автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Методология проектирования новых и реконструируемых фундаментов на неоднородных основаниях методом выравнивания конечных осадок

резидиум ВАК России

" Л-" % г.. щЖяА^ " ; : " ^ : ДОКТОРА

паук

Псковский политехнический институт Сшшл'-Петербу^гскош

государственного технического университета.

ст-ште

игскии

государственный архитектурно-строительным уииверштеч

на правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ СЕРГЕЙ ИГОРЕВИЧ

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НОВЫХ И РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА НЕОДНОРОДНЫХ ОСНОВАНИЯХ МЕТОДОМ ВЫРАВНИВАНИЯ КОНЕЧНЫХ

ОСАДОК

05.23.02. - Основания и фундаменты

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................4

ГЛАВА 1. РАБОТА ГРУНТА ЗА ПРЕДЕЛАМИ ТЕОРИИ

УПРУГОСТИ...........................................................................................10

1.1. Модель деформационной теории пластичности....................13

1.2 . Модель теории пластического течения..................................21

1.3. Приближённые инженерные методы расчёта деформации основания..............................................................................................29

1.4. Задачи исследования..................................................................36

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ГРУНТЕ...................................................................40

2.1. Дилатансионные свойства грунта в условиях объемного напряжённого состояния.....................................................................40

2.2. Особенности деформирования грунта при прямом сдвиге......49

2.3. Напряжённо-деформированное состояние грунта при плоском сдвиге....................................................................................................56

2.4. Определение коэффициента нелинейности упругопластического деформированного основания.............................................................66

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ ПО "ОДИНАКОВОЙ ЗАДАННОЙ ОСАДКЕ.........................................!.....85

3.1. Определение осадки основания на упругопластическом основании.....................................................................................................88

3.2. Учёт концентрации напряжений в основании жёсткого фундамента при работе его за пределами теории упругости.....................100

о 3.3. Расчёт фундаментов зданий по деформациям и несущей способности основания...........................................................................112

ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ПО ДВУМ ПРЕДЕЛЬНЫМ

СОСТОЯНИЯМ....................................................................................121

4.1. Разработка алгоритма и математическая постановка задачи.... 121

4.2. Ввод данных и выходная информация по программе.............138

4.2.1. Примеры графического представления результатов расчёта..............................................................................................145

4.3. Анализ результатов машинного счёта по программе "N1."......148

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РЕКОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТОВ С ЗАДАННОЙ СТЕПЕНЬЮ НАДЁЖНОСТИ....................................................................................160

5.1. Примеры решений проектируемых фундаментов зданий........160

5.2. Способ повышения несущей способности оснований при реконструкции сооружений...............................................................193

5.3. Экономическая эффективность разработанной методики проектирования фундаментов методом выравнивания осадок ......201

ВЫВОДЫ...............................................................................................209

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................212

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................242

ВВЕДЕНИЕ

Большое значение в ускорении научно-технического прогресса в области строительства и создания конкурентной базы проектирования принадлежит фундаментостроению. Так по данным Научно-исследовательского института оснований и подземных сооружений им. Н.М.Герсеванова (Ильичёв В.А., 1985), стоимость фундаментов для промышленного и гражданского строительства составляет примерно 15—20 процентов от всей стоимости сооружения, при этом около 75%. средств идёт на возведение фундаментов на естественном основании. В связи с этим, разработка нового метода расчёта и проектирования фундаментов с выровненными осадками или предварительно заданными величинами неравномерностей осадок, обеспечивающего эксплуатационную надёжность проектируемых и реконструируемых зданий, создающего условия развития ресурсосберегающей технологии в фундаментостроении, сокращающего стоимость производства работ и сроки строительства, - является актуальной проблемой в области капитального строительства, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Качество работ в фундаментостроении не в малой степени зависит от глубины проработки проектных решений, от использования в них новейших научных достижений механики грунтов. В последнее время интенсивное развитие получила нелинейная механика грунтов, описывающая основания как модель упругопластической среды (Александрович В. Ф.,1985; Бугров А. К., 1980; Винокуров Е. Ф.,1975; Вялов С. С.,1978; Зарецкий Ю. К.,1983; Крыжановский А. Л.,1982; Ломизе Г. М.,1966; Малышев М. В., 1980; Мурзенко Ю. Н.,1982; Николаевский В. Н.,1979; Пилягин А. В., 1988; Соломин=В. И.,1986; Тер-Мартиросян 3.

Г., 1979; Фадеев А. Б.,1982; Федоровский В. Г.,1975; Широков В. Н.,1985 и др.). Данное направление ориентирует исследования в основном на развитие различных теорий пластичности, применительно к грунтам. В этом отношении следует привести слова проф. М. И. Горбунова-Посадова (1973), который отмечал:"... Необходимо помнить, что механика грунтов является в первую очередь наукой прикладной, и исследователи должны быть заняты не созданием некоторой чистой науки, а разработкой задач для строительства. Наш долг и наша цель в том, чтобы дать в руки проектировщиков достаточно доступные методы расчёта, реально отражающие действительность и дающие эффект надёжности и экономии ".

