Введение к работе
Актуальность проблемы.
В результате добычи полезных ископаемых и создания региональных хозяйственных комплексов получило развитие строительство промышленных, жилых, культурно-бытовых зданий и сооружений на территориях горнодобывающих бассейнов Республики Казахстан, стран СНГ, ФРГ, США, Австралии, КНР, Польши, Японии и других государств.
При существующей плотности застройки территории в основных горнодобывающих бассейнах новое строительство ведется на угленосных площадях, в том числе и на территориях залегания ценных коксующихся углей. О значимости проблемы выемки угля и других полезных ископаемых под сооружениями, в частности в Карагандинском бассейне, свидетельствует тот факт, что к настоящему времени в общещахтных целиках под различные здания и сооружения только на промышленном участке законсервировано более 120 млн. тонн угля, а в существующих границах Нового города Караганды со сплошной капитальной застройкой насчитывается кроме того более двух миллиардов тонн угля, т.е. значительно больше, чем извлечено запасов за весь период существования бассейна. Выемка из под застраиваемых территорий с обеспечением сохранности жилого фонда является важнейшей государственной задачей. В конструкциях зданий и сооружений, возводимых на подрабатываемых территориях в настоящее время, как правило, предусматриваются специальные защитные элементы, снижающие чувствительность объектов к деформациям оснований. Это позволяет в некоторой степени осуществить выемку угля без нарушения эксплуатационной пригодности, однако, стоимость конструктивных мер при этом остается достаточно высокой, достигая до 5-8% сметной стоимости объекта.
Выбор конструктивных мер защиты и их расчет основывается на анализе взаимодействия сооружения с деформирующимся при подработке основанием. Опыт эксплуатации сооружений на подрабатываемых территориях приводит к выводу о том, что рассчитанные обобщенные усилия на здания нередко существенно отличаются от фактических, что в ряде случаев приводит к неоправданному перерасходу средств на усиление зданий,либо к переоценке несущей способности оснований. Поскольку дополнительные нагрузки и соответствующие им усилия от влияния подработки в вертикальной плоскости обус-
_4-
ловлены перемещением грунта и сооружения, то достоверность их определения во многом зависит от правильной оценки прочностных и деформационных характеристик грунтов основания. Тем не менее в практике проектирования зданий на подрабатываемых территориях при определении дополнительных нагрузок на сооружения используются вплоть до настоящего времени результаты инженерных изысканий, проводимых в неподрабатываемом грунтовом массиве, т.е. физико-механические характеристики неподработанного и деформированного при подработке массива грунта принимаются идентичными.
Аналогично этому и расчет жесткостных характеристик оснований производится без учета повышения их деформируемости при подработке .
Поэтому необходимо разработать такую методику проектирования подрабатываемых оснований, которая бы учитывала основные закономерности деформирования и сдвижения горных пород. Изучение реальных свойств грунтового массива, особенностей его деформирования и поведения служит основой для разработки новых принципов проектирования фундаментов на подрабатываемых основаниях и расчета усилий в зданиях.
Изложенное указывает на актуальность темы диссертационной работы, которая посвящена решению научной проблемы прогноза несущей способности и жесткости подрабатываемых грунтовых оснований фундаментов эдакий и сооружений с учетом влияния горизонтальных деформаций.растяжения земной поверхности.
Диссертационная работа входила в состав комплексных исследований, проводимых ЛИСИ, ВНИМИ, Карагандинским металлургическим институтом в соответствии с планом важнейших работ, предусмотренных подпрограммой О.55.16.Д целевой научно-технической программы ОЦ. 031, утвержденной Госстроем СССР на 1985-1990 гг, "Разработать и внедрить новые эффективные конструкции фундаментов и подземных сооружений, а также способы их возведения, в том числе, обеспечивающие возможность строительства в районах со сложными инженерно-геологическими условиями и на территориях, ранее считавшихся непригодными для строительства" (Приложение к Постановлению Госстроя СССР, Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 31 декабря 1985 гг., N233, 591/270).
С 1991 по 1995 г. тема входила в программы поисковых научно-исследовательских работ, утвержденные главными управлениями
прогнозирования и развития НТП Министерства образования и Министерства науки и новых технологий Республики Казахстан ( номер Госрегистрации 0194 РК01097) и проводилась под непосредственным научным руководством автора диссертации.
Целью работы является создание теоретических и практических основ надежной оценки несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований фундаментов при развитии горизонтальных деформаций грунтовой толщи.
Основная идея состоит в использовании закономерностей влияния горизонтальных деформаций земной поверхности на поведение фундаментов при прогнозе изменения несущей способности.и жесткости грунтовых оснований в процессе подработки.
Методы исследований. Достижение поставленной цели потребовало сочетания методов численного и лабораторного моделирования, а также проведения по специальной программе полевых экспериментов и натурных наблюдений.
Основные научные положения, выносимые на зашиту:
основное влияние на изменение несущей способности и жест-костных характеристик подрабатываемых оснований оказывает изменение напряженно-деформированного состояния: грунтовой толщи под воздействием горизонтальных деформаций растяжения земной поверхности, возникающих в результате подработки;" снижение коэффициента жесткости и уменьшение несущей способности подрабатываемых оснований ленточных, отдельных и свайных фундаментов тем.значительнее, чем больше горизонтальные деформации растяжения земной поверхности;
армирующий эффект протяженного здания под воздействием горизонтальных деформаций растяжения земной поверхности обуславливает дополнительное искривление здания в вертикальной плоскости, так как коэффициент жесткости краевых частей основания ленточной полосы снижается в большей степени, чем центральной;
величина врезания фундаментов подрабатываеых сооружений не зависит от последовательности нагружения и подработки основания, что позволяет отказаться от длительных штамповых испытаний грунтовой толщи;
при повторной подработке эффект снижения жесткостных характеристик и несущей способности грунтового основания повторяется, но не суммируется;
механизм работы свай в подрабатываемом свайном кусте отли-
чается от работы подрабатываемой одиночной сваи из-за армирующего эффекта грунтового массива в свайном кусте, что способствует меньшему снижению несущей способности свайного куста по сравнению с несущей способностью одиночной сваи;
- наличие шва качения и специальная коническая форма фунда
ментов определяет оптимальную работу здания на подрабатываемых
территориях.
Достоверность научных положений подтверждается корректной постановкой задач исследований, обоснованными теоретическими и экспериментальными исследованиями, удовлетворительной сходимостью (в пределах 5-15%) расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
обосновано теоретически и экспериментально существенное различие несущей способности и жесткости оснований фундаментов зданий и сооружений на подрабатываемых территориях;
представлен механизм изменения жесткостных характеристик и несущей способности деформируемой грунтовой толщи;
. - разработаны теоретические и экспериментальные основы прогноза несущей способности и коэффициента жесткости подрабатываемых грунтовых оснований фундаментов;
вскрыт принципиально новый механизм взаимодействия конических фундаментов зданий и сооружений со швом качения на подрабатываемых территориях;
обоснован теоретически и экспериментально армирующий эффект зданий и сооружений на подрабатываемом основании;
разработана комплексная методика определения несущей способности и податливости подрабатываемых оснований ленточных, столбчатых, свайных и конических фундаментов зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.
- Практическая ценность и значимость работы заключается в том, что разработана методика прогноза изменения несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований фундаментов зданий и сооружений, которая позволяет оценить поведение фундаментов при влиянии горизонтальных деформаций грунтовой толщи при расконсервации полезных ископаемых, комплексная методика проектирования подрабатываемых оснований фундаментов зданий и - сооружений проверена на конкретных примерах опытного проектирования ряда объектов на подрабатываемых территориях, реализована в учебном процессе, в учебных пособиях, научно-методических указаниях, научной монографии.
Фактический материал работы составили результаты научных исследований, проведенные автором в период с 1984 года по 1995 год; позволившие создать и отработать оригинальные конструкции серий специальных геотехнических новых приборов, новую оптимальную фундаментную конструкцию конической формы со швом качения, новые принципы проектирования грунтовых оснований фундаментов зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.
Реализация работы. Основные материалы диссертационной работы вошли составной частью в "Практические рекомендации по проектированию оснований на подрабатываемых территориях", принятых к внедрению акционерным обществом "Союзспецфундаментстрой",. Казахским научно-исследовательским институтом горной геомеханики и маркшейдерского дела, акционерными трестами "Казметаллургстрой", "Метал-лургжилстрой", Казахской государственной научно-исследовательской, проектно-конструкторской и производственной лабораторией.
Предлагаемая Жусупбековым А.Ж. комплексная методика прогноза
несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований фунда
ментов внедрена на объектах НПО "Союзспецфундаментстрой"; ПО
"Карбид", "НТС" - 1, научно - производственного предприятия "Гео
технология"; Хачинохского технологического института (Япония) при
проектировании промышленных, гражданских и жилых зданий на кони
ческих фундаментах в префектурах Аомори, .Акита (города Хачинохэ,
Акита) на подрабатываемых территориях. - .
Апробация работы. Основные положения, результаты, научных исследований и выводы диссертации докладьшались, обсуждались и получили одобрение на международных конгрессах. (Киото,..- Япония, 1992), (Токио, Япония, 1994), (Тромсо, Норвегия, 1990), (Ченду, КНР,1990), на международных симпозиумах (Осло, Норвегия, 1991), (Ухань, КНР, 1991), (Нанкин, КНР, 1992), (Фукуока, Япония, 1992), (Саппоро, Япония, 1994), (Голд Кост, Австралия, 1995), (Хиросима, Япония, 1995), международных конференциях (Гонконг, Великобритания, 1994), (Каир, Египет, 1995), (Лулео, Швеция, 1990).. (Краков, Польша, 1990), (Делфт, Голландия, 1990), (Банкок, Таиланд, 1991), (Шанхай, КНР, 1991), (Гонконг, Великобритания, 1991), (Раубичи, Белоруссия, 1989), (Сингапур, 1993), (Гуанжоу, КНР, 1993), (Сеул, Южная Корея,1993), (Беласток, Польша, 1989), (Варшава, Польша, 1984), (Санкт-Петербург, Россия, 1992), (Пекин, КНР, 1995),на международном форуме (Кобе, Япония, 1993), на международном семинаре (Сага,Япония, 1992),на всесоюзных совещаниях и конференциях
(Владивосток, 1988), (Москва, 1988), (Куйбышев, 1990), (Одесса, 1990), (Челябинск, 1988), республиканских и региональных конференциях (Алма-Ата,1983-90), (Оренбург, 1986), (Караганда, 1986,1987), (Казань, 1986), (Пермь, 1987), (Тюмень, 1987), (Те-миртау, 1988), (Йошкар-Ола, 1988), (Москва, 1989),(Тольятти, 1992), (Минск, 1992) по проблемам механики грунтов и фундамен-тостроения; строительных конструкций зданий и сооружений. .-
Результаты исследований докладывались на заседаниях кафедры "Основания, фундаменты и механика грунтов" СпбГАСУ, МИСИ (1993), Пермского государственного технического университета (1993); кафедры "А и ТСП" Карагандинского металлургического института, на кафедрах промышленного и гражданского строительства Хачинохского технологического института (Япония, 1992), Тяньзинского университета (КНР, 1991), кафедры "Основания, фундаменты, механика грунтов и маркшейдерия" Монашского университета (Австралия, 1995), на объединенном семинаре кафедры "Маркшейдерского дела и геодезии" КарПТИ (1995), международном семинаре по проблемам строительства на подрабатываемых территориях и сейсмических регионах при Министерстве науки и новых технологий Республики Казахстан (1995). Результаты работы экспонировались на ВДНХ СССР в 1990 году, (награждена серебрянной медалью ВДНХ, СССР), ВДНХ Казахстана (отмечены дипломами 1-ой и П-ой степеней). Автор по результатам исследований неоднократно читал лекции по приглашению ведущих университетов и фирм Японии, Австралии, КНР, Голландии, Таиланда, Сингапура, Южной Кореи, Гонконга, ФРГ, Норвегии, Финляндии, Польши, Румынии, Египта и других стран (имеются положительные отзывы о качестве и научной ценности проведенных лекций по научной теме диссертации от президента Европейского комитета по механике грунтов и фундаментостроению профессора Штутгартского университета д.т.н. Смольчика У. (ФРГ); президента Азиатского комитета по механике грунтов и фундаментостроению, профессора Токийского университета д. т.н. К.Ишихара (Япония); профессора Хачинохского технологического института, д.т.н. Морото Н, (Япония) и других).
