жесткие фундаментные плиты (см. Приложение 4).
Как видно, совпадение полученных значений - вполне удовлетворительное. Погрешность в результатах может быть объяснена учетом в PLAXIS зон пластических деформаций, возникающих под фундаментной плитой, работающей, по сути, как жесткий штамп. Кроме того, как показывает проведенный анализ, расчеты с использованием формул В.И. Сливкера и В.А. Барвашова дают удовлетворительное совпадение с расчетами по упругой пространственной модели грунта.
Наиболее важным фактором, определяющим достоверность применения той или иной модели грунта, взаимодействующего со зданием, являются натурные наблюдения за осадками.
Рассмотренный ниже объект рассчитан и запроектирован при участии автора. За ним велось постоянное наблюдение с момента начала строительства.
Здание Новороссийского отделения №68 Сбербанка РФ изначально предполагалось возводить на свайных фундаментах из-за сложного геологического строения грунтовой толщи. Однако после расчета по предложенной в диссертации методике свайный фундамент был заменен на коробчатый. Подробно об этом описано ниже (см. Главу 5). Нужно отметить, что при расчетах было использовано упругое основание с переменным коэффициентом жесткости, о задании характеристик которого также подробно описано в Главе 5.
Неравномерно сжимаемое основание под пятном здания характеризуется незакономерным переслаиванием органоминеральных суглинистых слоев с более прочными глинистыми грунтами. Подстилающим слоем на глубине 6-8м являются слабосжимаемые мергели.
Большой интерес представляют данные натурных наблюдений за осадками, которые велись в течение года до настоящего времени (см. рис.3.9), а также их сопоставление с расчетными величинами. Осадочные марки были заложены в фундаментной плите по периметру здания при проведении монтажных работ. Как видно из сравнения (см. Табл. 3.6), расчетные ожидания с высокой степенью точности подтвердились. Кроме того, совпали не только абсолютные значения осадок, но и характер деформирования.
В этом можно убедиться, сравнивая замеренные значения осадок с полученными по расчету изоповерхностями осадок фундаментной плиты, а также с ее деформированной схемой (см. рис.3.8 в, г). На схеме можно выделить зону с максимальными деформациями в левой части плиты, а также область минимальных осадок - в правой части, что в точности соответствует наблюдениям.
В качестве следующего объекта выбрано здание 96 квартирного 12-этажного жилого дома, запроектированное одной из проектных организаций г.Краснодара, расположенное в юго-западной части Юбилейного микрорайона города. Конструктивная схема здания - многослойные несущие стены и перекрытия из сборных пустотных плит.
В геоморфологическом отношении площадка представляет собой спланированную путем намыва и подсыпки поверхность поймы р.Кубани. В геологическом строении площадки до изученной глубины 25м принимают участие техногенные, делювиально-аллювиальные и аллювиальные отложения четвертичного возраста.
Здание выбрано для наблюдений в связи с тем, что при его возведении для соседних блок-секций были применены различные конструктивные схемы фундаментов. Это было обусловлено наличием на месте одной из блок-секций заброшенного свайного поля, которое в последствии было расширено под первую блок-секцию. Соседнюю было решено возводить на плитном фундаменте (рис. 3.10).
Численное определение влияния различных конструктивных особенностей фундамента на его пространственную жесткость
Во многих случаях неравномерная сжимаемость основания определяется неоднородностью литологического строения сжимаемой толщи под пятном здания и формирует сверхнормативные относительные деформации конструкций при допустимых значениях полных осадок и величин кренов. В проектной практике такие случаи встречаются нередко (рис. 4.4). Для зданий со значительными размерами в плане различные по сжимаемости участки могут проявляться локально, например, в центре или у края (см. Главу 1). Часто проектировщики, не задумываясь, решают подобные проблемы за счет свайного фундамента, существенно увеличивая стоимость нулевого цикла здания [138-140].
Таким образом, при разработке методики необходимо провести численные эксперименты для предлагаемых фундаментов и определить оптимальные конструкции. В ходе экспериментов необходимо определить влияние различных конструктивных параметров фундамента (варьируемых факторов) на компенсацию неравномерных деформаций (рис 4.5).
Для любой фундаментной конструкции важным параметром является ее жесткость. Иными словами, - сопротивляемость деформациям при взаимодействии с неравномерно сжимаемым основанием. В зависимости от вида нагрузки элементы конструкций могут находиться в различных напряженных состояниях. При осевом воздействии, изгибе, сдвиге, кручении жесткость определяется по-разному. Чем сложнее вид деформации элемента, тем более сложные геометрические характеристики сечения необходимо определять.