В связи с этим, основная проблема в диссертации была определена как: - разработка метода проектирования новых и реконструируемых фундаментов на естественном или улучшенном (искусственном) основаниях, работающих как в стадии линейного деформирования, так и за её пределами. Использование такого метода позволяет по заданной одинаковой величине осадки (относительной разности осадок) определять размеры проектируемых фундаментов для промышленного и гражданского строительства (расчёт по деформациям). Для реконструируемых зданий, подобная методика расчёта даёт возможность получать фундаменты с заданной степенью надёжности (расчёт по несущей способности).

Применение разработанного метода проектирования позволяет не только уменьшить неравномерность осадок фундаментов здания до допустимых значений, но также снизить материалоёмкость проектируемых конструкций и их трудозатраты; сократить сроки строительства и уменьшить стоимость производства работ.

о з

Результаты расчётов фундаментов по предлагаемому методу нашли своё применение при проектировании и реконструкции ряда промышленных и гражданских сооружений (см. главу 5), таких как: жилые дома, больницы, детские сады, клубы, школы, пром. здания и т.п., расположенные в Печорском, Пустошкинском, Островском, Стругокрасненском, Новоржевском, Порховском, Дновском и др. районах Псковской области и г. Пскова.

Для достижения поставленной цели рассматривались следующие основные задачи:

1. Исследование в условиях прямого сдвига развития деформаций от касательных напряжений в локальной зоне с заранее фиксированной внутри её поверхностью скольжения.

2. Разработка методики определения осадки фундамента на естественном или «искусственно» улучшенном основаниях для грунтов, работающих в упругопластической стадии деформирования.

3. Разработка методики расчёта ленточных и отдельных фундаментов с учётом нелинейной (упругопластической) работы грунтов оснований, позволяющей проектировать конструкции исходя из величин предельных-допустимых деформаций (осадок, неравномерностей осадок) и несущей способности основания. Такие условия проектирования дают возможность добиться наиболее благоприятной работы надземных конструкций здания и экономичного расходования материалов на устройство фундаментов.

4. Разработка и внедрение программного обеспечения с целью совершенствования предлагаемых методов расчёта и доведение их до реальной проектной практики в наиболее наглядном и доступном виде.

5. Применение разработанного метода расчёта фундаментов для геотехнического обоснования технологии усиления оснований с за-

данной степенью надёжности как при новом строительстве, так и при реконструкции.

Проведённые исследования свойств грунтов и разработка методики расчёта и проектирования фундаментов методом выравнивания осадок, позволили определить научную новизну диссертации в следующем:

* предложена методика определения локальной области развития деформаций от действия касательных напряжений с заранее фиксированной внутри области поверхностью скольжения (применительно к испытаниям грунтов на срезных приборах);

* предложена методика построения расчётной зависимости изменения объёма зон пластических деформаций в основании фундамента от величины его среднего давления;

* разработан способ определения осадки фундамента на естественном или улучшенном «искусственном» основании, грунты которого находятся в упругопластической стадии деформирования;

* предложена методика расчёта ленточных и отдельно стоящих фундаментов на естественном и улучшенном основаниях, позволяющая проектировать данные конструкции по одинаковой (заданной) величине осадки или неравномерности осадки, обеспечивающая необходимую надёжность по первому и второму предельным состояниям;

* разработано и внедрено программное обеспечение, реализующие, предложенную методику и технологию проектирования фундаментов для новых, а также реконструируемых зданий и сооружений;

* предложена методика обоснованного выбора технологии усиления оснований с учётом их несущей способности для фундаментов зданий с подвалом, при реконструкции сооружений.

Теоретические решения и разработки, выполненные на кафедре строительной механики Псковского политехнического института Санкт-Петербургского государственного технического университета, проверялись по результатам лабораторных лотковых экспериментов со штампами разных площадей. Подобные эксперименты в полевых условиях выполнены совместно с Псковским филиалом Санкт-Петербургского треста инженерно-строительных изысканий на опытных площадках в Псковском, Пыталовеком и Великолукском районах Псковской области. Отбор монолитов грунта для проведения лабораторных опытов, проводился совместно с отделом инженерных изысканий института Псковагропромпроект и Псковским филиалом Санкт-Петербургского треста инженерно-строительных изысканий.

Основные исследовательские вопросы освещались автором в научных статьях [4...31], опубликованных в городах: Москва, С.-Пе-

с»

тербург, Челябинск, Воронеж, Новочеркасск, Йошкар-Ола, Псков.

Итогом многолетней работы явилось применение данного метода расчёта фундаментов при проектировании и реконструкции более чем на 60 объектах Псковской области (см. приложение 3).

Основополагающие результаты исследований включены в учебный процесс по подготовке инженеров-строителей в Псковском политехническом институте Санкт-Петербургского государственного технического университета. В рабочую программу курса «Основания и фундаменты» вошёл раздел «Проектирование фундаментов зданий по заданной осадке с учётом нелинейной работы оснований».

