Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы защиты объектов городской застройки от подтопления грунтовыми и техногенными водами 14
1.1 Градостроительные, геотехнические и геоэкологические осо
бенности инженерной инфраструктуры городской застройки 15
1.2. Специфические условия решения задач фундаментостроения 30
1.3. Общие последствия подтопления застроенных территорий грунтовыми водами на примере г. Новочеркасска 33
1.4. Обзор работ по проблемам защиты объектов городской застройки от подтопления грунтовыми и техногенными водами. 40 Цель и задачи диссертационной работы 51
2. Построение информационной модели инженерной инфраструктуры города в целях прогнозирования последствий подтопления грунтовыми водами 53
2.1. Развитие принципов моделирования объектов с пространственно - распределенной информацией 53
2.2. Моделирование состояния инженерной инфраструктуры города как большой системы 56
2.3. Моделирование взаимодействия подсистем инженерной инфраструктуры города 64
2.4. Микрорайонирование городской территории по характеру застройки и факторам подтопления 68
Выводы по главе 74
3. Разработка теоретических методов расчета, повышающих надежность расчета оснований и фундаментов, зданий и сооружений по несущей способности 75
3.1. Выбор и обоснование критериев надежности оснований и фундаментов эксплуатируемых объектов строительства 75
3.2 Использование экстремальных принципов механики сплошной среды в расчете несущей способности грунтового основания... 81
3.3 Теоретическое решение задачи о предельном состоянии основания фундаментов с определением верхних и нижних оценок несущей способности 86
3.4 Экспериментальные исследования по изучению напряженно-деформированного и предельного состояний песчаного основания модели ленточного фундамента 108
3.5 Оценки несущей способности системы «грунтовое основание - фундамент - надземное сооружение» с учетом негативных факторов подтопления 135
Выводы по главе 138
4. Исследование влияния негативных факторов подтопления на основания и фундаменты объектов инженерной инфраструктуры города 141
4.1. Природные и техногенные факторы подтопления 141
4.2. Стадии подтопления при изменении режима грунтовых вод на застроенной территории г.Новочеркасска 145
4.3, Факторы, вызывающие ущерб от подтопления городской территории грунтовыми водами 150
4.4. Особенности изменения прочностных и деформационных характеристик грунтов оснований в процессе подтопления 157
4.5, Информационное моделирование изменения напряженно-деформированного состояния основания при повышении уровня грунтовых вод 159
4.6, Экспериментальное обоснование расчетной модели упруго- 179
пластического основания ленточных фундаментов
Выводы по главе 192
Разработка мероприятий по геоэкологической и геотехнической защите оснований и фундаментов, зданий и сооружени городской застройки при подтоплении 194
5.1. Концептуальное моделирование исследования взаимодействия здания, грунтового основания и внешней среды как целостной системы 194
5.2. Методика сбора и обобщения справочных материалов о состоянии зданий и сооружений по микрорайонам города 199
5.3. Экономические факторы ущерба от подтопления для зданий и сооружений городской застройки 210
5.4. Разработка мероприятий по геотехнической защите оснований и фундаментов, зданий и сооружений городской застройки
при подтоплении 212
Выводы по главе 224
6. Автоматизация процесса подготовки данных для принятия решений на основе разработки муниципальной геоинформационной системы 225
6.1. Предпосылки создания автоматизированной компьютерной
геоинформационной системы для г. Новочеркасска 225
6.2 Основные принципы и этапы создания муниципальной геоин
формационной системы 227
6.3. Разработка специализированной Геоинформационной системы (сГИС) «Подтопление г. Новочеркасска грунтовыми водами» . 230
6.4. Разработка рекомендаций по обеспечению эксплуатационной надежности объектов городской застройки на стадиях проек- 237
тирования, строительства и эксплуатации
Выводы по главе 243
Общие выводы по работе 245
Литература 249
Приложения 266
- Общие последствия подтопления застроенных территорий грунтовыми водами на примере г. Новочеркасска
- Теоретическое решение задачи о предельном состоянии основания фундаментов с определением верхних и нижних оценок несущей способности
- Факторы, вызывающие ущерб от подтопления городской территории грунтовыми водами
- Экономические факторы ущерба от подтопления для зданий и сооружений городской застройки
Введение к работе
Актуальной проблемой эксплуатации и развития инженерной инфраструктуры современных городов является обеспечение комфортной, экологически безопасной среды обитания населения.
Общей проблемой эксплуатации урбанизированных территорий является осуществление эколого-реабилитационных мероприятий, направленных на оздоровление городской среды путем приостановления влияния на нее неблагоприятных природных и техногенных факторов. Одним из таких негативных и длительно действующих факторов является подтопление городских территорий грунтовыми водами природного и техногенного характера, которое характерно для большинства современных городских территорий. Этот процесс характерен также для города Новочеркасска, который входит в число примерно 2000 крупных городов мира с населением более 100 тыс. человек.