При этом самым существенным фактором, формирующим жесткость элемента, является размещение материала по сечению в зависимости от действия нагрузки. Вопросами рационального сечения в разное время занимались многие исследователи [19]. Чем сложнее вид напряженного состояния элемента или конструкции, тем большее влияние на величину ее жесткости приобретает именно этот фактор [23].
Эксперименты по определению оптимальных мест расстановки жестких элементов для плоской многоэтажной, многопролетной рамы при действии единичной нагрузки были проведены в ЦНИИСК им. Кучеренко. Ниже на рис.4.6 показаны исследуемые схемы с различным распределением элементов жесткости.
В работе [21] дается анализ этого эксперимента. Из рисунка видно, что величина горизонтального смещения рамы, обратная ее жесткости, - не одинакова. Кроме того, различаются формы смещения рамы - от изгибной до сдвиговой. Величины удельной жесткости одной диафрагмы (жесткого элемента), определенные как частное от деления интегральной жесткости на число диафрагм, для различных схем представлены в Таблице 4.1.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что вопрос размещения элементов жесткости - очень важен. Нерациональное размещение материалов в сечении может дать минимальный эффект по отношению к материальным затратам.
Грамотное решение качественной задачи распределения элементов жесткости позволяет предусмотреть наиболее рациональную и экономичную конструкцию.
Представленный на рис 4.6 эксперимент выполнен в плоской постановке и не учитывает свойства основания, однако он определяет инженерный подход при назначении оптимальной жесткости конструкции.
Современные программные комплексы дают возможность проводить подобные компьютерные эксперименты в трехмерной постановке с учетом пространственных форм деформирования фундамента и надфундаментных конструкций, а также с учетом неоднородности грунтового основания. В данной работе при помощи численного моделирования исследуется влияние различных конструктивных особенностей фундамента (рис. 4.5) на его про странственную жесткость при неравномерных деформациях основания. Для решения поставленной задачи использованы расчетные комплексы STARK_ES, COSMOS, PL AXIS Неоднородность основания моделируется при помощи переменного коэффициента жесткости упругого основания. Таким способом моделируется неоднородность основания в центре здания (рис.4.7), имитирующая часто встречающиеся в проектной практике ситуации, представленные выше на рис 4.1, а. а) Полученные результаты должны быть оценены по определенным критериям, таким как величина относительной деформации фундамента, удельная жесткость на единицу материала, экономичность. В диссертационной работе предлагается за основной критерий принимать удельную жесткость К, определяемую по формуле.
Целью численных экспериментов является определение эффективности использования той или иной конструкции фундамента, регулирующего неравномерные деформации основания. Для исследуемых конструктивных схем строятся графики изменения величины относительной деформации основания по длине сооружения, позволяющие определить конструктивную схему фундамента с лучшей распределительной способностью. Однако окончательная эффективность учитывает также расход материала, при помощи которого достигается интегральная жесткость системы.
По графику можно установить, что для компенсации неравномерных деформаций наиболее эффективным является применение коробчатого фундамента с диафрагмами жесткости. Причем при увеличении количества этажей коробчатого типа характер неравномерности существенно изменяется по сравнению с вариантом без устройства диафрагм, а также плитным фундаментом. Однако рациональность каждой из предлагаемых конструктивных схем зависит также от расхода материала и технологичности принятого решения. Для анализа этих параметров данные по неравномерным деформациям и расходу материала сведены в Таблицу 4.2. Удельная жесткость, определенная для каждого из вариантов, также доказывает наибольшую эффективность коробчатого подземного этажа с диафрагмами жесткости, которая становится больше с увеличением количества этажей такого типа. Как показала практика мирового строительства, в эпоху проблемы энергосбережения такой конструктивный подход наиболее эффективен при грамотном размещении гидроизоляции и коммуникаций [47,87].
В проектной практике внешний облик здания и внутренняя планировка часто определяются архитектурными и эстетическими требованиями. В связи с этим размещение диафрагм жесткости внутри помещения часто становится проблематичным. В этих случаях добиться равномерных деформаций фундамента можно при помощи устройства объединенных фундаментной плитой ребер жесткости, устроенных вниз на определенную глубину с различным шагом. В ходе численных экспериментов исследованы различные конструктивные схемы фундамента с ребрами глубиной от 1 до Зм с шагом от 2 до 6м (см. рис. 4.11). Из графика (рис. 4.12), можно сделать вывод, что относительные деформации существенно снижаются с увеличением глубины ребер, а также при уменьшении величины их шага в плане. Из Таблицы 4.3 видно, что удельная жесткость материала неизменно растет с увеличением глубины заложения ребер, снижаясь при уменьшении шага их расстановки в плане.