Выполненные исследования позволили вынести на защиту диссертации, следующие положения:

1. Методика определения области развития деформаций от касательных напряжений в грунте по результатам испытаний на прямой сдвиг.

2. Способ построения расчётной зависимости (графика) изменении объёма зон (областей) пластических деформаций в основании под фундаментом.

3. Способ определения осадки фундамента на естественном основании за пределом применения к грунту модели линейно-деформируемой среды, т.е. при упругопластическом деформировании основания.

4. Методика и технология проектирования ленточных и отдельных фундаментов на естественном или улучшенном основании методом равной (заданной) величины осадки, или заданной неравномерности осадок с учётом предельных состояний оснований.

5. Разработка и внедрение программного обеспечения с целью совершенствования предлагаемой технологии проектирования фундаментов методом выравнивания осадок и доведения её до пользователя в наиболее наглядном и доступном виде.

6. Методика выбора способа усиления оснований с учётом имеющейся несущей способности для зданий с подвалом при их реконструкции.

Автор выражает глубокую благодарность научным консультантам докторам технических наук, профессорам А. К. Бугрову, В. М. Улид-кому и благодарит за консультации и ценные замечания докторов технических наук, профессоров: В. Н. Бронина, И. М. Васильева, Б. И. Далматова, М. В. Малышева, Р. А. Мангушева, Н. Н. Мораре-скула, И. И. Сахарова, А. Б. Фадеева.

о э

ГЛАВА 1. РАБОТА ГРУНТА ЗА ПРЕДЕЛАМИ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ

В современных решениях задач фундаментостроения для промышленного и гражданского строительства широко применяется аппарат линейной теории упругости, которая является предшествующей основой механики грунтов. Использование решений теории упругости к грунтам, как линейно-деформируемому материалу, основывается на ряде известных допущений, ограничений (Флорин В. А., 1959; Цыто-вич Н. А., 1963; Далматов Б. И., 1981). Если решаемые задачи фундаментостроения на основе данных допущений отвечают интересам практики, то они считаются вполне приемлемыми к практическому использованию.

Однако известно, что все конструкции в той или иной степени могут работать за пределами упругости, подчиняясь закономерностям нелинейной механики. Учёт данного положения предполагает, качественно изменив порядок проектирования фундаментов, получать более экономичные решения, учитывающие совместную работу оснований и фундаментов.

В общем случае, при решении большинства задач механики грунтов, необходимо знать напряжённо-деформированное состояние (НДС) грунтовой среды в любой точке основания. Для этого в условиях пространственной задачи определяются три нормальных напряжения аг> и шесть касательных Тху, Тух, т^, т^, ту2, т^,-

которые попарно равны друг другу. Условия равновесия тогда (Вялов С.С., 1978; Цытович Н. А., Тер-Мартиросян 3. Г., 1981) будут определены следующими уравнениями:

дах , дхху дххг

дх дау

да.

+

¿У дт

+

ух

+

дх

дг

дх дх

(1.1)

дг дх ду

где р - плотность грунта; X, У, Ъ - проекции объёмных сил, отнесённые к единице массы.

В качестве геометрических уравнений механики сплошной среды используются уравнения (Сен-Венана) совместности (неразрывности) (Безухов Н. И., 1968) деформаций, которые получены из соотношений Коши:

аЧ аЧ д2у

*У

Зу2 дхду

34 8У1

дудх

34 34 +-Г--- з2у„

дгдх

а ^дуг% ~г ду \ 1 *У оаЧ = 2-- ;

д1 у, ах ау аг ^ дхду

а ( -г

дх 1 ау дг дх ) дудх

а Г^ХУ дУуг + дГгЛ а2еу "2 У ,

Зу ^ дг ах ду ) дгдх

(1.2)

где ех, еу, е7 - нормальные относительные деформации; У*у> Уу2> У2Х

- относительные сдвиги.

Уравнения равновесия и геометрические соотношения совместности деформаций (1.1, 1.2) справедливы в общем случае для любой среды и являются необходимыми, но ещё не достаточными условиями

для определения напряжённо-деформированного состояния, т.к. не отражают основные физические свойства. Физические свойства или уравнения физического состояния являются сугубо индивидуальными характеристиками среды. Особенно эти свойства отличаются у грунтов и подлежат определению экспериментальным путём. В инженерных задачах используются физические уравнения теорий: упругости (линейной и нелинейной), пластичности, предельного напряжённого состояния, ползучести, пластично-вязких течений и т. д. (Цытович Н. А., Тер-Мартиросян 3. Г., 1981; Зарецкий Ю. К., Ломбардо В. Н., 1983 и др.).

Отражение этих теорий можно найти в работах учёных: Н. И. Бе-зухова, А. И. Боткина, М. И. Горбунова-Посадова, А. А. Ильюшина, Г. М. Ломизе, В. В. Соколовского, О. Фрелиха, Н. А. Цытовича. Дальнейшее развитие данные исследования в России получили в работах: В. Н. Бронина, А. К. Бугрова, Е. Ф. Винокурова, С. С. Вялова, М. Н. Гольдштейна, А. Л. Гольдина, Б. И. Далматова, К. Е. