автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Взаимодействие плитного фундамента заглубленного сооружения с основанием над карстовой полостью

Каюмов Марат Закиевич

На правах рукописи

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛИТНОГО ФУНДАМЕНТА ЗАГЛУБЛЕННОГО СООРУЖЕНИЯ С ОСНОВАНИЕМ НАД КАРСТОВОЙ ПОЛОСТЬЮ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные

сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

005045148

Работа выполнена в государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и производственный институт строительного и градостроительного комплекса Республики Башкортостан» (ГУП институт «БашНИИстрой»).

Научный руководитель

доктор технических наук Готман Наталья Залмановна

Официальные оппоненты:

Никифорова Надежда Сергеевна доктор технических наук, НИИ строительной физики РААСН, ведущий научный сотрудник

Шулятьев Олег Александрович кандидат технических наук, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова - структурное подразделение ОАО "НИЦ "Строительство", зам. директора по научной работе

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно — строительный университет»

Защита состоится 30 мая 2012 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.138.08 при ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет" по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, аудитория № 9 "Открытая сеть"

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет"

Автореферат разослан ТА апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Знаменский Владимир Валерианович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время заглубленные сооружения стали полноправными элементами городской застройки. В условиях дефицита хороших и удобных для строительства площадок все чаще под подземные и заглубленные сооружения отводятся площадки с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями, к которым относятся и закарстованные территории.

Проектирование плитных фундаментов на закарстованных территориях выполняется на основе расчетов, в которых основным параметром является расчетный диаметр карстового провала в основании плиты. Существующие методы определения расчетного диаметра карстового провала не учитывают влияния заглубленного сооружения на изменение напряженно-деформированного состояния основания при образовании и росте карстовой полости в карстующихся грунтах, а опытные данные о размерах обрушения и возможных диаметрах провалов под фундаментами заглубленных сооружений отсутствуют; Поэтому в данной работе разрабатывается метод расчета плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях по результатам исследования взаимодействия фундамента с основанием над полостью в карстующихся грунтах.

Актуальность работы обосновывается растущим объемом подземного строительства на закарстованных территориях и отсутствием методов расчета, учитывающих специфику фундаментов заглубленных сооружений, а именно близость к карстующимся грунтам, в которых развивается карстовая полость.

Научная идея работы, определяющая направление исследований, заключалась в следующем. На основе анализа НДС основания заглубленного сооружения над растущей карстовой полостью в карстующихся грунтах определить расчетный диаметр карстовой полости и, исследуя взаимодействие плитного фундамента с основанием, найти функциональную связь между этим параметром и снижением коэффициента постели основания в зависимости от конструкции подземной части и характеристик грунтов основания.

Целью работы является разработка метода расчета плитного фундамента заглубленного сооружения с учетом его взаимодействия с основанием над карстовой полостью в карстующихся грунтах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) анализ существующего расчетного и экспериментального опыта, на основании которого дать качественную картину влияния развития карстовой полости на НДС основания над полостью и определить целесообразную область исследований;

2) исследование НДС основания заглубленного сооружения над карстовой полостью и разработка метода определения расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах;

3) исследование взаимодействия плитного фундамента и основания над карстовой полостью и разработка метода расчета коэффициента постели основания плитного фундамента над карстовой полостью;

4) разработка предложений по расчету плитного фундамента заглубленного сооружения с учетом его взаимодействия с основанием над карстовой полостью.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- сформулирован новый подход к расчету заглубленных зданий и сооружений на закарстованных территориях, отличающийся от нормативного тем, что в качестве расчетного критерия принят не расчетный диаметр карстового провала под фундаментом, а максимальный расчетный диаметр карстовой полости в карстующихся грунтах;

- предложен метод определения расчетного диаметра карстовой полости, при котором свод над полостью устойчив;

- установлены новые закономерности изменения напряжений и деформаций основания плитного фундамента заглубленного сооружения в зависимости от характеристик фундамента, основания и размеров карстовой полости;

- разработан метод расчета коэффициента постели основания плитного фундамента заглубленного сооружения над карстовой полостью.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется применением основных положений и моделей классической механики грунтов, проведением расчетов в сертифицированных геотехнических расчетных программах, реализующих МКЭ с использованием верифицированных нелинейных моделей грунта, достаточной для практических расчетов сходимостью результатов физического и численного исследования образования и роста карстовой полости в карстующихся грунтах.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований могут быть использованы проектными организациями при проектировании плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях.

Практические результаты работы сводятся к следующему:

- разработаны рекомендации по расчету плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях, учитывающие взаимодействие фундамента и основания над карстовой полостью в карстующихся грунтах;

- результаты исследований внедрены при проектировании фундамента жилого дома с двумя подземными этажами на карстоопасной площадке в г. Уфе.

Личный вклад автора состоит:

- в выполнении анализа результатов модельных исследований, проведении численных исследований, обобщении и оценке полученных результатов;

- в разработке метода определения расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах, при котором свод над полостью устойчив;

- в разработке метода расчета коэффициента постели плитного фундамента заглубленных сооружений над карстовой полостью в карстующихся грунтах;

- в практическом использовании разработанного метода расчета коэффициента постели над карстовой полостью при проектировании фундамента жилого дома с двумя подземными этажами на карстоопасной площадке.

На защиту выносятся результаты исследований, на базе которых разработаны предложения по расчету плитных фундаментов подземных сооружений на закарстованных территориях, включающие:

- метод определения расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах, при котором свод над полостью устойчив;

- метод расчета коэффициента постели основания плитного фундамента заглубленных зданий и сооружений над карстовой полостью;

- предложения по расчету плитного фундамента заглубленных сооружений с учетом его взаимодействия с основанием над карстовой полостью.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: общероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург,

2009); научно-практическая конференция аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» (Пермь, 2009); конференция по геотехнике для молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения» (Санкт-Петербург, 2010); международная геотехническая конференция «Геотехнические проблемы мегаполисов» (Москва,

2010); всероссийский семинар «Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции (инженерная геология, геоэкология, основания и фундаменты)» (Новосибирск, 2011); международная конференция «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011); международная научная конференция, посвященная 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий ВАК Минобразования и науки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Структура Ii объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Диссертационная работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включающего 44 рисунка, 24 таблицы, список использованных источников из 120 наименований.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю д. т. н., проф. Готман Н. 3., за консультативное участие техническому директору ООО «Архстройизыскания» Травкину А. И., коллективу отдела оснований и фундаментов ГУП института «БашНИИстрой» за оказанную помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы и основные задачи исследований.

В первой главе выполнен литературный обзор, дан краткий анализ методов проектирования, расчета плитных фундаментов на закарстованных территориях и особенностей заглубленных сооружений.

Изучению карстовых процессов и проблемам проектирования фундаментов на закарстованных территориях посвящены работы российских и зарубежных ученых: Андрейчука В. Н., Барвашова В. А., Безволева С. Г., Готмана A. JL, Готман Н. 3., Кореневой Е. Б., Мартина В. И., Метелюка Н. С., Мулюкова Э. И., Незамутдинова Ш. Р., Постоева Г. П., Протодьяконова М. М., Сорочана Е. А., Тер-Мартиросяна 3. Г., Толмачева В. В., Травкина А. И., Троицкого Г. М., Хоменко В. П., Шахунянца Г. М., Beck В. F., Bell F. G„ Burland J. В., Cai G„ Canace R., Fischer J. A., Reuter F., Tharp Т. M„ Wal-tham Т., White E. L. и др.

По результатам исследований российских ученых разработаны нормативные и рекомендательные документы, в соответствии с которыми выбор типа фундамента и его расчет выполняется в зависимости от степени карстовой опасности и формы поверхностных карстопроявлений (карстовых деформаций). Известны две основные формы карстовых деформаций — провал и просадка. Провал — это полость под подошвой фундамента, просадка — это оседание грунтового массива (покровной толщи над карстующимися грунтами) без нарушения его сплошности. При этом одной из причин карстовых деформаций покровной толщи является достижение карстовыми полостями в карстующихся грунтах критических размеров, когда идет процесс разрушения свода над полостью.

Для заглубленных сооружений наиболее предпочтительным фундаментом, способным воспринимать карстовые деформации, является плитный фундамент. В развитие методов расчета плитных фундаментов значительный вклад внесли Горбунов-Посадов М. И., Жемочкин Б. Н., Клубин П. И., Коре-

нев Б. Г., Маликова Т. А., Павлов Б. П., Соломин В. И., Федоровский В. Г., Шейнин В. И. и др.

Плитные фундаменты зданий рассчитываются, как правило, с использованием модели переменного коэффициента постели (контактной модели). При расчете плитных фундаментов на закарстованных территориях определение переменного коэффициента постели выполняется в зависимости от расчетных характеристик карстовых деформаций. Важнейшими расчетными характеристиками карстовых деформаций являются расчетный диаметр карстового провала и мульда проседания, так как в этой области коэффициент постели обнуляется (провал) или снижается (просадка). Нормами предусмотрено два способа определения расчетных параметров карстовых деформаций: расчетно-теоретический либо вероятностно-статистический. Однако особенности заглубленных сооружений, а именно близость их к карстую-щимся грунтам и отсутствие опытных данных о карстовых провалах и просадках в основании сооружений, не позволяют рекомендовать их для расчета фундаментов таких сооружений.

Вопросам расчета фундаментов подземных и заглубленных сооружений посвящены исследования следующих ученых: Зарецкого Ю. К., Ильичева В. А., Карабаева М. И., Колыбина И. В., Коновалова П. А., Никифоровой Н. С., Петрухина В. П., Улицкого В. М., Ухова С. Б., Шейнина В. И., Шишкина В. Я., Шулятьева О. А. и др. На основании анализа работ этих ученых установлено, что заглубленные сооружения оказывают существенное влияние на изменение НДС основания. Существующие методы расчета зданий на закарстованных территориях с использованием расчетного диаметра карстового провала под подошвой фундамента не учитывают этого явления. Поэтому для заглубленных сооружений целесообразно рассмотреть возможность использования в качестве расчетного параметра карстовых деформаций критический размер полости в карстующихся грунтах, когда свод над полостью, образованный в покровной толще, устойчив, карстовый провал под фундаментной плитой не образуется, а имеет место просадка основания плиты. Прогноз критических размеров полостей прежде всего связан с изучением механизма карстовых деформаций.

Анализ результатов исследований механизма карстовых деформаций, опубликованных в научной литературе, свидетельствует, что по мере роста карстовой полости в карстующихся грунтах, перекрытых покрывающими толщами, сложенными глинистыми грунтами, вначале не происходит обрушения, кровля полости держится плоско или незначительно прогибается. Это продолжается до тех пор, пока полость не достигнет ширины, обеспечивающей образование первого внутреннего вывала. В процессе дальнейшего увеличения карстовой полости происходит последовательное дискретное формирование более крупных вывалов, все ближе подступающих к поверхности земли, до тех пор, пока не произойдет выход свода на поверхность в

виде провала. Таким образом, до определенного этапа роста карстовой полости не происходит провала. Максимальный диаметр полости в карстующихся грунтах, при котором свод полости в покровной толще находится в равновесии и провала не происходит, будем называть расчетным диаметром карстовой полости.

В заключении первой главы сформулированы цель и задачи исследований, ограничена область исследований - в качестве грунтов покровной толщи рассматриваются глинистые грунты, при которых возможен рост карстовой полости в карстующихся грунтах без разрушения свода.

Во второй главе анализируются результаты аналитических и натурных исследований образования и роста карстовых полостей и разрабатывается метод определения расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах.

В аналитических исследованиях Протодьяконова М. М., Постое-ва Г. П., Хоменко В. П. рассмотрен процесс роста карстовой полости в карстующихся грунтах до момента выхода ее на поверхность в виде провала. Для определения расчетного диаметра карстовой полости результаты исследований этих авторов не подходят, так как мы ищем максимальный размер карстовой полости в карстующихся грунтах, когда свод полости сохраняет устойчивость, и полость не "всплывает" в виде провала.

На основании результатов натурных исследований на плоских моделях методом эквивалентных материалов была сформирована качественная картина механизма карстовых деформаций при росте карстовой полости и происходящих при этом явлениях. В процессе роста полости в карстующихся грунтах происходит локальное разрушение в покровной толще, начинающееся у краев полости, приводящее к образованию зон локальной потери устойчивости и вывалам внутрь полости. При этом образуется свод арочной формы. До определенного этапа роста полости свод сохраняет устойчивость. Если процесс роста полости продолжать, то начинается прогрессирующее разрушение всей покровной толщи с выходом полости на поверхность в виде провала. Также следует отметить, что в процессе роста полости и образования свода неизбежно возникают области с необратимыми сдвигами и разрывами грунта. Поэтому можно сделать допущение о том, что локальная потеря устойчивости грунтового массива (в области карстовой полости или по ее краям) не всегда влечет за собой общую потерю устойчивости и начало прогрессирующего разрушения.

На основе анализа научной литературы по механизму карстообразова-ния и результатов физических экспериментов данного процесса была разработана процедура моделирования роста карстовой полости численным способом. Она включает следующие основные положения.

1. Математическое моделирование поэтапного образования полости и роста ее размеров выполняется с использованием конечноэлементной модели

грунтового массива путем исключения ослабленных зон (зон локальной потери устойчивости) вокруг карстовой полости при постоянном контроле условий равновесия свода.

2. В качестве разбиения на конечные элементы используется изменяемая конечноэлементная сетка.

3. В кровле полости используются контактные элементы (поверхности) (рис. 1), которые допускают как сдвиг нагруженных областей грунта относительно друг друга, так и отрыв.

4. Размер области покровной толщи, где следует вводить контактные поверхности, определяется по формуле Протодьяконова М. М.:

/¡=6/2/;

Мё<Р + с/(уН),

где /г - высота полости; Ъ — предполагаемая ширина полости;/— коэффициент крепости покрывающих глинистых пород по Протодьяконову М. М.; <р - угол внутреннего трения покровных глинистых грунтов; с — удельное сцепление; у — удельный вес; Н — мощность (глубина залегания кровли карстующихся грунтов).

5. Процесс роста полости происходит до образования максимального диаметра полости, при котором выполняется условие равновесия системы, характеризуемое допредельным состоянием грунта покровной толщи.

