автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Исследование работы площадных фундаментов в виде вогнутых пологих оболочек

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПЛОЩАДНЫХ ФУНДАМЕНТОВ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 История развития эффективных площадных фундаментов. Классификация.

1.2 Методы расчета эффективных конструкций фундаментов.

1.3 Расчетные модели грунтовых оснований.

1.4 Выводы и задачи дальнейших исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТОВ РАЗЛИЧНОЙ ЖЕСТКОСТИ С ОСНОВАНИЕМ В ЛАБОРАТОРНЫХ

УСЛОВИЯХ

2.1 Задачи экспериментов.

2.2 Методика проведения лотковых испытаний.

2.3 Исследование НДС штампов различной жесткости.

2.4 Осадки и контактные давления штампов.

2.5 Напряженно-деформированное состояние основания.

2.6 Сравнение экспериментальных и расчетных значений.

2.6.1 Описание программы UMP-Spline.

2.6.2 Результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений.

2.7 Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТОВ ОБОЛОЧЕК И ТОНКИХ ПЛИТ С ОСНОВАНИЕМ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

3.1 Опытная площадка и задачи экспериментов.

3.2 Методика проведения полевых экспериментов.

3.2.1 Технология изготовления фундаментных конструкций.

3.2.2 Приборы и оборудование.

3.2.3 Порядок проведения эксперимента.

3.3 Результаты полевых экспериментов.

3.3.1 Распределение контактных давлений на границе фундамент-основание.

3.3.2 Осадки и деформации фундамента оболочки и плоской плиты.

3.3.3 Напряженно-деформированное состояние основания.

3.4 Экспериментальное определение коэффициента постели основания.

3.5 Выводы.

4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ФУНДАМЕНТОВ

ОБОЛОЧЕК И РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ОСАДОК.

4.1 Численное моделирование работы фундаментов оболочек.

4.2 Расчет однослойного основания вариационным методом.

4.2.1 Экспериментальные эпюры контактных давлений в системе оболочка-основание.

4.2.2 Графические иллюстрации полученного решения.

4.3 Проектное решение фундамента жилого здания.

4.4 Технико-экономическая эффективность внедрения разработок в строительство.

Фундаменты являются одними из наиболее массовых и затратных конструкций в промышленном, сельскохозяйственном, энергетическом и транспортном строительстве. Расход железобетона на фундаменты в среднем достигает 10-15% от общего расхода железобетона на сооружение. В таких сооружениях, как дымовые трубы, опоры ЛЭП, башни и др., расход железобетона достигает половины общих затрат.

Поэтому важной является задача повышения эффективности фундаментостроения путем снижения материалоемкости фундаментов и, как следствие, снижение общей ресурсоемкости на их возведение. Необходимость разработки и внедрения, более совершенных систем оснований и эффективных конструкций фундаментов, неоднократно подчеркивалась на различных российских и международных научных и научно - практических конференциях и совещаниях.

Обобщая опыт многих исследователей, можно выделить два основных пути повышения эффективности фундаментостроения, это:

-разработка новых эффективных конструкций фундаментов и методов их расчета;

-разработка новых и уточнение существующих расчетных схем грунтового основания и конструкций фундаментов традиционных форм.

В настоящее время можно выделить ряд общих принципов развития фундаментных конструкций:

-минимизация веса фундаментов или расхода материалов на единицу несущей способности;

-повышение технологичности фундаментов, т. е снижение трудоемкости на их изготовление;

-создание новых конструкций, позволяющих вовлечь в работу максимальный объема грунта, и получить более равномерное напряженное состояние массива грунта в основании фундаментов, а также снизить концентрацию напряжений на границе фундамент-основание.

Одним из возможных путей реализации названных принципов является применение в качестве площадных фундаментов тонкостенных конструкций в виде вогнутых, либо выпуклых, по отношению к грунту, оболочек.

На сегодня известен целый ряд эффективных, с низкой материалоемкостью, тонкостенных конструкций фундаментов в виде пологих оболочек, широкое применение которых в повседневном строительстве сдерживается недостаточной изученностью их работы во взаимодействии с основанием.

