Закономерности взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами малоэтажных зданий и подземными сооружениями и методы их расчета: Абжалимов Раис Шакирович

Введение к работе

Актуальность темы работы. Большие территории Российской Федерации характеризуются суровыми природно-климатическими условиями, достаточно продолжительным зимним и коротким летним периодом. Глубина сезонного промерзания грунтов изменяется в широких пределах, достигая до 3 м и более в районах Забайкалья. В настоящее время отдельные виды зданий и инженерных сооружений возводятся с использованием в основаниях сезоннопромерзающих грунтов, в том числе пучинистых. Многие вопросы взаимодействия таких оснований с фундаментами и подземными сооружениями остаются малоизученными. Практика строительства на этих территориях выдвигает новые задачи разработки методов расчёта малоэтажных зданий и подземных сооружений по I и II группам предельных состояний.

В связи с освоением природных богатств и энергетических ресурсов Севера европейской части и Урала, Сибири и Дальнего Востока предполагается строительство новых объектов энергетики, транспортных коммуникаций, дальнейшего развития жилищно-коммунального строительства. Принятые государством программы малоэтажного строительства в России и защиты здоровья населения «Чистая вода» и защита водных объектов от загрязнения предусматривают строительство десятка миллионов квадратных метров малоэтажного строительства и большого количества очистных сооружений, ливневой, хозфекальной и промышленной канализации.

Это предопределяет потребность решения ряда проблем, связанных с обеспечением прочности устойчивости и снижением стоимости и трудоёмкости строительства малоэтажных зданий и подземных сооружений, возводимых на сезоннопромерзаемых пучинистых грунтовых основаниях. Поэтому, тема настоящей работы имеет важное народнохозяйственное и социальное значение и является актуальной как в практическом, так и в научно-теоретическом плане.

Целью диссертации является комплексное экспериментальное и расчётно-теоретическое исследование взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами и подземными сооружениями и в разработке методов их расчёта, обеспечивающих их прочность, устойчивость, долговечность и снижение стоимости и трудоёмкости строительства по сравнению с существующими нормами проектирования. Для достижения поставленной цели в работе решается комплекс задач, связанных с исследованиями закономерностей взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами и подземными сооружения, включающий:

1. Изучение особенностей силового взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с сезоннопромерзающими пучинистыми грунтами путём анализа и обобщения результатов известных отечественных и зарубежных исследований по этой проблеме, оценка прочностных и деформационных характеристик сезоннопромерзающих грунтов и изменение их во времени по опубликованным научно-техническим материалам.

2. Разработка расчётных схем взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с сезоннопромерзающим пучинистым грунтом по их подошве и боковой поверхности, с учётом длительной прочности последнего, для определения величины их морозного пучения и напряжённо-деформированного состояния (НДС).

3. Теоретическое обоснование и экспериментальное доказательство закономерности распределения вертикальных напряжений морозного пучения под фундаментами и подземными сооружениями.

4. Установление зависимости относительной деформации морозного пучения и миграционного водонакопления от давления при промораживании образцов с грунтом по открытой схеме в лабораторных условиях с необходимой доверительной вероятностью.

5. Определение максимального значения вертикального давления морозного пучения грунта при промораживании образцов с грунтом по открытой схеме в лабораторных условиях с необходимой доверительной вероятностью.

6. Установление закономерности взаимодействия сезоннопромерзающих пучинистых грунтов с подземными и надземными сооружениями.

7. Определение дополнительных нагрузок на фундаменты малоэтажных зданий и подземные сооружения при использовании сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве их оснований.

8. Разработка методов расчёта фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений на пучинистых грунтовых основаниях по I и II группам предельных состояний.

9. Внедрение результатов выполненных исследований на строительных площадках Западной Сибири.

Объект исследования. Малоэтажные здания; надземные и подземные сооружения; свайные фундаменты, возведённые на сезоннопромерзающих пучинистых грунтовых основаниях.

Предмет исследования. Влияние сезоннопромерзающих пучинистых грунтов на прочность, устойчивость, трещиностойкость и деформации объектов исследования.

Методы исследований.

1. Теоретические и экспериментальные исследования закономерности распределения вертикальных напряжений морозного пучения грунта под фундаментами и подземными сооружениями.

2. Лабораторные исследования относительной деформации пучения грунтов ненарушенной структуры, миграционного влагонакопления и скорости пучения от давления и максимальных значений давления морозного пучения при относительно неизменяемом объёме (стеснённости) промораживаемого грунта.

3. Натурные исследования деформаций малоэтажных зданий, надземных и подземных сооружений на морозоопасных основаниях методом нивелирования, с обработкой результатов измерений методами математической статистики.