Город Новочеркасск был основан в 1805 году как столица Донского казачества и в последующие годы своего развития превратился в один из крупных промышленных и научных центров Ростовской области и юга России.
Проблемным анализом природной и техногенной среды города установлено, что около 50 % занимаемой территории города подвергается интенсивному подтоплению грунтовыми водами с высокой минерализацией, агрессивностью и загрязненностью техногенными продуктами.
В целом, территория г. Новочеркасска по состоянию почв и подземных вод относится к зоне чрезвычайной экологической ситуации (ЧЭС) в соответствии с принятыми в настоящее время критериями.
Начиная с 1991 г., в городе проводятся комплексные исследования по оценке состояния экологической среды. В результате интеграции усилий Администрации города, Комитета по экологии и охране окру-
жающей среды и научных коллективов вузов и НИИ (ЮРГТУ, НГМА, ГХИ и ряда других) накоплен обширный материал по оценке объектов окружающей среды Новочеркасска, разработан экологический паспорт города, подготовлены обосновывающие материалы к разработке программы вывода территории из категории ЧЭС.
Для вывода территории города из категории ЧЭС необходимо создать управляемую инженерно-экологическую систему , обеспечивающую регулирование гидрохимического режима почв, грунтов и грунтовых вод на территории застройки, а также защиту рек бассейна р. Дон от загрязнений техногенными стоками.
Одной из актуальных проблем в рассматриваемом комплексе работ является разработка и осуществление мероприятий, направленных на обеспечение эксплуатационной надежности зданий и сооружений города при воздействии негативных факторов подтопления грунтовыми и техногенными водами в особых грунтовых условиях. Данная проблема включает в себя решение целого комплекса сложных и взаимосвязанных геоэкологических, геотехнических и градостроительных задач.
Приведенные сведения показывают, что тема диссертационной работы является актуальной и ее разработка обладает научной и практической ценностью как для города Новочеркасска, так и для многих других городов, находящихся в сопоставимых условиях.
Данная работа выполнена на кафедре «САПР объектов строительства и фундаментостроение» Южно-Российского государственного технического университета (ЮРГТУ (НПИ)) в русле научного направления «Компьютерная оптимизация, ресурсосберегающие расчеты и управление состоянием строительных конструкций и оснований зданий и сооружений» (председатель совета научного направления проф., д.т.н. Ю.Н. Мурзенко). Научные исследования, обобщенные в диссертации, выполнялись также по госбюджетной тематике научно-исследовательских работ по единому заказ-наряду Министерства обра-
зования РФ на тему «Разработка новых принципов и методов информационного моделирования процессов взаимодействия сооружения и грунтового основания». Научные исследования, выполненные автором диссертации, развивают основную тематику научной школы профессора Ю.Н. Мурзенко «Механика грунтов основания и фундаменты», внесенной в реестр (рег.№14) научных школ ЮРГТУ(НПИ) и зарегистрированной в Министерстве образования и науки РФ.
В диссертационной работе использована градостроительная, гидрогеологическая, инженерно-геологическая и геотехническая базы информации, имеющиеся в Управлении главного архитектора города Новочеркасска, а также на кафедре «САПР объектов строительства и фун-даментостроение» и кафедре «Геоэкология, гидрогеология и инженерная геология» ЮРГТУ (НПИ). Структура формирования исходной базы информации и ее первоисточники описаны в монографии [1].
Цель диссертационной работы-
Обеспечение эксплуатационной надежности оснований и фундаментов, зданий и сооружений путем совершенствования методов расчета оснований по несущей способности и разработки современных принципов создания муниципальной геоинформационной системы на основе информационного моделирования состояния городской застройки при подтоплении.
Задачи исследования-
Изучение экологических проблем городской застройки на основе анализа градостроительных, геотехнических и геоэкологических особенностей инженерной инфраструктуры.
Прогнозирование процесса и последствий подтопления на основе построения информационной модели инженерной инфраструктуры города.
Выбор системо о бразущих особенностей застройки города и разработка принципов микрорайонирования городской территории
по геоэкологическим, геотехническим и градостроительным признакам.
Исследование особенностей и последствий подтопления зданий и сооружений грунтовыми и техногенными водами, разработка методики сбора и обобщения данных по подтоплению застраиваемых территорий.
Исследования изменения напряженно- деформированного состояния ( НДС ) системы «грунтовое основание- фундаменты- здание» в процессе повышения уровня грунтовых вод в результате подтопления.
Совершенствование методов расчета оснований фундаментов по несущей способности с использованием экстремальных принципов механики сплошной среды в целях обеспечения эксплуатационной надежности зданий и сооружений.
Экспериментальное обоснование расчетных схем, принятых в аналитических решениях по определению оценок несущей способности оснований.
Разработка и классификация мероприятий по геоэкологической и геотехнической защите оснований и фундаментов, зданий и сооружений городской застройки на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации.
Разработка специализированной Геоинформационной системы (сГИС ), способствующей оперативному получению информации для принятия решений по защите городской инженерной инфраструктуры, оснований и фундаментов от воздействия подтопления.