АКТУАЛЬНОЙ задачей в этой связи является исследование работы вогнутых, по отношению к грунту, пологих тонкостенных оболочек на грунтовом основании, работающих в составе сплошных фундаментов преимущественно на растяжение. Мировое внедрение подобных конструкций в строительство сдерживается в силу ряда причин:

- недостаточная теоретическая и особенно экспериментальная изученность работы таких фундаментов на грунтовом основании и напряженно-деформированного состояния самого основания;

- отсутствие опыта реального проектирования таких фундаментов проектными организациями;

- неосвоенность технологий по подготовке основания и устройству тонкостенных фундаментов;

- высокие требования к культуре производства при возведении данных фундаментов.

Введение в практику строительства пологих тонкостенных оболочек, работающих на растяжение в составе сплошных фундаментных плит, позволило бы значительно сократить затраты на возведение фундаментов на слабых грунтах, и решить ряд геотехнических задач, связанных со строительством в сложных инженерно-геологических условиях.

ЦЕЛЬЮ диссертационной работы являются: экспериментально-теоретические исследования напряженно-деформированного состояния основания и конструкции фундаментов - пологих тонкостенных оболочек, вогнутых по отношению к грунту и работающих преимущественно на растяжение; выявление особенностей контактного взаимодействия данных фундаментов с основанием; изучение степени применимости различных методов расчета и рассмотрение вопросов конструирования и строительства фундаментов в виде тонкостенных конструкций.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования взаимодействия штампов различной жесткости и конструктивной формы с грунтовым основанием;

- определены оптимальные параметры конструктивной формы пологой, периметрально нагруженной, вогнутой, по отношению к грунту, оболочки;

- проведены комплексные экспериментальные исследования работы эффективных полунатурных фундаментов в виде пологих периметрально нагруженных оболочек, работающих на естественном основании;

- изучена применимость существующих расчетных моделей грунта для описания напряженно-деформированного состояния основания и тела исследуемых фундаментов;

- разработана методика расчета осадок и конструирования пологих тонкостенных оболочек в качестве фундаментов зданий различного назначения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том, что впервые проведены комплексные экспериментально-теоретические исследования взаимодействия периметрально нагруженных пологих тонкостенных оболочек вогнутых по отношению к грунту и работающих преимущественно на растяжение, которые позволили:

-установить характер взаимодействия вогнутых пологих оболочек с грунтовым основанием, и выявить основные компоненты напряженно-деформированного состояния штампов различной жесткости и грунтового основания в процессе приложения статической периметральной нагрузки;

-определить оптимальные параметры кривизны пологой тонкостенной вогнутой оболочки на грунтовом основании на основе изучения функции отклика основания на внешнюю нагрузку;

-исследовать характер контактного взаимодействия полунатурных фундаментов - пологих оболочек с естественным грунтовым основанием, и определить основные компоненты напряженно-деформированного состояния основания пологой оболочки в процессе статического нагружения;

-применить вариационный метод В.З. Власова для описания напряженно-деформированного состояния основания и осадок пологой оболочки на основе использования экспериментальных данных;

-разработать и законструировать эффективные фундаменты в виде пологих тонкостенных вогнутых, по отношению к грунту, оболочек для зданий с различной конструктивной схемой.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в разработке эффективных ресурсосберегающих конструкций сплошных фундаментов мелкого заложения для зданий различной конструктивной схемы. Основными несущими элементами названных фундаментов являются пологие тонкостенные оболочки, вогнутые по отношению к грунту, находящиеся между опорными ребрами фундамента, к которым приложена полезная внешняя нагрузка.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на:

- международном семинаре по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям (Пермь 2000);

- научно-практической конференции "Актуальные проблемы строительства и экологии Западно-Сибирского региона" (Тюмень 2000).

- 58-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава НГАСУ(Новосибирск 2001);

- международной научно-технической конференции "Современные проблемы фундаментостроения" (Волгоград 2001);

- третьей Всероссийской конференции. Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции - "НАСКР-2001 "(Чебоксары 2001).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам работы опубликовано 7 научных статей и поданы заявки на два изобретения.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

- результаты комплексных экспериментально-теоретических исследований взаимодействия с грунтовым основанием маломасштабных периметрально нагруженных моделей плоских фундаментов различной жесткости и пологих тонкостенных вогнутых, по отношению к грунту, оболочек;

- выявленные оптимальные очертания периметрально нагруженной пологой оболочки;

- результаты комплексных экспериментальных исследований взаимодействия с естественным грунтовым основанием полунатурных фундаментов в виде пологих вогнутых оболочек и плоских тонких плит, нагруженных по периметру внешней нагрузкой;

- применение вариационного метода В. 3. Власова к расчету НДС основания и осадки пологих оболочек, на основе полученных экспериментальных данных;

-основные выводы и рекомендации, сделанные на основе анализа экспериментальных и теоретических исследований.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии и приложений. Работа содержит 151 страницу машинописного текста, 82 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 123-х наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ по РАБОТЕ

1. В ходе проведенных комплексных экспериментально-теоретических исследований взаимодействия с естественным грунтовым основанием эффективных фундаментов в виде пологих вогнутых оболочек и плоских тонких плит и их моделей, нагруженных статической нагрузкой, определены основные закономерности работы, названных конструкций на естественном грунтовом основании с изучением основных параметров напряженно-деформированного состояния конструкций и основания.

2.Определены степень и границы применимости линейных моделей основания для описания взаимодействия с грунтом фундаментов в виде пологих вогнутых оболочек и их моделей, нагруженных статической нагрузкой.

3. Предложен способ определения оптимального очертания периметрально нагруженной пологой оболочки, работающей на грунтовом основании, дающий минимальные деформации и значения силовых факторов в конструкции фундамента.

4. Разработан инженерный метод расчета осадок пологих оболочек на основе вариационного метода В.З. Власова, позволяющий с точностью, достаточной для практических расчетов, описывать и напряженно-деформированное состояние основания в зоне упругих деформаций.

1. Александрович В.Ф., Федоровский В.Г. Круглый штамп на упругопластическом уплотняющемся основании. Экспериментально-теоретические исследования нелинейных задач в области оснований и фундаментов. //Сб. НПИ Новочеркасск 1979 с.35-44.

2. Баранов Д.С. Руководство по применению прямого метода измерения давлений в сыпучих средах и грунтах. М.: ЦНИИСКим. Кучеренко, 1965.

3. Бартоломей A.A. Основы расчета ленточных свайных фундаментов по предельно допустимым осадкам. М.: Стройиздат, 1982.-223с.

4. Березанцев В.Г. Некоторые задачи теории предельного сопротивления грунтов нагрузке. Автореферат дисс. докт. техн. н., Ленинград 1949.

5. Бондаренко В.М. Некоторые вопросы нелинейной теории железобетона. Харьков: 1 968,323 с.

6. Борликов Г.М. Экспериментальные исследования совместной работы фундамента с оболочкой и песчаного основания. Автореферат дисс. канд. техн.н., Новочеркасск 1971.

7. Бугров А.К., Зархи A.A. Напряженно-деформированное состояние основания при наличии в нем областей предельного равновесия грунтов.//Труды ЛПИ. Л.: 1976, N354 С749-53.

8. Ванюшкин С.Г. Особенности взаимодействия многоволновых фундаментов -оболочек с основанием. Дисс. канд. техн. н., Днепропетровск, 1 985.Варданян ГС ,

9. Андреев В.И. и др. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности.-М. Изд. АСВ, 1995, -568с

10. Ю.Винокуров Е.Ф. Итерационный метод расчета оснований и фундаментов с помощью ЭВМ. //Наука и техника, Минск: 1972. 248с.

11. Власов В.З. Леонтьев H.H. Балки, плиты, оболочки на грунтовом основании. М., Физматгиз, 1 960,492 с.

12. Власов В.З., Леонтьев H.H. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. М.: Госстройиздат, 1960.

13. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978 447с.

14. Гвоздев A.A., Крылов СМ. и др. Руководство по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1975.-193 с.

15. Герсеванов И.М., Мачерет Я.А. К вопросу о бесконечно длинной балке на упругой почве, нагруженной силой. Гидротехническое строительство, 1935 N10; Сб. трудов фундаментостроения N8. - М.: Госстройиздат, 1937.

16. Герсеванов И.М., Полыиин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов. М.: Госстройиздат, 1948.

17. Гильман Л.С. К вопросу об определении напряжений на поверхности упругой среды. /Яр. ЛИИПС, вып. 1, 1934.

18. Гольдин А.Л., Прокопович B.C., Сапегин Д.Д. Упругопластическое деформирование основания жестким штампом. //Основания, фундаменты и механика грунтов. 1983. N5. с.25-26.

19. Гольд штейн М.Н., Кушнер С.Г., Шевченко М.Н. Расчет осадок и прочности оснований зданий и сооружений. Киев: Будивельник, 1977. 208с.

20. Гончаров Ю.М., Шарапов Г.В., Тарасюк В.Г. Новая конструкция фундамента -оболочки для вечномерзлых грунтов. //Основания, фундаменты и механика грунтов. 1983, N 2, с. 13- 16.

21. Горбунов Посадов М.И. Метод решения смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунтов. -//Основания, фундаменты и механика грунтов, 1971, N2.

22. Горбунов Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиздат, 1984.

23. ГОСТ 20276-85. Методы полевого определения характеристик деформируемости грунтов. 1984.

24. Гусак A.A., Гусак Г.М., Бричников Е.А. Справочник по Высшей математике. 2-е изд., Мн. Тетрасистемс, 2000. 640 с.

25. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. Л.: Стройиздат 1988.

26. Далматов Б.И., Проектирование фундаментов и подземных сооружений М.:Изд-во ABC СП6ГАСУ,1999.-З40с.;ил. ISBN 5-93093-008-2

27. Дидух Б.Н., Иоселевич В.А. О построении теории пластического упрочнения грунта. //Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1970, N2.29. динник А.Н. Круглая плита на упругом основании. //Изв. Киевского политехнического института. Киев, 1910.

28. Думный В.Н. Малозаглубленные фундаменты. //Строительство и архитектура Белоруссии, 1980, N 4, с.25 26.

29. Дутов В.Г. О расчете балок на упругом основании Л.: Кубуч, 1929.

30. Егоров К.Е. О деформации основания конечной толщины. //Основания, фундаменты и механика грунтов, 1961, N1.

31. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. М.: Высшая школа 1985,-352с.

32. Инструкция по проектированию фундаментов доменных печей. М.: Стройиздат, 1 972.-65 с.

33. Исследования и методы расчета оснований сооружений в нелинейной стадии работы. //Сб. НПИ. Новочеркасск, 1986.-140с.

34. Карпенко Н.И. Теория деформирования железобетона с трещинами. М.: Стройиздат, 1976. - 204 с.

35. Киселев В.А. Балки и рамы на упругом основании. -М.: Госстройиздат, 1936.

36. Клубин П.Н. Расчет балочных плит на упругом основании. Тр. УВМУЗ, 1950, N13.

37. Корбут Б.А., Однорал Л.Г. Устойчивость цилиндрической панели на упругом основании. //Сопротивление материалов и теория сооружений, Киев, Буд!вельник, 1965, вып.1, с.36-40.

38. Коренев Б.Г. Вопросы расчета балок и плит на упругом основании. М.: Госстройиздат, 1954.

39. Коренев Б.Г., Черниговская E.H. Расчет плит на упругом основании. М.: Стройиздат, 1962. -355 с.

40. Корневиц В.Ф., Эндер Г.В. Формулы для расчета балок на упругом основании. -М.: Госстройиздат, 1932.

41. Крылов А.Н. О расчете балок, лежащих на сплошном упругом основании.- М.: АН СССР, 1930.

42. Кузнецов В.И. Вопросы статического расчета верхнего строения пути. М.: Трансжелдориздат, 1940.

43. Кукушадзе A.M., Мухадзе ГГ. Расчет пологой цилиндрической оболочки на упругом основании. //Сообщения АН ГССР, 1963, т.ЗО, N5, с.51 53.48