Введение к работе
Актуальность работы
Проектирование, строительство и эксплуатация фундаментов под машины с динамическими нагрузками связано с количественной оценкой амплитуды и частоты колебания системы «фундамент-основание», а также предельно допустимых осадок, кренов и прогибов фундаментов, если такие ограничения вызываются условиями технологии производства или работы машин. Однако в нормативных документах основное внимание уделяется первому вопросу. Причиной такого положения является недостаточная изученность вопроса по определению дополнительных остаточных осадок, кренов и прогибов фундаментов при динамических нагрузках, в том числе импульсных и вибрационных.
При проектировании промышленных и гражданских сооружении (ПГС) в сейсмических районах нормативные документы предусматривают расчет сейсмостойкости оснований, фундаментов и подземной части ПГС, то есть по первой группе предельных состояний, а деформации (сейсмоосадки, сейсмосдвиги, крены) при этом не определяются и не ограничиваются. Такое положение также связано с недостаточной изученностью вопроса по возникновению дополнительных напряжений и деформаций в грунте, которые приводят к дополнительным остаточным осадкам и кренам фундаментов и ПГС в целом.
Опыт эксплуатации зданий и сооружений подверженных динамическим воздействиям показывает, что в некоторых случаях негативные явления связаны с возникновениям и накоплением необратимых остаточных перемещений в грунтах оснований, и соответственно, в конструкциях подземной и надземной частей зданий и сооружений. При этом сооружения не теряют свою пригодность для их эксплуатации. Поэтому количественная оценка дополнительных перемещений оснований и фундаментов ПГС при
динамических нагрузках является актуальной задачей строительства.
Целью настоящей работы является изучение и совершенствование методов количественной оценки взаимодействия системы «основание- фундамент-сооружение» при динамических нагрузках различного происхождения и длительности воздействия, в том числе, прогнозирование остаточных деформаций и перемещений грунтов оснований и фундаментов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Составлен обзор и анализ современных методов количественной оценки НДС системы «основание-фундамент», в том числе с использованием современных нелинейных моделей грунтовой среды при статических и динамических воздействиях.
-
Дано теоретическое обоснование возникновения и накопления остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде при циклических и вибрационных воздействиях, с учетом разномодульности при нагрузке и разгрузке, упрочения и реологических свойств грунтов.
-
Предложена методика определения коэффициентов жесткости и вязкости грунтов основания вокруг сваи, необходимых для решения задач колебания системы «свая-окружающий грунт».
-
Предложена и обоснована новая модель многослойного и весомого основания со многими степенями свободы. Дана сравнительная оценка колебания фундамента с учетом этой модели, рассчитанного с помощью программы MathCAD и рассчитанный на эквивалентной модели с помощью программы Plaxis.
-
Предложена модифицированная расчетная модель системы колебания одиночной сваи в грунте, на основе модели О. А. Cавинова, и дана сравнительная оценка колебания этой системы аналитическим и численным методами.
-
Определены коэффициенты равномерного упругого и вязкого свойства грунта вокруг сваи.
-
Исследованы НДС двухслойного основания, взаимодействующего с
подземной и надземной частями сооружения конечной жесткости и массы при
- 4 - сейсмическом воздействии численным методом (МКЭ) с использованием программного комплекса Plaxis-2d. Определены амплитудно-частотные характеристики зданий разной этажности, а также остаточные перемещения.
8. На основе анализа выполненных исследований НДС оснований и фундаментов даны рекомендации по использованию полученных решений при проектировании и строительстве зданий и сооружений при динамических воздействиях.
Научная новизна работы
-
-
Дано обоснование процесса возникновения и накопления остаточных деформаций и перемещений в грунтовом массиве при статическом, циклическом и динамическом воздействиях.
-
Предложена новая модифицированная модель Винклеровского основания с двумя коэффициентами постели при нагрузке и разгрузке, и учетом их изменения (упрочнения) в зависимости от количества циклов. Показано, что в этом случае существенно меняются частота, амплитуда и время затухания свобдных колебаний «системы», причем затухание свободных колебаний наблюдается без учета вязкого сопротивления грунта.
-
Предложена новая расчетная модель системы «весомое многослойное основание- заглубленный фундамент» с несколькими степенями свободы. Дан анализ этой модели на основе решения примеров задач о колебаниях такой системы численными и аналитическими методами. Подтверждено, что учет весомости основания исключает возможность возникновения резонанса.
-
Дана количественная оценка НДС системы «свая- окружающий грунт» с учетом коэффициентов жесткости и вязкого сопротивления грунтов вокруг сваи и жесткости грунта под нижним ее концом при циклическом и импульсном воздействиях на основе расчетной модели О. А. Савинова.
-
Дана количественная оценка НДС системы «двухслойное основание- сооружение» при сейсмическом воздействии с учетом конечной жесткости здания, его этажности и массы, в том числе для определения остаточных деформаций и частоты собственных колебаний здания с учетом жесткости двухслойного основания.
6. Показано, что частота и амплитуда колебаний зданий на двухслойном основании существенно зависят от этажности и массы здания, жесткостей слоев основания и их соотношения, причем с увеличением этажности зданий и жесткости основания частота собственных колебаний здания в первом случае уменьшается, а во втором увеличивается.
Научная ценность работы заключается:
-
-
-
В построении новых контактных моделей грунтов под нижним концом и вокруг сваи, а также расчетной модели многослойного весомого основания фундаментов и в их использовании при количественной оценке колебании систем «основание-фундамент» при динамических воздействиях.
-
В исследовании влияния сейсмического воздействия на НДС двухслойного основания с учетом его взаимодействия со зданиями конечной жесткости и разной этажности. Показано, что частота и амплитуда колебаний а также остаточные перемещения существенно зависят от жесткости двухслойного основания и этажности зданий.
Практическое значение работы
Полученные в работе результаты исследований позволяют:
-
-
-
-
Совершенствовать контактные модели грунтовой среды для расчетов колебания систем «основание- фундамент», «основание- свая», учитывающие неодинаковое сопротивление грунта при нагружении и разгрузке, и их изменения (упрочнение) в зависимости от количества циклов;
-
Разработать новые упрощенные методы количественной оценки колебания системы «основание-фундамент» путем построения новых расчетных моделей весомого многослойного основания а также контактных моделей;
-
Обеспечить надежную, длительную и безопасную эксплуатацию зданий и сооружений, находящихся под воздействием динамических нагрузок.
Достоверность результатов исследований заключается в том, что они
основываются на анализе современных экспериментальных и теоретических
исследований свойств грунтов при статическом, циклическом, вибрационном и
динамическом воздействиях, а также на теоретических исследованиях по
- 6 - количественной оценке дополнительных остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде, на основе современных методов нелинейной механики грунтов.
Личный вклад соискателя заключается в том, что им разработаны новые контактные модели грунтового основания с учётом разномодульности и упрочнения грунтов при нагружении и разгрузке, а также изменения вязкого сопротивления грунтов основания во времени, которые были использованы при решении задач по взаимодействию фундаментов со сжимаемым грунтовым основанием при свободных и вынужденных колебаниях. Кроме того, им предложена новая модель весомого многослойного основания с несколькими степенями свободы с учётом указанных выше свойств. Дана количественная оценка влияния этих свойств на амплитудно-частотные характеристики колебания системы «основание-фундамент», в том числе остаточных перемещений. Рассмотрены задачи об НДС двухслойного основания взаимодействующего со зданиями конечной жесткости и различной этажности.
На защиту выносятся:
-
-
-
-
-
Результаты аналитического и численного решения задач по количественной оценке НДС двухслойного основания фундаментов при статическом и динамическом воздействиях с учетом нелинейных и реологических свойств грунтов.
-
Результаты расчета колебания системы «основание- фундамент» на основе новой модели, учитывающей весомость основания с двумя и более степенями свободы.
-
Результаты расчета колебания системы «двухслойное основание- свая» с учетом коэффициентов жесткости грунта под нижним концом и вокруг сваи, определенных по новой методике.
-
Результаты расчетов НДС двухслойного основания при сейсмическом воздействии с учетом конечной жесткости зданий и сооружений, взаимодействующих с ним.
-
Выводы и рекомендации.
Публикации
Результаты диссертации изложены в 6 опубликованных работах, 4 из них опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и библиографического списка, включающего 144 наименования. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, включающего 4 таблицы и 69 рисунков.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Тер-Мартиросяну Завену Григорьевичу за постоянное внимание и помощь при выполнении настоящей работы.
Похожие диссертации на ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХСЛОЙНОГО ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТОВ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