Научная новизна работы заключается в комплексном решении проблемы взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами и подземными сооружениями, основанном на принятом в строительной механике каноническом законе равновесия; на общепризнанных физико-механических процессах, происходящих при взаимодействии фундамента (сооружения) с талым и промерзающим пучинистым грунтом; в учёте известных длительных прочностных и деформационных характеристик сезоннопромерзающих грунтов, позволивших научно обосновать значения и распределение вертикальных напряжений морозного пучения грунта под ними, величину их морозного выпучивания и значения дополнительных нагрузок на них.

Наиболее важные научные результаты могут быть сформулированы следующим образом.

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана механическая модель (расчётная схема) морозоопасного основания, позволившая установить закономерность распределения вертикальных напряжений морозного пучения грунта под фундаментами малоэтажных зданий и подземными сооружениями по глубине промерзания.

2. Обоснована новая расчётная схема взаимодействия фундамента промерзающим пучинистым грунтом по его подошве и боковой поверхности, с учётом длительной прочности мёрзлого грунта на растяжение и сдвиг, и соблюдение условия равновесия, позволяющая определить распределение давления от фундамента по глубине промерзания и, соответственно, величину послойного выпучивания грунта как в обратной засыпке, так и под подошвой фундамента по мере промерзания грунта.

3. Установлена зависимость прогиба отдельных участков подземных и надземных сооружений от величины их морозного выпучивания, с учётом их изгибной жёсткости и на этой основе приняты конструктивные решения для: неотапливаемых и отапливаемых зданий; водопропускных сооружений; одноэтажного холодильника с камерами; тоннеля; отстойника; прямоугольного закрытого ёмкостного сооружения; фундамента-опоры для надземных технологических трубопроводов; аэродромных плит, возводимых на пучинистых грунтовых основаниях, новизна технических решений которых подтверждена патентами на изобретения и полезные модели.

4. Предложен способ определения дополнительной нагрузки на подземное сооружение от намерзания грунта обратной засыпки на его боковые поверхности при морозном пучении грунта основания (подтверждено патентом на изобретение).

5. Обоснована расчётная схема для определения крутящих моментов от сил морозного пучения, действующих на фундаменты при неравномерном промерзании и пучении грунта по ширине фундаментов и при внецентренном загружении последних.

Достоверность результатов научных исследований и выводов подтверждена лабораторными исследованиями, многолетними инструментальными наблюдениями за деформациями подземных и надземных сооружений на опытных площадках и данными статистических обработок результатов этих наблюдений, успешной эксплуатацией зданий и подземных сооружений, при проектировании которых использовались разработки автора.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты теоретических, лабораторных, натурных экспериментальных исследований доведены до их практического использования при проектировании и строительстве малоэтажных зданий, надземных и подземных сооружений, свайных фундаментов на пучинистых грунтовых основаниях, а накопленный опыт их реализации свидетельствует о возможности и целесообразности внедрения в массовые инженерные изыскания и строительство предложенных методик и оборудования.

Практические результаты сводятся к следующему:

1. Разработаны методы проектирования малоэтажных зданий, подземных сооружений на пучинистых грунтовых основаниях по I и II группам предельных состояний, с учётом дополнительных нагрузок от сил морозного пучения, обеспечивающий их прочность, устойчивость и долговечность, и позволяющий получить новые проектно-конструкторские и технологические решения, по своим технико-экономическим и экологическим показателям превосходящие существующие отечественные и зарубежные аналоги.

2. Разработана и внедрена в практику лабораторных исследований установка и способ определения относительной деформации морозного пучения, миграционного водонакопления и скорости пучения от давления, максимального значения давления морозного пучения и максимальное значение допустимого давления на оттаивающее сезонномёрзлое основание с необходимой доверительной вероятностью.

3. Разработан метод определения отрицательной температуры грунта по глубине промерзания для застроенной территории с высоким уровнем грунтовой воды, позволяющий уменьшить глубину заложения фундаментов и оснований водонесущих подземных коммуникаций на 20-25% и снизить стоимость и трудоёмкость их строительства на 10-15%.

Реализация работы. Научные наработки использованы при проектировании и строительстве более десяти подземных переходов в г. Омске; резервуара для хранения питьевой воды, объёмом 10000 м³ в г. Омске; двух отстойников на очистных сооружениях ливневой канализации в г. Ханты-Мансийске; более десяти трансформаторных подстанций в г. Омске и области, в г. Ханты-Мансийске; более 50 хозблоков в р.п. Азово Омской области; свайных фундаментов под каркасные здания в гг. Омске и Ханты-Мансийске; под технологическое оборудование наружных установок завода «Пластмасс» в г. Омске; надземной теплотрассы, протяжённостью более 4,5 км в г. Омске; 9-ти этажного жилого дома в г. Омске; водопропускного сооружения под дамбой в г. Ханты-Мансийске.