В 1988 году научная работа "Исследование и разработка методики определения несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований ленточных и свайных фундаментов" была награждена премией Ленинского комсомола Казахстана.
Автор диссертации в 1991/1992 г. выполнил научные исследования взаимодействия нового конического фундамента со сдвигаемым основанием по контракту с Хачинохским технологическим институтом (Япония) в качестве научного руководителя проекта.
Публикации. По теме диссертации опубликовано около 100 работ, получено три авторских свидетельства и один патент, в том
числе около 50 публикаций в трудах международных конгрессов, симпозиумов, конференций и 2 книги (одна издана в Японии в 1992 году в издательстве Chugai Printing Co. Ltd. "Keynote lectures and papers on investigations on multiple undermining soils" на английском языке, вторая монография в Казахстане в 1994 году в издательстве "Гылым" "Строительные свойства оснований фундаментов сооружений на подрабатываемых территориях" на русском языке).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 328 наименований и приложения. Она изложена на 380 страницах машинописного текста, содержит 129 рисунков и 38 таблиц.
Специфика строительства зданий и сооружений на подрабатываемых территориях заключается в том, что при подземной выемке полезных ископаемых на земной поверхности образуется мульда сдвижения, характеризующаяся как неравномерными осадками, так и неравномерными горизонтальными сдвижениями. Деформирующееся в процессе подработки основание оказывает воздействия на здания и сооружения и вызывает появление дополнительных усилий в их несущих конструкциях, что в свою очередь приводит нередко к существенным повреждениям .объектов. Это обуславливает необходимость учета влияния деформаций земной поверхности при проектировании оснований фундаментов, строящихся на угленосных площадях. Вопросам исследования работы фундаментов на подрабатываемых территориях и в сложных инженерно-геологических условиях посвящены работы отечественных и зарубежных авторов:3.П.Артемова, Ш.М.Айталиева, А.Т.Аубакирова, Б. Е.Бронштейна, А.И.Братанчука, В.Н.Бронина, А.А.Бартоломея, Х.З.Ва-кенова, Т.М.Еайтасова, В.М.Вырво, И.М.Гадымбы, А.С.Горбанова, Т.Ж. Жунусова, О.М.Жилинского, Т.Е.Жандильдина, П.Е.Клещева, Ю.Ф.Крени-ды, В.А.Лукина, Р.А.Муллера, И.В.Носкова, Г.А.Решегова, Н.Л.Степанова, А.А.Петракова, З.И.Поздняковой, А.В.Фадеева, А.В.Филатова, С.Б.Ухова, С.Е.Шагалова, А.И.Юшина, H.Glinko, E.Kwiatek, G.Kratsh, J.Ledwon, K.Malharek, N.Moroto, A.Rosikon, C.Zawora и др.
Надежный прогноз несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований фундаментов является залогом безопасной эксплуатации зданий и сооружений, возводимых на площадях, подвергаемых гарным работам.