Анализ практического опыта строительства крупных изотермических резервуаров показывает, что в большинстве случаев такие резервуары приходится строить либо на искусственных основаниях, либо с применением фундаментов глубокого заложения (рис. 4.13). Это связано с тем, что данный вид резервуаров предъявляет исключительно жесткие требования к осадкам и кренам фундаментов. Например, для некоторых видов резервуаров прогиб днища до 250мм является обычным делом, в то время как для изотермических, прогиб более 50мм приводит к выходу их из строя.
Такие жесткие требования приводят к существенным (а иногда и принципиальным) изменениям в конструкции фундамента и серьезно затрудняют использование опыта, накопленною при строительстве крупных резервуаров.
Учитывая высокую токсичность самого продукта и жесткие требования к осадкам фундаментов, в мировой практике принято избегать размещения подобного рода объектов на площадках, со сложными геологическими условиями («Технический документ Всемирного Банка № 139»).
К проектированию тяжелых сооружений на просадочных грунтах
Неэффективность многих проектных решений связана с неверной интерпретацией материалов инженерно - геологических изысканий. Так, при проектировании восьми 16-этажных жилых домов в новом Почтовом микрорайоне г. Краснодара, застройка которого предусматривается в основном высотными зданиями, было решено возводить их на свайных фундаментах из-за наличия в основании слоя просадочных грунтов, подстилаемого выдержанным прослоем мелкозернистых песков. Большие величины начального просадочного давления и наличие в основании просадочных грунтов водопроводящего прослоя песков позволяют прогнозировать, что подъема уровня подземных вод на участке строительства быть не должно. Естественной дреной всего микрорайона является река Кубань, так что подтопления, подобного Волгодонскому, произошедшему из-за подъема грунтовых вод, в районе строительства быть не может. Использование в качестве фундамента плиты на упругом основании защитит от замачивания при возможных утечках из коммуникаций внутри здания.
Сравнительно часто ошибки в расчетах осадок зданий, проектируемых на просадочных основаниях, связаны с определением величины деформаций на базе модулей, установленных при испытаниях замоченного грунта. В учебниках отмечено, что лессовые грунты проявляют просадочные свойства только при достижении некоторого предела влажности, называемого начальной просадочной влажностью, а полная деформация просадочного основания равна сумме осадки при естественной влажности грунта и просадки при его замачивании [34,124].
Свайные фундаменты в рассматриваемом проектном решении нерациональны еще и потому, что приходится пробивать пропласток песка, имеющий толщину порядка 1,1 м и заглублять сваи в глины со сравнительно высокими значениями показателя текучести. Несущая способность девятиметровых свай сечением 30x30 см с учетом снижения за счет сейсмики и «возможного» замачивания оказалась порядка 37т, а общее количество свай для трех рассчитываемых блок-секций около 1000 шт. Учитывая потребность в опалубке для бетонирования ростверков и определенные сложности в технологии их возведения, свайный фундамент с большим количеством свай значительно проигрывает плитному в стоимости.
Просадочность проявляется при подъеме уровня подземных вод, либо при локальном замачивании в результате утечек из коммуникаций. Необходим детальный анализ геологических и гидрогеологических условий площадки для обоснования возможности проявления просадки при принятой конструктивной схеме здания и фундаментов.
Проявление просадок основания при увеличении влажности грунтов вследствие замачивания сверху «больших площадей» (СНиП 2.02.01-83. стр.33) [107] зависит от величины относительной просадочности. Лабораторные эксперименты по определению этой величины для слоев грунта, в пределах которых происходят колебания уровней подземных вод, должны проводиться в два этапа. Первые испытания выполняются с замачиванием под нагрузкой, соответствующей бытовой, затем необходима выдержка во времени со снижением влажности до уровня естественной, соответствующей периоду низкого стояния УПВ (уровня подземных вод), и второе испытание с замачиванием под нагрузками, равными сумме природной и дополнительной. Обычно в зоне переменного уровня просадка от природного давления оказывается реализованной. Об этом можно судить, сравнивая значения коэффициентов пористости на разных глубинах.
Одной из причин возможного повышения влажности лессовых грунтов в основаниях плитных фундаментов, как отмечено в п.3.2. СНиП 2.02.01-83 [107], является постепенное накопление влаги в грунте вследствие инфильтрации поверхностных вод и экранирования земной поверхности [27]. Благоустройство участка многоэтажной застройки с выполнением уширенных отмосток отдаляет зоны замачивания от подошвы плитных фундаментов. Зона имеет вид луковицы с предельным углом растекания воды до 60. При мощности просадочного грунта под подошвой плиты 4.4м зона захватит порядка 1м при ширине плиты 19.3м. Учитывая жесткость здания и протяженность плиты, при локальном замачивании участка основания с края, крен сооружения не возникнет. Проблематичность замачивания грунта в основании плиты связана также с фильтрационной анизотропией лессовых грунтов. Утечки из водонесущих коммуникаций за пределами плиты будут просачиваться вниз и уходить по песчаному пропластку. В книге А.А Мустафаева [77] отмечено, что коэффициенты фильтрации лессовых грунтов в вертикальном и горизонтальном направлениях различаются. Первый больше второго в 1.7-2.8 раза.
В [27] приведены сведения о том, что «...Застройка территории жилыми зданиями преимущественно сказывается на зоне сезонных колебаний (в Краснодаре это порядка Зм). Наблюдения в г. Ростове-на-Дону показали, что в процессе эксплуатации жилых зданий средняя величина влажности грунтов основания повышается на несколько процентов, но остается ниже капиллярного насыщения».
Величину относительной просадочности стоит определять не только по результатам стандартной методики, при которой моделируется замачивание грунта основания в процессе возведения и в начальный период эксплуатации здания. Необходимо также установить возможность просадки после стабилизации осадки здания во времени, при моделировании возникновения процесса замачивания грунта вследствие утечек из обветшавших коммуникаций или накопления влажности под плитами за счет нарушения режима транспира-ции. Несомненно, значения относительной просадочности, полученные по второй методике, будут существенно меньшими, т.к. грунт предварительно уплотнен, и пористость его снизилась.
Анализ напряженно-деформированного состояния здания, взаимодействующего с грунтом, был проведен при помощи программного комплекса ProFEt7.20-Stark3.0.
При расчете системы «основание - сооружение» с применением современных компьютерных программ необходимо правильно выбрать модель основания и задать его характеристики, что обычно вызывает определенные затруднения, особенно в случаях, когда основание неоднородно по своему сложению или, к примеру, проявляет в определенных частях сжимаемой толщи просадочные свойства.
Для определения значений опорных реакций под подошвой фундаментной плиты расчет был проведен с применением двухпараметрового упругого основания, описываемого коэффициентами Сь С2. Первый коэффициент учитывает сжатие грунта, второй его сдвиг [71,81,146]. В целом, для определения реактивных давлений особой точности при назначении граничных условий не требуется. Погрешность в значении до 30% не оказывает практического влияния на точность результатов опорных реакций, изгибающих моментов, поперечных сил [33,стр.79]. В полной мере погрешности в назначении граничных условий сказываются при определении осадок основания.
Поэтому при составлении расчетной схемы системы «основание - сооружение» сжимаемая толща была представлена в виде 3-D пространства с учетом физико-механических характеристик каждого инженерно-геологического элемента (рис. 5.6), сведения о которых собраны в Таблицу 5.1.
При этом мощность нижнего слоя ИГЭ8 была принята в соответствии с расчетом по определению величины сжимаемой толщи грунта по методике СНиП [107] от среднего значения реактивного давления, полученного при рассмотрении системы с двухпараметрическим основанием. Величина сжимаемой толщи получилась равной порядка 27м.
Ширина законтурной области влияния упругого основания подбиралась итерационным методом до величины, на границе которой вертикальные перемещения грунта практически затухали. При анализе величин деформаций грунта на нижней границе сжимаемой толщи, максимальные перемещения оказались меньше 5мм, что подтвердило правильность назначения толщины .
Средневзвешенная величина осадки фундаментной плиты определялась на основании плана плиты со значениями изоповерхностей деформаций.
В результате сложения средней осадки фундамента (8.0см) и возможной просадки (7.5см), максимальная деформация основания получилась равной около 15см, что не превышает допустимой величины осадки для данного типа зданий [107].
При правильной интерпретации материалов инженерно-геологических изысканий, а также в результате проведенных расчетов удается обосновать наиболее рациональное конструктивное решение, обеспечивающее безаварийную эксплуатацию фундаментов многоэтажных зданий на основании, включающем слои просадочного грунта [139].