Научная новизна работы-1. Разработана информационная модель инженерной инфраструктуры города, позволяющая устанавливать взаимовлияние геоэкологических факторов подтопления и объектов городской застройки.
Исследовано влияние негативных факторов подтопления на основания и фундаменты объектов инженерной инфраструктуры города.
Разработаны методики сбора и обобщения данных по подтоплению застраиваемых территорий, а также проведения обследования и диагностики отдельных объектов инженерной инфраструктуры города.
Разработан метод оценки несущей способности системы «грунтовое основание - фундамент» с использованием экстремальных принципов механики сплошной среды с учетом негативных факторов подтопления.
Разработана методика моделирования изменения НДС основания при подтоплении с качественной и количественной оценкой основных критериев надежности грунтового основания по деформациям и несущей способности, с применением нелинейной расчетной модели основания.
Дано экспериментальное обоснование теоретических решений по определению нижних и верхних оценок несущей способности оснований ленточных фундаментов.
Объектами исследования являются-
основания и фундаменты, здания и сооружения городской архитектурно-строительной системы, взаимодействующей с экологически неблагоприятной природной и техногенной средой при подтоплении грунтовыми водами.
Практическая значимость работы-1. Обобщены сведения о застройке города, специфике фундамен-тостроения и техническом состоянии зданий, сооружений и инженерных коммуникаций на основе анализа проведенных обследований зданий и сооружений.
2. Дана классификация негативных факторов подтопления и изу
чено их влияние на решение задач проектирования, строительства и
эксплуатации объектов инженерной инфраструктуры города.
Разработаны электронные карты микрорайонирования территории города по характеру застройки, интенсивности подтопления, агрессивности грунтовых вод, просадочности грунтов при замачивании, с учетом инженерно- геологического строения оснований зданий и сооружений.
Разработана методика и представлены данные об ущербе от подтопления для зданий, сооружений, инженерных коммуникаций, а также для уникальных зданий и сооружений города Новочеркасска, включая основные памятники истории и архитектуры. Эти данные приведены для микрорайонов и для города в целом.
5. Предложен метод расчета оснований по несущей способности,
повышающий надежность проектных решений.
Предложены рекомендации, обеспечивающие повышение эксплуатационной надежности оснований и фундаментов, зданий, сооружений и городских территорий, находящихся в условиях подтопления.
Разработана компьютерная программа «Специализированная геоинформационная система» (сГИС) для просмотра характера подтопления и негативных факторов подтопления по микрорайонам города для целей проектирования, строительства и эксплуатации объектов инфраструктуры города.
Основные положения, выносимые на защиту-
Методика выбора и определения параметров, описывающих системы и подсистемы информационной модели городской застройки.
Принципы и методы геоэкологического и строительного микрорайонирования городской застройки.
Методики сбора и обобщения данных по подтоплению застраиваемых территорий и проведения обследования, диагностики отдельных объектов инженерной инфраструктуры города.
Результаты исследования изменения НДС грунтового основания зданий и сооружений с применением нелинейных расчетных моделей основания при повышении уровня грунтовых вод, вызванном подтоплением территории застройки города.
Метод расчета несущей способности основания в системе «грунтовое основание - фундамент» с учетом негативныых факторов подтопления, как одного из направлений повышения надежности зданий и сооружений.
Методика выбора геотехнических мероприятий, направленных на обеспечение эксплуатационной надежности оснований и фундаментов объектов городской застройки на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации объектов застройки. Методы исследования-
-Формализация и системный анализ банка информации о состоянии зданий, сооружений и территорий застройки города.
-Информационное моделирование поведения оснований объектов застройки при подтоплении.
-Теоретические решения по оценке несущей способности системы «основание-фундамент».
-Экспериментальное обоснование расчетных моделей грунтового основания.
-Развитие принципов построения Геоинформационных систем. Достоверность результатов исследован ий-Достоверность научных положений и рекомендаций обеспечивается: использованием реальной базы данных о состоянии городской застройки и характере подтопления, реальной инженерно-геологической характеристики городской застройки; использованием нормативной и
научно-технической литературы и результатов исследований других авторов. Достоверность научных положений и полученных решений подтверждается применением фундаментальных принципов и методов теории пластичности.
Апробация работы-
Основные положения диссертационной работы доложены на международной школе-семинаре по фундаментостроению и охране геологической среды (Сочи, 1992), на IV Всероссийской конференции «Нелинейная механика грунтов» с иностранным участием (Санкт-Петербург, 1993), на Российской научной конференции «Информационные технологии в архитектуре» (Ростов - на Дону, 1993), на международной научно-практической конференции «Строительство -98» (Ростов - на Дону 1998), на внутривузовских конференциях кафедр строительного профиля НГТУ(1991-1997 г.г.), на международных научно-практических конференциях «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» ( ЮРГТУ, 2000 г.), «Моделирование, теория, методы и средства» ( ЮРГТУ, 2001 г.), «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (ЮРГТУ, 2001-2003г.), на международной научно-технической конференции «Современные проблемы фундаментостроения» (Волгоград, 2001 г.), на международной конференции по геотехнике, посвященной 300-летиго Санкт-Петербурга «Реконструкция исторических городов и геотехническое строительство» (Санкт-Петербург, 2003).
Результаты работы использованы: в учебном процессе по специальности 29.03 ПГС САПР, в госбюджетной научно-исследовательской работе на тему «Разработка новых принципов и методов информационного моделирования процессов взаимодействия сооружения и грунтового основания».
Внедрение результатов-
Результаты исследований и практические рекомендации, разработанные в диссертационной работе, внедрены в проектных институтах «Донпроектэлектро» (г.Новочеркасск), «СевкавНИПИагропром» и «Во-енпроект» (г.Ростов-на Дону ), в Управлении главного архитектора г. Новочеркасска, в научно-производственных фирмах «Изыскатель» и СП «ТОП-ДИЗАЙН», в учебном процессе в ЮРГТУ (НПИ) и НГМА. (см. прил.З.)
Структура и объем работы-
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и 3 приложений, содержит 290 страниц машинописного текста, 28 таблиц, 67 рисунков и схем, список литературы из 172 наименований.
Публнкации-По результатам диссертационной работы опубликовано 45 статей и докладов, монография, получено 7 авторских свидетельств на изобретения и 6 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.
1. ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ ГРУНТОВЫМИ И ТЕХНОГЕННЫМИ ВОДАМИ
Практически весь спектр типичных проблем от подтопления объектов городской застройки грунтовыми и техногенными водами, а также причин их вызвавших могут быть выявлены на примере г. Новочеркасска. Этому способствует ряд факторов: во-первых, относительно короткий период времени существования города, за который легко прослеживаются развитие и изменение городской инфраструктуры с момента его основания; во-вторых, сложный рельеф и инженерно-геологические условия территории городской застройки, характерные для многих городов региона, и в-третьих, численность населения, размер территории и историческая значимость города Новочеркасска, а также наличие на городской территории особых грунтовых условий
(лессовые просадочные грунты, оползневые склоны, подтапливаемые территории).
Материалы данной главы составлены на основе изучения архивных источников, проектных разработок генерального плана города Новочеркасска, литературных источников [2,3], а также сведений, содержащихся в Экологическом паспорте г. Новочеркасска (раздел «Инженерная инфраструктура г. Новочеркасска», составленный под руководством профессора Мурзенко Ю.Н.).
Общие последствия подтопления застроенных территорий грунтовыми водами на примере г. Новочеркасска
Городская застройка включает в себя ряд комплексов зданий и сооружений: жилых, общественных, промышленных и объектов городского хозяйства. Техническое состояние зданий жилой застройки.
В социальном и экономическом аспекте наибольшее значение имеет техническое состояние жилого фонда города. Микрорайоны города относятся к более поздним периодам застройки. Поэтому наиболее показательным является износ и техническое состояние жилого фонда старого города.
Плотность жилого фонда составляет в среднем 1,1 тыс. м/га, в том числе в бывшем Первомайском районе - 1,2 тыс. м2/га и в Промышленном -0,95 тыс. м2/га. Плотность 1-этажного фонда колеблется от 350 до 600 м2/га. Самая низкая плотность малоэтажного фонда в северной части п. Октябрьского и в центральной части города.
В общегородском центре сосредоточено 12.3 % всего городского жилого фонда и проживает 13 % всего населения города.
10.10.85 г. в центре города имелось 307,9 тыс. м жилой общеполезной площади и проживало при средней жилобеспеченности 13 м2/чел. около 24,0 тыс. человек.
Из общего количества жилой площади в обобществленном фонде име-лось 286,7 тыс. м или 93,1 % общего количества и в личной собственности граждан -21,2 тыс. м или 6t9 %. Более половины жилой площади (183,8 тыс. м2, т.е. 59,7 %) размещено в малоэтажных домах, и средняя этажность жилого фонда общегородского центра составляет всего 2,7 этажа.
Застройка центра складывалась на протяжении многих десятилетий. Дореволюционная застройка занимает значительный удельный вес. К этой группе относится большинство домов малоэтажных (1-2 этажа). Послевоенная застройка представлена домами в 4-5 этажей ( на пл.Троицкой, на пл, Ермака). В 70-80-е годы новое 5 - 9-этажное строительство в общегородском центре осуществлялось, главным образом, в порядке реконструкции по пр. Баклановскому и выборочно в кварталах, расположенных между ул. Московской и Пушкинской, пр. Ермака и ул. Фрунзе, где была самая ветхая малоэтажная застройка. В центре города до сих пор остались дома деревянные и из прочих малоценных материалов (саманные, турлучные) с большим моральным и физическим износом (51,8 тыс. м2) - 16,8 % всего жилого фонда.
Согласно данным горжилуправления на 1986 г. в центре города насчи-тывалось 3,4 тыс. м жилого фонда, находящегося в аварийных и подвальных помещениях. Кроме того, имелось значительное количество домов малоэтажных, имеющих износ более 65 % — 2,2 тыс. м2, и домов деревянных и из малоценных материалов в значительной степени морально и физически изношенных - 49,0 тыс. м2.
Комфортность жилого фонда - обеспеченность коммунальными услугами несколько повысилась (в связи со строительством многоэтажных домов), однако большая часть малоэтажного жилого фонда не имеет даже простейших видов инженерного оборудования.
Период 1987-1997 гг. характеризуется развитием строительства благоустроенных 5 - 9-этажных и индивидуальных малоэтажных жилых домов в центральной части и микрорайонах города.
Это улучшило обеспеченность населения жильем. Однако этот период характерен также тем, что имеющийся жилой фонд получил повышенную степень износа за счет недостатка муниципальных, ведомственных и личных средств населения на поддержание его эксплуатационных качеств.
В течение последних 5-8 лет процесс износа и ухудшения эксплуатационных качеств жилой и других видов застройки стал прогрессировать в связи с процессом подъема грунтовых вод. Практически вся территория города перешла в категорию подтопляемой грунтовыми и техногенными водами.
Ущерб от подтопления стал носить прогрессирующий характер, захватывая зоны как старой, так и более поздней и новой застройки.
Техническое состояние уникальных зданий, сооружений и некоторых крупных жилых домов
Приведено техническое состояние некоторых из числа многих зданий и сооружений, которые находятся в неудовлетворительном состоянии и требуют первоочередных работ по обеспечению их эксплуатационной надежности. Обследование этих и многих других зданий и сооружений выполнено специалистами ЮРГТУ (НПИ) с непосредственным участием автора диссертации.
Теоретическое решение задачи о предельном состоянии основания фундаментов с определением верхних и нижних оценок несущей способности
В работе [136] получено аналитическое решение задачи о несущей способности невесомого основания с учетом существования упругого ядра, форма и размеры которого определяются совместно с распределением напряжений в основании. При чем несущая способность, согласно этому решению, зависит не только от прочностных характеристик грунта, ширины и заглубления фундамента, но и от коэффициента Пуассона, характеризующего среду упругого ядра.
Согласно первой теореме Гвоздева величина предельной нагрузки, определяемая по решению [136], является нижней оценкой несущей способности основания, поскольку построенные поля напряжений в областях I, II, III и IV (рис. 3.2) являются статически допустимыми и существует статически допустимое продолжение полей на остальную часть основания.
Решение в упругом ядре (обл. I рис. 3.2) представляется с помощью известных формул Колосова - Мусхелишвили (3.2), в которых с учетом краевого условия под подошвой фундамента (горизонтальные перемещения равны О, а вертикальные - перемещению штампа ) и симметрии задачи, напряженное состояние в этой области выражено через одну аналитическую функцию комплексного переменного с действительными коэффициентами (3.3).
Функция O(z) голоморфна в замкнутой области, занимаемой упругим ядром, поэтому в каждой точке этой области можно представить в виде разложения в ряд Тейлора (3.4), тогда, если мы будем знать все производные функции 0(z) в какой-либо точке ядра, то она полностью определена.
В работе [136] указан способ нахождения производных функции Ф(г)
в точке А(0, -Ы), при этом также определяются производные функции у=у(х), являющейся уравнением границы ядра L , в каждой точке которой должно выполняться условие предельного состояния (3.5) -——— i H -ctgp (3.5) В силу того, что определение значений производных искомых функций трудоемко, в связи с большим объемом вычислительных операций в данном разделе разработан и представлен программный модуль, алгоритмом которого является описанное аналитическое решение [136], формализованное автором данной работы. Порядок выполнения программного модуля или алгоритм приведен ниже: 1. Ввод исходных данных (Ь,(м) - половина ширины фундамента, #,(МПа) - пригрузка, $? ,(град.) - угол внутреннего трения грунта основания, с,(МПа) - сцепление, v- коэффициент Пуассона. Отметим некоторые дополнения, внесенные автором в порядок вычислений. В работе [136] отмечается, что решение задачи неоднозначно, однако получено только одно решение по неформализованным "физическим соображениям" (таким образом выбирались корни уравнений (3.7) и (3.20)). Автоматизация процесса вычислений позволила проанализировать результаты всех возможных решений. Выяснилось, что математически возможны решения при которых: а) зона II граничит с зоной I (рис. 3.2) частично находясь в внутри неё, что возможно при выполнении условия arctg б) зона І (упругое ядро) находится над штампом т.е хср 0 или в) значения контактных касательных напряжений могут иметь различные знаки, т.е. в случае, если С/ С2 имеют разные знаки, выполняется [С, с, условие b которое следует из того, что уравнение тхУ = О + X) (СіУ СзУ ) на участке f-b/2,b/2J имеет 3 корня. Автор считает, что для поставленной задачи такие решения не соответствуют реальным процессам, происходящим в основании, и являются физически не допустимыми. Таким образом, условия (3.25) ограничивают число возможных решений. В силу того, что предельные нагрузки, вычисленные для каждого решения, являются нижними оценками несущей способности основания, выбор единственного решения связан с выбором "лучшей" оценки, т.е имеющей наибольшее значение. В работе [137] Соколовский В.В. показал возможность сложения предельных состояний, в одном из которых основание, обладающее трением и сцеплением, не имеет веса, т.е у 0,сФ0,д Ф0, а в другом -уфО,с = 0,(рФО. Подобным образом получена формула (16) [41], которую для ленточных фундаментов шириной 2Ь, с учетом того, что коэффициенты формы фундамента равны 1, можно записать в виде (3.26). Nu =4b2Nyy! + 2b(Nqq + Nccl), (3.26) здесь q-y\d В формуле (3.26) значение первого слагаемого получено в результате решения предельной задачи при условии уфО,с=0, рФО, из которого и получены коэффициенты N для различных значений р. Второе слагаемое в (3.26) является аналитическим решением Прандтля, по которому, как это показано в [138], определяются коэффициенты Л и Nc. В данной работе предлагается заменить второе слагаемое в (3.26) предельной нагрузкой, полученной В.П. Дыбой в работе [136], при этом представить её, по аналогии с формулой (16) СНиП, в виде (3.27) Nt=2b(N qq + N cCj) (3.27) Поскольку, согласно решению[136], предельная нагрузка М зависит от многих параметров: ширины фундамента - 2Ь; пригрузки -q; сцепления - Q; угла внутреннего трения - р{; коэффициента Пуассона -v, укажем способ нахождения безразмерных коэффициентов N и N c. Во-первых, отметим линейную зависимость предельной нагрузки от ширины фундамента, которая вытекает из следующих преобразований. Пусть Сої, Сц, С2\, Сзі, С4\ - коэффициенты функции (3.3) для случая 6=/, тогда для решений с различными значениями b справедливы соотношения (3.28), которые получаются при решении задачи в безразмерных координатах z}=z/b.
Таким образом согласно (3.29) можно записать линейную зависимость Nt=b-Ni, где Nl - значение предельной нагрузки при b=J.
В силу того, что в отличие от решения Прандтля, решение В.П. Дыбы даёт сложную зависимость предельной нагрузки от пригрузки и сцепления, коэффициенты N и N e определяются приближенно следующим образом.
По программе, алгоритм которой описан выше, при заданных р и v, вычисляются значения предельной нагрузки Ni, для различных значений qt и сь затем методом наименьших квадратов определяем N и N c, которые и устанавливают зависимость (3.27). Эти коэффициенты внесены в таблицу 3.2 , аналогичную таблице 7 [41], для различных р v. Таблица 3.2 удобна для пользования при вычислении предельных нагрузок, однако допускает погрешность не более 1%. Незначительная погрешность указывает на то, что в решении Дыбы зависимость предельной нагрузки от с и q близка к линейной.
Для некоторых сочетаний (pit v решение отсутствует, на что указывают пустые клетки в таблице 3.2. Следует заметить, что такие сочетания невозможны для реальных грунтов, например, как у песков (v = 0.2S) угол внутреннего трения не может быть в пределах 50-250, так и глин (v = 0.4) - в приделах 300-450.
Факторы, вызывающие ущерб от подтопления городской территории грунтовыми водами
Здания, сооружения и инженерные коммуникации в процессе строительства и эксплуатации испытывают взаимовлияние грунтовой среды, грунтовых вод, а также атмосферных воздействий. Подъем грунтовых вод оказал комплексное негативное воздействие на систему "здание—грунтовый массив-внешняя среда", которое существенно усугубилось в экологически неблагополучной городской среде г. Новочеркасска.
Выделим наиболее существенные негативные факторы, вызывающие ущерб для зданий, сооружений и инженерных коммуникаций, который явился следствием подтопления городской территории грунтовыми и техногенными водами.
Сам процесс подтопления и его влияние на инженерно-строительную инфраструктуру города можно условно представить в виде схемы, в которой действуют следующие факторы:
Первичные факторы подтопления (ПФП) - это сам процесс подтопления, происходящий по мере подъема уровня грунтовых вод и выхода их на поверхность территории.
Вторичные факторы подтопления (ВФП) - это последствия влияния первичных факторов на грунтовый массив и подземную часть зданий и сооружений. К вторичным факторам следует отнести изменение физико-механических свойств грунтов в массиве основания, изменение физико-механических характеристик строительных материалов подземной части зданий и сооружений, а также нарушение эксплуатационной пригодности помещений подвалов, цокольных этажей и прилегающих территорий зданий и сооружений.
Третичные факторы подтопления (ТФП) - это длительное проявление последствий действия ПФП и ВФП в виде деформаций и других нарушений эксплуатационной пригодности зданий и сооружений, которые в отдельных случаях могут носить предаварийный или аварийный характер.
Проявление этих трех групп факторов происходит по сложной временной схеме и зависит как от особенностей зданий и сооружений, так и от специфики протекания процесса подтопления (первичное, повторное подтопление, продолжительность подтопления и др.). Существенное влияние на проявление факторов подтопления оказывают агрессивность грунтовых вод и просадочность грунтовых оснований.
Первичные факторы, вызывающие негативные явления при подтоплении
В качестве базового объекта строительства, испытывающего негативные влияния грунтовой капиллярной влаги и грунтовых вод, примем обычное здание с подвальным или цокольным этажом, уровень пола которого расположен примерно на 2,5 м ниже отметки планировки территории (рис.4.1).
Появление первичных негативных факторов рассмотрим при глубине залегания грунтовых вод ниже 10 м от дневной поверхности, прилегающей к зданию территории (табл. 4.3). По мере подъема УГВ начнут проявляться различные неблагоприятные факторы.
Рассмотрим наиболее существенные процессы, которые имеют место в грунтовой толще застроенной территории по мере развития подтопления:
1. Изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива под сооружением, изменения распределения давления от сооружения на грунтовый массив, изменения глубины сжимаемой зоны в грунтовом массиве (при действии факторов, приведенных в пп. 2-4 табл 4.3 и на рис. 4.1).
Следствием являются дополнительные осадки сооружения в целом, а также появление неравномерных деформаций грунта основания и неравномерных осадок сооружения, появление дефектов в строительных конструкциях зданий.
2. Просадочные деформации лессовых грунтов при неравномерном замачивании снизу от подъема грунтовых вод (при действии факторов по пп. 2,3 табл. 4.3). Сводные данные по просадочности приведены в табл. 4.4.
3. Ухудшение деформационных и прочностных свойств грунтов (при длительном действии факторов по пп.3-5 табл. 4.3.):
растворение водно-коллоидных связей между частицами и агрегатами грунта при водонасыщении;
физическая и химическая суффозии в грунтовом массиве при движении грунтовых вод;
сезонное промерзание-оттаивание грунтов и проявление пучения и усадки грунта;
агрессивное воздействие грунтовых вод, содержащих растворенные химические вещества техногенного происхождения, на грунты и строительные материалы.
4. Увеличение влажности и водонасыщение строительных материалов подземных конструкций зданий и сооружений (при действии факторов по пп.
4,5 табл.4.3), следствием чего является:
снижение прочности и долговечности материалов от агрессивного воздействия грунтовых вод;
снижение долговечности здания и его частей вследствие неравномерных деформаций влагонасыщенных материалов (снижения морозостойкости).
5. Проникновение в подвальные и цокольные помещения грунтовой сы рости и грунтовых вод (при действии факторов по пп. 5,6 табл.4.3), которое привело к следующим негативным последствиям:
нарушению микроклимата в помещениях; нарушению эксплуатационной пригодности помещений; проникновению влаги в помещения надземных этажей.
6. Коррозия материалов и снижение надежности и долговечности подземных инженерных коммуникаций, что привело к деформациям и разрушениям трубопроводов и других элементов (при действии факторов по пп. 5-7 табл.4.3).
7. Проявление дополнительных деформаций зданий, сооружений и инженерных коммуникаций при воздействии на водонасыщенные (обводненные) грунты динамических нагрузок от промышленных установок, транспорта и других объектов (при действии факторов по пп. 4-7 табл.4.3).
Общим следствием подтопления городской территории подземными и грунтовыми водами явились деформации зданий, сооружений, инженерных коммуникаций, развитие аварийно-опасных ситуаций, выход из строя некоторых объектов или их фрагментов. Перечисленные и многие другие последствия вызвали в свою очередь дальнейшие негативные проявления. Создалась устойчивая цепочка нарушений в инфраструктуре города.
Из рассмотрения карты уровней залегания грунтовых вод при их максимальном подъеме (карта 1 прил. 1) и анализа данных табл. 4Л-4.4 можно заключить, что, начиная с 1994 г., практически 85% всей территории г. Новочеркасска испытывает влияние негативных факторов подтопления (НФП) по пп. 4-7 (табл. 4,3).
В период 1995-1999 гг. интенсивность подтопления повысилась, а в период ноябрь 1997 - март 1998 гг. наблюдался наиболее высокий уровень подъема грунтовых вод по городу.
Экономические факторы ущерба от подтопления для зданий и сооружений городской застройки
В связи с отсутствием общепринятых отраслевых методик определения ущерба от подтопления городских территорий грунтовыми и техногенными водами предлагается апробировать следующий подход для стадии технико-экономических обоснований.
Раннее было отмечено, что ущерб от подтопления можно разделить на 3 группы (по данным Л. М. Родионовой): экономический, экологический и социальный.
Это разделение реализовано следующим образом. Общий ущерб от подтопления городской территории грунтовыми и техногенными водами для зданий, сооружений, инженерных коммуникаций и территорий, а также общий экологический и социальный ущерб от подтопления можно определить по следующей формуле: где U- суммарный ущерб от подтопления в целом по городу; Uf - технический (экономический) ущерб от подтопления в целом по городу; U$ -экологический ущерб от подтопления в целом по городу; UQ - социальный ущерб от подтопления в целом по городу. В соответствии с наличием информации в данной монографии определен технический ущерб от подтопления для зданий, сооружений и территорий города. Суммарный технический ущерб от подтопления определим по следующей формуле: UT=UM -кд-кв кр, где UM - суммарный ущерб от подтопления, подсчитанный для микрорайонов города; к$— коэффициент достоверности подсчетов ущерба по микрорайонам; кв коэффициент взаимовлияния различных факторов подтопле 211 ния; k„ — коэффициент, учитывающий развитие ущерба от подтопления в связи с непринятием мер защиты. Значение С/д/ определим по полученным и обобщенным нами справочным данным (табл. 5.1-5.3). Зададимся значениями коэффициентов: k$=lA; ке = 1.05; значение кр целесообразно определять для 1-го года к„= 1, для второго кр= 1.2; для третьего к„ = 1.44 в связи с прогрессирующим характером развития ущерба от подтопления. По справочному материалу были составлены "Сводные данные об ущербе от подтопления" (табл. 5.1-5.3). По данным указанных таблиц получено следующее значение суммарного ущерба по микрорайонам (в деноминированных ценах 1998 г.): UM = 804.992+676.904+203.920 - 1685816 тыс. руб. Суммарный технический ущерб от подтопления для г. Новочеркасска составляет для 1-го года (1998 г.): UT= 1685816 1.1 1.05 1.0= 1947117тыс. руб., соответственно для 2-го года (1999 г.): UT =1947117 1.2 = 2336540 тыс. руб., соответственно для 3-го года (2000 г.): UT= 1947117 1.44 = 2803818 тыс. руб. Приведенная сумма ущерба подлежит дальнейшей коррекции. В вычисленную сумму ущерба от подтопления не включена сумма ущерба для зон рекреации и зон зеленых насаждений (табл. 5.4) в связи с отсутствием в распоряжении автора необходимых данных. 212 5.4 Разработка мероприятий по геотехнической защите оснований и фундаментов, зданий и сооружений городской застройки при подтоплении. Целесообразно выделить основные направления и виды инженерно-строительной деятельности, в русле которых представляется удобным сгруппировать конкретные защитные мероприятия:
1-я группа. Мероприятия, направленные на уменьшение интенсивности процессов подтопления грунтовыми и техногенными водами, которые приведут к ослаблению или приостановлению действия неблагоприятных факторов-первопричин, вызывающих нарушение эксплуатационной пригодности зданий, сооружений и инженерных коммуникаций.
Цель этой группы мероприятий - улучшение условий строительства и эксплуатации объектов.
2-я группа. Мероприятия, направленные на восстановление и повышение эксплуатационной надежности зданий, сооружений и инженерных коммуникаций путем усиления конструкций, укрепления грунтов и т.п.
3-я группа. Разработка региональных нормативных положений и рекомендаций по проектированию, строительству и эксплуатации зданий, сооружений и инженерных коммуникаций (ЗСи ИК) для специфических инженерно-геологических и экологических условий строительства района г. Новочеркасска в условиях подтопления территории грунтовыми водами.
Разработки по 3-й группе мероприятий могут быть выполнены в дальнейшем путем интеграции усилий Администрации города, проектных организаций, специализированных фирм и специалистов.
Ниже по тексту приведены мероприятия по 1-й и 2-й группам, которые предлагаются к реализации в масштабе городской инженерной инфраструктуры, а также на отдельных объектах и локальных территориях.
Мероприятия, направленные на ослабление действия негативных факторов подтопления
Как известно, подтопление городских территорий грунтовыми водами является интеграционным процессом, который представляет собой следствие изменения режима грунтовых вод от естественных причин (процессов, происходящих в верхних слоях литосферы), от изменения условий отвода поверхностных (атмосферных) вод, от изменения условий испарения грунтовой влаги в зоне аэрации, от проникновения в грунтовый массив технических вод (поверхностных) от утечек водонесущих коммуникаций. С системных позиций комплексный подход к данной проблеме описан в работе [1].
К 1-й группе целесообразно отнести следующие мероприятия:
1. Упорядочение поверхностного стока атмосферных вод путем осуществления следующих мероприятий:
1.1. Улучшение качества вертикальной планировки, обеспечение необходимых уклонов поверхности планировки, реконструкция существующих или устройство новых дорожных покрытий, тротуаров и отмосток вокруг зданий и сооружений.
1.2. Демонтаж объектов некапитального характера, затрудняющих поверхностный отток атмосферных вод с эксплуатируемых территорий.
1.3. Реконструкция или строительство ливнестоков, ливневой канализации.
2. Ограничение поступления в грунт технических вод путем устранения утечек из водонесущих коммуникаций, емкостей для хранения жидкостей в системах водоснабжения, водоотведения, теплоснабжения, технологических системах и др.
3. Улучшение условий аэрации грунтовой толщи в пределах городской застройки.