В результате внедрения новых методов проектирования получен экономический эффект на сумму, более чем 48,5 млн. руб. в ценах 2007 г. Установка для определения зависимости относительной деформации пучения грунта от давления передана в аренду, для эксплуатации в ОАО «ОмскТИСИЗ».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на VIII научно-технической конференции НИИОСПа им. Н. М. Герсеванова (г. Москва, 1978 г.), на ежегодных научно-технических конференциях СибАДИ (г. Омск, 1981-1983 г.г.), региональных конференциях «Проблемы фундаментостроения на пучинистых грунтах» (г. Чита, 1985г.), «Инженерно-геологические проблемы Забайкалья» (г. Чита, 1987 г.), «Проблемы проектирования и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений» (г. Пенза, 16-17 сентября 2004 г.), на международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (г. Алмата, республика Казахстан, 2004 г.), «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика (г. Санкт-Петербург, 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 56 работ, в том числе: 1 свидетельство на научную гипотезу и 17 патентов на изобретения и полезные модели, 1 монография и 4 нормативно-технических документа. Список основных публикаций приведён в автореферате.

Личный вклад в решение проблемы. В работе обобщены материалы инженерно-геологических исследований и наблюдений за деформациями объектов, выполненных ОАО «ОмскТИСИЗом», результаты многолетних (1976-2004 гг.) исследований автора, выполненных в ТПИ ОАО «Омскгражданпроект», лабораторные исследования в холодильной камере Омского филиала СоюзДОРНИИ совместно с сотрудниками этого института.

Лабораторные исследования и натурные наблюдения за деформациями зданий, надземных и подземных сооружений и температуры грунтов застроенных территорий выполнены по методике и под руководством автора, все теоретические исследования выполнены автором лично.

Натурные наблюдения за деформациями зданий, надземных и подземных сооружений и температуры грунтов застроенных территорий выполнены сотрудниками ОАО «ОмскТИСИЗом» Ю. М. Ширмановым, Л. В. Колода, Л. П. Королем. Лабораторные исследования относительной деформации пучения грунтов выполнены автором совместно с инженером Л. Н. Чекановой и лаборантами Омского филиала СоюзДОРНИИ и нач. лаборатории ОАО «ОмскТИСИЗ» Головко Н.Н..

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерности распределения вертикальных напряжений морозного пучения по горизонтальной подошве твердомерзлого слоя грунта (ТСГ) под фундаментами и подземными сооружениями.

2. Расчетные схемы взаимодействия фундамента с промерзающим пучинистым грунтом по его подошве и боковой поверхности с учетом длительной прочности твердомерзлого грунта (ТСГ) на растяжение с соблюдением условия равновесия между вертикальными напряжениями в грунте от внешней нагрузки и вертикальными напряжениями (давлением) морозного пучения.

3. Установка и способ определения относительной деформации пучения грунта от давления в лабораторных условиях.

4. Расчетная схема взаимодействия сезонно промерзающих пучинистых грунтовых оснований с малоэтажными зданиями, подземными и надземными сооружениями при неравномерном морозном пучении грунта основания по их длине.

5. Методики определения дополнительных нагрузок на здания и подземные сооружения от сил морозного пучения грунта основания и обратной засыпки.

6. Методы расчета зданий и подземных сооружений, свайных фундаментов на сезонно промерзающих пучинистых грунтах.

7. Способ определения температуры грунта по глубине промерзания, при высоком уровне грунтовых вод.

Структура и объем диссертации. Работа включает введение, 7 глав, выводы, список литературы (310 наименований) и 4 приложения. Содержит 327 страниц, в том числе 120 рисунков и 74 таблицы. Приложения размещены на 98 страницах, в том числе 4 таблицы и 65 рисунков.

Похожие диссертации на Закономерности взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами малоэтажных зданий и подземными сооружениями и методы их расчета:

Закономерности взаимодействия с основанием и расчет осадки двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложенияКовалев Владимир Александрович

Метод расчета устойчивости однородного откоса как основания сооруженияЕрещенко Татьяна Владимировна

Разработка и совершенствование методов статических и динамических расчетов фундаментов энергетических и гидротехнических сооруженийГлаговский Вячеслав Борисович

Разработка метода расчета и прогноза устойчивости нагруженных откосов и склонов как оснований сооружений на основе анализа напряженного состояния грунтовЦветкова Елена Владимировна

Расчет напряженно-деформированного состояния и устойчивости оснований фундаментов, грунтовых сооружений и массивов на основе методов теории функций комплексного переменногоУшаков Андрей Николаевич

Взаимодействие фундаментов с основанием при циклических и вибрационных воздействиях с учётом реологических свойств грунтовТер-Мартиросян, Армен Завенович

Развитие методов учета взаимодействия фундамента с основанием для оценки сейсмостойкости сооруженийДокторова Алла Олеговна

Взаимодействие фундаментов с основаниями, усиленными цементно-грунтовыми элементамиБадеев Владимир Сергеевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХСЛОЙНОГО ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТОВ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХДжаро Мохаммед Н

Взаимодействие регулируемых фундаментов с грунтовым основанием зданий при подъеме и выравнивании домкратамиСкибин Михаил Геннадьевич