Контактные элементы

На рис. 2 показаны изополя сдвиговых деформаций грунта при увеличении ширины полости в карстующихся грунтах от Ъ\ до Ь-у

Рисунок 2 - Изополя сдвиговых деформаций: а, б, в- ширина полости

Ь=Ь\,Ьг, ¿з (Ь\<Ь2<Ьз), г - образование свода равновесия при Ъ=Ъъ

Обоснование возможности математического моделирования карстового процесса с использованием разработанной процедуры выполнено путем сравнения результатов физического и численного моделирования.

В качестве физического эксперимента был взят эксперимент с моделированием роста карстовой полости на плоском стенде на эквивалентных материалах, проведенный в БашНИИстрое. В эксперименте исследовалось распределение осадок по глубине над центром полости в зависимости от диаметра полости в карстующихся грунтах.

Данный эксперимент был повторен численным методом в программном комплексе Р1ах1з 2Б. Размер модели, физико-механические характеристики грунта, диаметры карстовых полостей на различных этапах расчета брались такими же, как и в лотковом эксперименте. В качестве модели основания использовалась модель упрочняющегося грунта. Моделирование роста полости выполнялось в соответствии с вышеописанной процедурой.

В численном эксперименте по аналогии с физическим исследовалось распределение осадок по глубине над центром полости в зависимости от диаметра полости в карстующихся грунтах. Результаты, полученные на математической модели, сравнивались с результатами физического модели-

рования. На рис. 3 показано сравнение результатов физического моделирования с результатами численного моделирования в РІахІБ 2Т> при диаметрах полости от 12 до 22 см.

Диаметр полости 12 см

Осадка, мм 0 2 4 6

7 0

УС 20

X 1

40

і 60

«

— 100

\\і.......і.....

ТІ >

-Фішіческий тчіеримсщ "•ЧйСЯйННЫЙ исенернмепт

Диаметр полости 20 см

Осадка, мм 2 4 6

_ 0

у

1 20

| 4(1

8 бо

| «о

= 100

і

! І і

■.....- —і........

-Фи іичсскнй >КСПС|ІИМЄ!М -Численный эксперимент

Диаметр полости 16,5 см

Осадка, мм 4

0

и

20

к

40

І 60

£ № «0

100

и

її і

, У4» [

-Физический 'жеиеримощ -Численный женернмеш

Диаметр полосе п 22 см

Осадка, мм 0 2 4 6

и

и

Й 20 к

1 40

I 60

I ко

- 100

к і

-ФН'їПЧССКИЙ ікспсрішоїп "Численный жеперимеит

Рисунок 3 - Сравнение результатов физического и численного моделирования роста полости в карстующихся грунтах

Как показало сравнение, при использовании разработанной процедуры для численного моделирования роста полости характер распределения осадок и их величина получаются практически такими же, как и при физическом моделировании на эквивалентных материалах. Поэтому полученные результаты позволяют рекомендовать данную методику для моделирования процессов, происходящих в грунтах при росте карстовой полости.

С целью определения влияния заглубления и нагрузки от сооружения на расчетный диаметр карстовой полости была проведена серия численных расчетов. Разработанная методика для моделирования процессов, происходящих в грунтах при росте карстовой полости, была применена при численном моделировании основания фундаментной плиты заглубленного соору-

жения над карстовой полостью. Задача решалась в осесимметричной постановке в программном комплексе Р1ах1з 2Э. Общий вид модели представлен на рис. 4.

Рисунок 4 - Общий вид конечноэлементной модели (осесимметричной)

Задача разбивалась на этапы и решалась с учетом последовательности возведения сооружения и поэтапного роста полости (после завершения строительства и введения сооружения в эксплуатацию). Карстовая полость задавалась в карстующихся грунтах.

Всего выполнено 10 численных расчетов. В расчетах варьировались следующие исходные данные: толщина покровной толщи (20 и 40 м), давление по подошве плиты от сооружения (35 и 70 т/м2), глубина котлована (5 и 15 м). Для каждого набора исходных данных получились различные расчетные диаметры полости.

Полученные численным моделированием расчетные диаметры полости в карстующихся грунтах, при которых свод полости устойчив, сопоставлялись с размерами критических полостей, определенными по формуле Протодьяконова М. М. (уточненной Хоменко В. П.), при которых свод разрушается. Некоторые из результатов приведены в таблице.

В соответствии с решением Протодьяконова М. М. критический размер карстовой полости в карстующихся грунтах не зависит от толщины покровной толщи, заглубления сооружения и давления в основании плиты. Расчетный диаметр полости, определенный численным моделированием, во всех расчетных вариантах меньше критического, и его величина снижается с увеличением давления в основании плиты и толщины покровной толщи, что объясняется допредельным состоянием свода полости, а также учетом рас-

пределительной способности фундаментной плиты и изменением давления на кровле полости,

Таблица — Сравнение критических и расчетных диаметров полостей

Критический и расчетный диаметр полости Расстояние до кровли карстующихся грунтов, м 20 40

¿кр., м по формуле Протодьяконова М. М. (уточненной Хоменко В. П.) 12,6 12,5

¿р , м численный способ (с учетом заглубленного сооружения) давление в основании 35 т/м2 котлован глубиной 15 м 12,0 10,0

