Введение к работе
Актуальность работы. При решении вопросов реконструкции и восстановления зданий в последние годы все более важное значение приобретает проблема проектирования и устройства оснований и фундаментов. Решение этой важной проблемы сопряжено с многими трудностями (особенно в условиях Сибири), преодоление которых требует специального научного подхода, учитывающего:
закономерности изменения инженерно-геологических условий и напряженно-деформированного состояния оснований зданий;
конструктивные особенности и условия эксплуатации зданий;
характер и причины деформаций зданий;
- устойчивость оснований эксплуатируемых
зданий на момент их реконструкции (восстановле
ния).
Сложность учета вышеуказанных факторов заключается в том, что выполнение всех работ по устройству фундаментов реконструируемых зданий должно осуществляться при условии сохранения техногенной нагрузки, созданной ранее на геологическую среду. Поэтому не всегда оказываются приемлемыми существующие подходы проектирования оснований и фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий, особенно если грунтовая толща сложена пылевато-глинистыми и искусственными грунтами. Технические решения по переустройству, усилению (восстановлению) фундаментов, упрочнению оснований реконструируемых зданий часто разрабатываются по конструктивным соображениям. Следовательно совершенствование методов проектирования и способов устройства оснований и фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий представляется исключительно актуальной работой, имеющей важное научное и народно-хозяйственное значение.
Работа выполнялась в соответствии с комплексной научно-технической программой ГКНТ СССР ОЦ 031 - тема 04.02.02с Нг2 (1983-1985), коор-
динационным планом НИИОСПа им.
Н.М.Герсеванова Госстроя СССР важнейших научно-технических работ по основаниям, фундаментам и механике грунтов (1985-1986), региональной программой "Строительство" Томской области (1985-1988), Межвузовской научно-технической программой "Архитектура и строительство" Госкомвуза РФ по высшему образованию - тема 11.2.1.5 (1995-1996), тематическими планами Томской государственной архитектурно-строительной академии (1985-1996).
Цель и задачи исследований. Цель данной работы заключалась в разработке научных подходов и совершенствовании методов проектирования фундаментов реконструируемых зданий на пылевато-глинистых и искусственных грунтах.
Решение данной проблемы базировалось на обобщении многочисленных результатов теоретических и экспериментальных исследований, связанных с выполнением инженерно-геологических изысканий, обследованием, проектированием оснований, фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий. Важное место в работе занимали вопросы оценки состояния оснований и фундаментов длительно эксплуатируемых зданий.
Для достижения поставленной цели необходимо было экспериментально установить свойства различных типов пылевато-глинистых и искусственных грунтов, используемых в условиях реконструкции, восстановления зданий, особенности их уплотнения и напряженно-деформированного состояния в основании фундаментов-штампов. С учетом выявленных закономерностей следовало разработать практические методы расчета оснований и фундаментов при различных случаях нагружения, характерных для условий реконструкции и восстановления зданий, предложить технологические и конструктивные мероприятия по усилению фундаментов и определить основные пути их совершенствования. Широкое внедрение результатов исследований в производство позволило создать реальные предпосылки для разработки нормативных документов, значительно сократить трудозатраты и расход строительных материалов при выполнении ремонт-
но-восстановительных работ. А использование при реконструкции зданий искусственных грунтов из золы ГРЭС, ТЭЦ для устройства подсыпок и оснований фундаментов позволило решить проблему их утилизации и улучшить экологию окружающей среды.
В связи с вышеизложенным в диссертации были поставлены следующие задачи:
-
Проанализировать результаты теоретических и прикладных исследований по проектированию, инженерно-геологическим изысканиям, обследованию оснований и фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий.
-
Разработать методику оценки состояния оснований и фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий, построенных на пылевато-глинистых (лессовых) и искусственных (зольных) грунтах, и выявить причины деформации и разрушения зданий.
-
Установить закономерности изменения давления фундаментов мелкого заложения на пылевато-глинистые грунты оснований реконструируемых и восстанавливаемых зданий. Оценить изменение свойств пылевато-глинистых грунтов, уплотненных давлением длительно эксплуатируемых зданий.
-
На основе натурных экспериментальных исследований на пылевато-глинистых и искусстенных грунтах установить особенности изменения контактных давлений и напряженно-деформированного состояния . оснований жестких штампов-фундаментов при нагружении, характерном для условий реконструкции и восстановлении зданий.
5. Разработать методы расчета оснований и
фундаментов реконструируемых, восстанавли
ваемых зданий, основанные на использовании ре
зультатов исследований свойств пылевато-
глинистых и искусственных грунтов, напряженно-
деформированного состояния основании жестких
штампов, области линейной деформируемости грун
тового основания, физических, механических и гео
метрических величин; подготовить алгоритм и про
грамму для решения задач по оценке загружения
оснований фундаментов реконструируемых и
восстанавливаемых зданий*.
-
Разработать научные подходы к усилению фундаменгов реконструируемых, восстанавливаемых зданий и показать пути их совершенствования.
-
Осуществить широкое внедрение результатов исследований в производство, обеспечив при этом сокращение трудозатрат и экономию строительных материалов.
Методы исследования. Выявление изменений свойств пылевато-глинистых и искусственных грунтов при нагружении, характерном для условий реконструкции и восстановления зданий, производилось на основе многочисленных лабораторных и полевых исследований. При установлении причин деформаций эксплуатируемых зданий особое внимание уделялось' инструментальному обследованию состояния оснований, фундаментов и надфундамент-ных конструкций.
Проработка отдельных вопросов проектирова
ния фундаментов реконструируемых зданий была
связана с выполнением аналитических исследований,
разработкой программного обеспечения для персо
нальных ЭВМ, а также проведением' натурных экс
периментальных исследований напряженно-
деформированного состояния грунтового массива
под .фундаментами при различных схедіах нагруже-
ния оснований. Для определения напряжений в грун
товом массиве, сложенном пылевато-глинистыми
(лессовыми) и искусственными (зольными), грунта
ми, использовались тензометрические месдозы кон
струкции ЦНИИСКа (автор Д.С.Баранов) и глубин
ные марки, изготовленные в МГСУ, ТГАСА и дру
гих организациях.
Достоверность научных результатов подтверждена комплексным подходом к проведению лабораторных и полевых исследований, применением современных приборов и оборудования, использованием действующих ГОСТов на испытания грунтов, а также удовлетворительным согласием численных
* Понятия области линейной деформнруеушсти грунтового основания и оценки загружены» оснований фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий см. раздел 4.
оценок с результатами опытов.
Научная новизна работы. Научная новизна работы заключалась в следующем:
-
Установлены закономерности распределения контактных давлений и напряжений в пылевато-глинистых (лессовых) и искусственных (зольных) грунтах в основании жестких штампов при различных схемах иагружения, характерных для условий реконструкции и восстановления зданий. Выявлено, что при повторном нагружении оснований штампов-фундаментов, после их промежуточной разгрузки, наблюдается увеличение концентрации вертикальных и горизонтальных напряжений в области под штампом по сравнению с напряжениями, полученными на первом этапе их иагружения. Установлены пределы применимости теории линейно-деформируемой среды для определения напряжений в пылевато-глинистых (лессовых) и искусственных (зольных) грунтах в пределах сжимаемой толши основания фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий.
-
Выявлены закономерности изменения давления фундаментов мелкого заложения на основания из пылевато-глинистых грунтов в зависимости от группы, конструктивной схемы и высоты зданий, периода их постройки, вида и состояния грунтов несущего слоя. Для городских условий Западно-Сибирского региона (на примере Томска) у половины обследованных зданий (52%) пылевато-глинистые грунты несущего слоя основания фундаментов загружены на 80-100%, а у одной четверти (28%) - на 60-80% от расчетного сопротивления естественного (неуплотненного) грунта основания.
3. Установлены особенности изменения
свойств пылевато-глинистых грунтов, уплотненных
давлением фундаментов длительно эксплуатируемых
зданий, что позволило усовершенствовать метод
определения расчетного сопротивления грунта
основания для проектирования фундаментов рекон
струируемых и восстанавливаемых зданий на пыле
вато-глинистых грунтах.
4. Предложен методологический подход к
оценке загружения оснований фундаментов рекон-
струируемых и восстанавливаемых зданий, основанный на использовании величин расчетного сопротивления уплотненного (давлением зданий) грунта, области линейной деформируемости основания и данных о фактическом напряженно-деформированном состоянии оснований штампов-фундаментов. Выявлено влияние контактных давлений на размеры подошвы прямоугольного в плане фундамента. Разработан алгоритм и программа решения задач по оценке загружения оснований фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий.
5. Разработана классификация способов усиления фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий, которая объединяет приемы усиления элементов не по конструктивным признакам и типам фундаментов, а по условиям (схемам) их работы. Предложены новые способы защиты фундаментов от замачивания и влияния сил морозного пучения, усиления стаканной и плитной частей фундаментов от действия моментных нагрузок, крепления стенок выемок грунта.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Совокупность положений, экспериментально
установленных зависимостей и теоретических обоб
щений, позволивших разработать научные подходы
и усовершенствовать методы расчета
(проектирования) фундаментов реконструируемых,
восстанавливаемых зданий на пылевато-глинистых и
искусственных грунтах.
-
Научно обоснованные технологические и конструктивные мероприятия по устройству оснований и фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий на пылевато-глинистых и искусственных грунтах, которые имеют практическую направленность и характеризуются как одно из направлений повышения эксплуатационной пригодности зданий.
-
Результаты внедрения исследований в практику проектирования, реконструкции и восстановления зданий.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в том, что на
основании многолетних исследований получены следующие результаты для внедрения в практику проектирования, строительства и реконструкции зданий на пылевато-глииистых и искусственных грунтах:
разработан комплексный методологический подход к оценке (прогнозированию) загружения оснований фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий;
усовершенствован метод определения расчетного сопротивления уплотненного (давлением зданий) грунта основания для проектирования фундаментов реконструируемых и расстанавливаемых зданий;
предложен метод определения осадки фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий на пылевато-глинистых и искусственных грунтах;
разработана научно-техническая документация по усилению фундаментов, упрочнению оснований, восстановлению надземных строительных конструкций для проектных, научных и строительных организаций;
разработаны практические рекомендации по использованию искусстенных грунтов из золы для условий реконструкции и восстановления зданий.
Результаты выполненных исследований могут служить основой для подготовки нормативных и методических документов по проектирования оснований и фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий. С их помощью можно оценить уплотняемость и напряженно-деформированное состояние оснований фундаментов при различных условиях нагружения на реальных объектах, а также существующие методы расчета осадок фундаментов на пылевато-глинистых и искусственных грунтах. Реализация результатов исследований позволит значительно сократить трудозатраты и расход строительных материалов при выполнении работ по восстановлению фундаментной части реконструируемых и аварийных зданий. Использование при реконструкции зданий золошлаковых и других отходов для устройства подсыпок, засыпок и искусственных
оснований фундаментов позволит также решить проблему их утилизации и улучшить экологию окружающей среды.
Внедрение результатов исследований. Полученные результаты исследований использованы при составлении нормативных документов (НИИОСП, мэрия г.Томска), а также внедрены в ряде организаций при подготовке техничеких решений, проектной документации на реконструкцию, реставрацию, строительство и восстановление зданий (Томскграждан-проект, ТомскТЭП, Ролтом, Томскжилстрой, подразделения мерии г.Томска и администрации Томской области).
Автором, совместно с А.И.Мальгановым и
В.С.Плевковым, подготовлена научно-техническая
документация в виде атласов и альбомов (пособий)
по вопросам оценки состояния и усиления строи
тельных конструкций (подземных, надземных),
упрочнения оснований, которая внедрена в проект
ных, научно-исследовательских и строительных ор
ганизациях во многих городах России и стран СНГ.
Пользователями научно-технической документации
являются: Кузбассразрезуголь (Кемерово), НПП
Тюменьгазтехнология концерна Газпром (Тюмень),
Дальневосточный ПромстройНИИпроект
(Владивосток), Росремжилгражданпроект
(Челябинск), ВНИИ транспортного строительства (Москва), Гипровуз (Москва), МосжилНИИпроект (Москва), Сибгиппроречтранс (Новосибирск), Каз-ремжилпроект (Алма-Ата), Донецкий ПромстройНИИпроект (Донецк), Укргипродор (Киев) и другие (бсего более 720 организаций).
Приведенные в диссертации данные по методам расчета и способам усиления фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий используются при чтении лекций по курсам: "Механика грунтов, основания и фундаменты", "Теоретические основы фундаментостроения транспортных сооружений", для студентов архитектурно-строительного и дорожно-строительного факультетов Томской государственной архитектурно-строительной академии.
Апробация работы. Основные положения дис-
ссртационной работы докладывались на Всесоюзных конференциях по нелинейным проблемам механики грунтов (Челябинск, 1978, 1985), на IV Всесоюзной конференции по фундамептостроеншо (Уфа, 1987), на IV и V Международных конференциях по проблемам свайного фундамептостроения (Саратов, 1994; Тюмень, 1996), на научно-практических конференциях по проблемам строительства на лессовых просадочных грунтах (Барнаул, 1980, 1990, 1996), на Всесоюзной научно-практической конференции "Повышение долговечности сельскохозяйственных зданий и сооружений" (Челябинск, 1990), на 1-й и 3-й Сибирской конференциях по бетону и железобетону (Новосибирск, 1991, 1993), на региональных научно-практических конференциях "Молодые ученые и специалисты -народному хозяйству" (Томск, 1980, 1983), на XXXVII и XXXVIII научно-технических конференциях МИСИ им. В.В.Куйбышева (Москва, 1978, 1979), на научно-технической конференции "Эксплуатация зданий и сооружений" (Кемерово, 1995), на научно-технических конференциях и семинарах Томской государственной архитектурно-строительной академии (Томск, 1977, 1980, 1982, 1987, 1989-1995). Отдельные разделы работы были представлены в докладах Всесоюзной конференции "Использование достижений нелинейной механики грунтов в проектировании оснований и фундаментов" (Йошкар-Ола, 1989), Всесоюзной и III Международной конференциях по проблемам свайного фундаментостроения (Одесса, 1990; Минск, 1992), на региональной конференции по строительству на структурно-неустойчивых грунтах (Самарканд, 1992), на Международном научно-практическом семинаре "Защита инженерных сооружений от морозного пучения, ЗМП-93" (Чита, 1993), на Российской конференции по механике грунтов и фундаменто-строению (Санкт-Петербург, 1995).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 65 работах, в том числе 3-х мо-монографиях и 5-й пособиях. По теме диссертационной работы имеются публикации в трудах Международных, Всесоюзных, республиканских и регио-
нальных конференций, журналах "Основания, фундаменты и механика грунтов", "Известия вузов. Строительство", межвузовских сборниках (МГСУ, ТГУ, ТГАСА и др.). Результаты исследований защищены 7-ю изобретениями (двумя авторскими свидетельствами и пятью патентами). Монографии и пособия:
1. Усиление железобетонных и каменных кон
струкций зданий и сооружений (совместно с
А.И.Мальгановым, В.С.Плевковым), раздел по
основаниям и фундаментам (3,8 п.л.). Атлас схем и
чертежей. -Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1989.
2. Восстановление и усиление строительных
конструкций аварийных и реконструируемых зданий
(совместно с А.И.Мальгановым, В.С.Плевковым),
разделы 1-4, 6 (16,9 п.л.). -Томск: Изд-во Томск, ун
та, 1992.
-
Устройство оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах (2,6 п.л.): Учебн. пособие. -Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1985.
-
Усиление железобетонных и каменных конструкций в аварийных и реконструируемых зданиях (совместно с А.И.Мальгановым, В.С.Плевковым), раздел по основаниям и фундаментам (4,2 п.л.): Пособие в виде атласа схем и чертежей. -Томск: Томский ЦНТИ, 1989 (на английском языке).
-
Приемы усиления строительных конструкций (совместно с А.И.Мальгановым, В.С.Плевковым), разделы по оценке состояния конструкций, усилению фундаментов, упрочнению оснований (6 п.л.): Пособие в виде атласа схем и чертежей. -Томск: Томский ЦНТИ, 1990 (на французском языке).
-
Определение размеров внецентр'енно нагруженных фундаментов различной геометрической формы в плане (совместно с В.С.Плевковым), разделы 2-5 (7 п.л.): Учебное пособие: -Томск: Изд. Томск, политехи, ин-та, 1990.
-
Методические указания по расчету фундаментов мелкого заложения на персональном компьютере (совместно с В.Л.Пермяковым), разделы 1-3 (3 п.л.). -Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1992.
-
Оценка загружения оснований фундаментов
реконструируемых зданий и использованием персональных ЭВМ (совместно с А.Л.Лобановым), главы 1-3 (6,2 п.л.). -Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1996.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и приложений. Она содержит 283 стр. машинописного текста, 75 рисунков, 52 таблицы, 459 наименований литературы.