давление в основании 70 т/м2 котлован глубиной 15 м 10,0 6,0

Таким образом, рекомендуемая методика численного моделирования для определения расчетного диаметра полости в карстующихся грунтах подтверждена экспериментальными данными, а также сравнением с результатами расчета при использовании широко известного аналитического решения Протодьяконова М. М. (уточненного Хоменко В. П.). Преимущество численных расчетов заключается в возможности учета особенностей заглубленного сооружения, а именно давления в основании фундаментной плиты и расстояния от подошвы фундамента до кровли карстующихся грунтов, что позволяет наиболее достоверно определить расчетный диаметр карстовой полости, когда свод полости устойчив.

В третьей главе изложены результаты численных исследований взаимодействия плитного фундамента заглубленного сооружения с основанием над карстовой полостью и разработан метод определения коэффициента постели основания при образовании карстовой полости расчетного диаметра.

При образовании и росте карстовой полости в карстующихся грунтах до расчетного диаметра (при котором свод полости устойчив и провал под подошвой фундамента не проявляется) основание под подошвой плиты получает дополнительные карстовые деформации, а давление в основании плиты над карстовой полостью перераспределяется. В результате возрастают осадки и, соответственно, снижается давление в основании плиты.

На изменение осадок и давления под плитой оказывают влияние многие факторы: диаметр карстовой полости в карстующихся грунтах, расстояние до карстующихся грунтов, заглубление сооружения, нагрузка, жесткость фундамента, характеристики грунтов.

В соответствии с результатами полного факторного эксперимента типа 2к наиболее значимыми факторами, влияющими на изменение осадок и давления в основании фундаментной плиты, являются диаметр полости в карстующихся грунтах (dp), расстояние до карстующихся пород (Иг) и заглубление сооружения (hK), нагрузка на фундамент не оказывает существенного влияния. Поэтому в численных исследованиях взаимодействия плитного фундамента заглубленного сооружения с основанием изучено влияние изменения вышеперечисленных параметров на НДС основания над карстовой полостью.

Расчеты выполнялись в программном комплексе Plaxis 3D Foundation. Расчетная схема модели (рис. 5) включала в себя фундамент в виде монолитной железобетонной плиты с устройством котлована по технологии «стена в грунте» и двухслойное основание: покровную толщу (глина) и карстующую-ся породу (гипс). Карстовая полость задавалась в гипсах, диаметр полости варьировался от 3 до Юм. Данные размеры диаметров выбраны на основании результатов численных исследований, представленных во 2-й главе, которые показывают, что меньший диаметр полости практически не влияет на изменение осадок фундаментной плиты, а больший диаметр с большой вероятностью приведет к прогрессирующему обрушению грунтов покровной толщи с выходом полости на поверхность в виде провала.

В качестве модели основания использовалась модель упрочняющегося грунта. Эта модель по сравнению с широко распространенной моделью Кулона-Мора позволяет более точно учесть поведение грунта при изменении НДС массива грунта после откопки котлована и последующего загружения при строительстве. Расчетная область модели определялась методом подбора, т. е. путем расчета осадок фундаментной плиты при увеличении размеров расчетной области до тех пор, пока дальнейшее увеличение не будет влиять

на осадку.

В расчетах варьировались следующие исходные данные. Заглубление здания: 5, 10 и 15 м. Расстояние до кровли карстующихся грунтов: 20, 30 и 40 м. Диаметр карстовой полости: 3, 5 и 10 м. Расчеты проводились для двух типов грунтов покровной толщи: I тип — глина с характеристиками ^„рир.вл = 19,2 кН/м3, ^21°, с=33 кН/м2, £5оге"13 МПа, Eoedref=ll МПа, £urref=65 МПа; II тип - глина с характеристиками у,„р„р.вл = 19,2 кН/м3, (р= 21°, с=33 кН/м2, £5ord=7 МПа, £oedref=6 МПа, £urre-35 МПа. Заглубленное сооружение модели-

Стена 6 грунте

ни

\ Фунданенина

п-1к

■ Л':,

Рисунок 5 - Конечно-элементная модель грунтового массива (разрез)

решалось фундаментной плитой из бетона класса В25. Размер плиты в плане 32x32 м, толщина 1,2 и 2,4 м. Давление в основании плиты принято в 2-х вариантах: 350 и 700 кПа. Всего рассчитано 216 моделей.

По результатам расчета определялись деформации и давление в основании фундаментной плиты над полостью до и после образования карстовой полости заданного диаметра в карстующихся грунтах.

По полученным данным были построены графики зависимости относительного изменения деформации (AS/S) и реактивного давления (АР/Р) от варьируемых параметров. По оси абсцисс откладывалась безразмерная величина отношения толщины фундаментной плиты (t) к расстоянию от подошвы фундаментной плиты до карстовой полости (h,,-h>:). Графики строились для каждого варианта исходных данных. На рис. 6 показаны характерные графики.

О-

00 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600

Рисунок 6 - Относительное изменение деформации основания (а) и реактивного давления (б) под фундаментной плитой толщиной 2,4 м (тип грунта I, давление в основании 350 кПа)

Как видно из графиков, с увеличением диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах более 3 м, а также с уменьшением расстояния от подошвы фундамента до карстовой полости дополнительные карстовые деформации основания под подошвой фундаментной плиты растут, а давление падает; при увеличении толщины плиты дополнительные деформации и давление в основании плиты снижаются, что объясняется увеличением распределительной способности фундамента. При этом существует устойчивая связь между величиной t/(lirhj и относительными величинами AS/S и ДР/Р в зависимости от диаметра карстовой полости. Для большей части данных зависимость относительного изменения деформации (Д5/5) и давле-

ния (АР/Р) от величины t/(h,-h,) близка к линейной, коэффициенты корреляции в среднем равны 0,9.

После аппроксимации полученных результатов и соответствующих алгебраических преобразований были получены следующие формулы определения относительного изменения деформации (AS/S) и давления (АР/Р) при образовании карстовой полости:

AS ß\dr- 3)

О) (2)

5 И,-К

АР _<х\<1р-Ъ)

Р ~ Иг-1гк ' а = 0,871-0,0261-г, (3)

/? = 1, 2691-0,4163-?, (4)

где А$ — дополнительная деформация основания фундаментной плиты от образования карстовой полости; 5 - деформация основания фундаментной плиты от проектных нагрузок до образования карстовой полости; г — толщина фундаментной плиты, м; <1Р - диаметр полости, м; /г,. - глубина расположения кровли карстующихся грунтов, м; кк - глубина котлована, м; АР - изменение давления под фундаментной плитой при образовании карстовой полости; Р -давление под подошвой фундаментной плиты до образования карстовой полости.

Наиболее часто в практике проектирования расчет плитных фундаментов ведется с использованием модели основания в виде постоянного или переменного коэффициента постели Кх (контактная задача). Для определения этого коэффициента в основании плиты над карстовой полостью в карстующихся грунтах были использованы закономерности изменения деформаций и давления, определенные по формулам (1)-(4). Анализ этих закономерностей показал, что над карстовой полостью коэффициент постели основания плитного фундамента Кх снижается по сравнению с коэффициентом постели основания фундамента, определяемым в соответствии с деформациями и давлением в основании до образования карстовой полости К. Поэтому при расчете плитных фундаментов заглубленных сооружений карстовые деформации предлагается учитывать введением снижающего коэффициента £ к коэффициенту постели К, определенному любыми известными методами:

К^К-4, (5)

С к* Рх 5

где Р„ ^-давление и деформация основания под плитой после образования карстовой полости.

Выразив Д5 и АР в формулах (1)-(2) через (5, - 5) и (Р - Рх) соответственно и решив совместно уравнения (1), (2) и (6), получим выражение для определения снижающего коэффициента £ в зависимости от конструкции сооружения, расстояния до кровли карстующихся грунтов и расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах.

С учетом формул (1)-(4), опустив промежуточные выкладки, определим коэффициент

Нг-Ик-а\с1р-3)

(7)

К-К+Р\с1р-3)-По результатам численных исследований также установлено, что над карстовой полостью имеет место разгрузка давления под подошвой плиты. Очевидно, что при образовании карстовой полости расчетного диаметра зона снижения коэффициента постели будет определяться зоной падения давления

под подошвой плиты (рис. 7).

Учитывая, что при образовании карстовой полости за пределами зоны падения давления основание практически не деформируется, можно допустить, что дополнительные перемещения плиты при образовании карстовой полости происходят только в границах этой зоны. Поэтому для определения размера этой зоны использована формула определения прогиба круглой свободно опертой пластины:

3/>-Л4(5 + А)(1-/0

карстоЬойп

\трс1щ/щиеся Iгрунты

Рисунок 7 - Коэффициент постели под плитой и эпюра давлений под подошвой фундаментной плиты при образовании карстовой полости расчетного диаметра с1р

/ = "

(8)

16 ЕГ

где / - прогиб пластины; Р - распределенная нагрузка на пластину (давление); Л - радиус пластины; I - толщина пластины; Е и // -модуль деформации и коэффициент Пуассона материала пластины.

При этом в качестве прогиба/используются значения дополнительной деформации Д51 при образовании карстовой полости, которые следует получать из формулы (1).

Из формулы (8) определим радиус зоны снижения коэффициента постели, подставив в нее значения Д5 из формулы (1):

R = 41

1■ p\dp-3)-S

(9)

3P(5 + M){l-M)ihe-hK)'

где E и fj - модуль деформации и коэффициент Пуассона материала фундаментной плиты;; - толщина фундаментной плиты, м; dp - диаметр полости, м; S -осадка под центром подошвы фундаментной плиты до образования карстовой полости; Р -давление на основание под подошвой фундамента до образования карстовой полости; А,, - глубина расположения кровли карстую-щихся грунтов, м; Ик— глубина котлована, м.

Для оценки достоверности полученного решения (9) было выполнено сравнение значений радиуса зоны снижения коэффициента постели, полученных по формуле (9) и по результатам расчета математических моделей основания с карстовой полостью в карстующихся грунтах в Plaxis 3D.Разница между значениями радиуса зоны снижения коэффициента постели, определяемого по формуле (9) и моделированием в Plaxis 3D, составляет в среднем 16%, что подтверждает достоверность полученного решения и позволяет использовать его в практических расчетах.

Для проверки методики расчета коэффициента постели основания плитного фундамента над карстовой полостью в карстующихся грунтах (формулы (5), (7), (9)) было рассчитано несколько вариантов заглубленного сооружения с двумя подземными этажами при разных расстояниях до кровли карстующихся грунтов и разной толщине фундаментной плиты в двух программных комплексах (рис. 8). Первый расчет проводился с использованием геотехнической программы Plaxis 3D, второй - программного комплекса SCAD. При моделировании в расчетном комплексе SCAD решалась контактная задача, в которой коэффициент постели и зона его снижения задавались по формулам (7) и (9), а при моделировании в Plaxis решалась упругопласти-ческая задача в пространственной постановке, где карстовая полость в карстующихся грунтах задавалась путем исключения кластеров грунта. В результате были получены изменения осадок при образовании карстовой полости, которые сравнивались между собой.

а)

б)

грунты

Рисунок 8 - Расчетная схема моделей для оценки достоверности разработанной методики: а - упругопластическая модель, б - контактная модель

Как показало сравнение результатов расчета, дополнительные деформации основания при образовании карстовой полости, полученные решением контактной задачи (SCAD) с изменением коэффициента постели предлагаемым методом, оказались 2-37% больше, чем полученные решением упруго-пластической задачи (Plaxis). Расхождения объясняются условностями самой модели переменного коэффициента постели. Поэтому наиболее простая контактная задача с использованием формул (1), (2), (5), (7), (9) может быть рекомендована для практических расчетов.

В четвертой главе представлены методы проектирования и расчета плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях, а также практическое применение расчетного метода.

Методика проектирования плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях отличается от традиционной, предлагаемой нормами, по следующим основным вопросам проектирования:

- выбор метода противокарстовой защиты определяется в зависимости от наличия карстовой полости в карстующихся грунтах (на момент проектирования) и если она не обнаружена, то определяющим фактором является время развития полости до критических размеров (предшествующих началу разрушения свода над полостью), определяемое известными в инженерной геологии методами;

- если полость уже образовалась (на момент проектирования) или время развития полости до критических размеров меньше нормативного срока эксплуатации здания, основными методами противокарстовой защиты являются заполнение (тампонаж) карстовых полостей, закрепление закарстованных пород и (или) вышележащих грунтов и т. д., предусмотренные нормами на проектирование;

- если время развития полости до критических размеров больше нормативного срока эксплуатации здания, достаточным противокарстовым мероприятием является расчет фундамента на образование карстовой деформации; при этом в качестве расчетного параметра карстовой деформации принимается не диаметр карстового провала (нормативный подход), а прогнозируемый расчетный размер полости в карстующихся грунтах;

- расчетный размер полости в карстующихся грунтах определяется на основе математического моделирования с применением МКЭ и обоснованной в данной работе процедуры задания исходных данных или с использованием предлагаемого инженерного метода в зависимости от характеристик грунтов и характеристик заглубленного сооружения;

- расчет фундаментной плиты на основании, моделируемом в соответствии с моделью переменного коэффициента постели, производится с учетом снижения коэффициента постели в зоне влияния карстовой деформации в отличие от нормативного подхода, предполагающего обнуление коэффициента жесткости на участке, равном диаметру карстового провала;

- коэффициент постели в зоне влияния карстовой деформации определяется аналитически с учетом характеристик здания, основания и расчетного размера полости в карстующихся грунтах.

Разработанная методика расчета плитных фундаментов заглубленных зданий на закарстованных территориях была применена при проектировании фундамента жилого дома с двумя подземными этажами в г. Уфе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

По результатам выполненных исследований получены следующие основные результаты, позволяющие выполнять проектирование заглубленных зданий на закарстованных территориях с учетом особенностей конструктивного решения здания и карстовой устойчивости основания.

1. Сформулирован новый подход к расчету заглубленных зданий и сооружений на закарстованных территориях, отличающийся от нормативного тем, что в качестве расчетного критерия принят не расчетный диаметр карстового провала под фундаментом, а расчетный диаметр карстовой полости в карстующихся грунтах - это максимальный диаметр карстовой полости, при котором покровная толща грунтов сохраняет устойчивость и полость не "всплывает" на поверхность в виде провала.

2. Разработана и экспериментально обоснована процедура математического моделирования развития полости в карстующихся грунтах до момента "прогрессирующего" разрушения свода над полостью путем сравнения результатов физического и численного моделирования. Выполненное сравнение показало, что при использовании разработанной процедуры для численного моделирования роста полости расчетные осадки основания над полостью на 20-30% превышают результаты физического моделирования, что позволило использовать данную методику для моделирования процессов, происходящих в грунтах при определении расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах для разных вариантов характеристик заглубленного здания и основания.

3. Численно исследовано взаимодействие плитного фундамента заглубленного сооружения с основанием при образовании карстовой полости в карстующихся грунтах, характеризуемое изменением деформаций основания и давления под подошвой фундамента. Получены аналитические зависимости изменения деформаций основания и давлений под подошвой фундамента при образовании карстовой полости от диаметра карстовой полости, расстояния до кровли карстующихся грунтов, заглубления сооружения, жесткости фундамента (толщины плиты).

4. Установлено, что с увеличением диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах более 3 м, а также с уменьшением расстояния от подошвы фундамента до карстовой полости от 35 до 5 м дополнительные карстовые

деформации основания под подошвой фундаментной плиты растут на 5115%, а давление падает на 3-60%. При увеличении толщины плиты дополнительные деформации и давление в основании плиты снижаются, что объясняется увеличением распределительной способности фундамента.

5. Разработан метод расчета коэффициента постели основания плитного фундамента заглубленного здания, предусматривающий введение снижающего коэффициента к коэффициенту постели основания, определенному без учета образования полости. Получены формулы для определения величины коэффициента снижения и зоны снижения коэффициента постели в зависимости от диаметра карстовой полости, расстояния до карстующихся грунтов, заглубления здания и толщины фундаментной плиты.

6. Выполнено сопоставление результатов расчета деформаций основания над карстовой полостью предлагаемым методом (контактная задача) и 3D моделированием МКЭ (упругопластическая задача). Увеличение деформаций по сравнению с трудоемким 3D моделированием составляет 2-37%, что позволяет рекомендовать использование предлагаемого метода в практике проектирования.

7. Разработана методика проектирования плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях. Методика была успешно использована при проектировании жилого дома с двумя подземными этажами в г. Уфе.

Публикации по теме диссертации

1. Готман A. JI., Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Методика расчета фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях // Жилищное строительство. - 2011. -№ 9. — С. 13-15 (в перечне ВАК).

2. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Расчет фундаментов зданий с заглубленной подземной частью на закарстованных территориях // Вестник гражданских инженеров. -2010. -№ 4. - С. 68-72 (в перечне ВАК).

3. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Численное моделирование роста карстовой полости в карстующихся грунтах // Известия вузов. Строительство. -2011,-№5.-С. 107-111 (в перечне ВАК).

4. Готман Н. 3., Готман Ю. А., Каюмов М. 3. Расчет фундаментов заглубленных зданий над карстовой полостью // Геотехнические проблемы мегаполисов : Тр. междунар. конф. по геотехнике / НИИОСП. - М., 2010. -Т. 4.-С. 1379-1384.

5. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Использование программы Plaxis 3D для расчета напряженно-деформированного состояния основания плитного фундамента: Тр. БашНИИстроя. - Вып. 76. - Уфа, 2008. - С. 40-45.

6. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Исследование НДС основания фундаментов зданий с подземной частью при образовании карстовой полости в

карстующихся грунтах // Современные технологии в строительстве. Теория и практика : сб. тр. науч. конф. / ПГТУ. - Пермь, 2009. - С. 32-37.

7. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. К вопросу о расчете плитных фундаментов подземных сооружений на закарстованных территориях // Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства : Мат-лы междунар. конф. / ПНИПУ. - Пермь, 2011. - С. 114-119.

8. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Моделирование роста карстовой полости физическим и численным способом: Тр. БашНИИстроя. - Вып. 78. - Уфа, 2011.-С. 46-49.

9. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Определение влияния заглубления здания на НДС основания и фундамента при образовании карстовой полости в карстующихся грунтах // Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники : Межвуз. тем. сб. трудов / СПбГАСУ. - СПб., 2009. - Т. 2.-С. 30-35.

10. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Проблемы расчета фундаментов заглубленных зданий и сооружений в условиях карстовой опасности // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании : сб. тр. междунар. науч. конф. / МГСУ. - М., 2011. - С. 296-299.

11. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Расчет карстозащитного фундамента здания с развитой подземной частью: Тр. БашНИИстроя. - Вып. 77. — Уфа, 2010,-С. 32-46.

12. Готман Н. 3., Каюмов М. 3. Сопоставление результатов физического и численного моделирования роста полости в карстующихся грунтах // Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции : сб. тр. всеросс. науч.-техн. семинара / СИБСТРИН. - Новосибирск, 2011. - С. 47-52.

Подписано в печать:

27.04.2012

Заказ № 7320 Тираж - 120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru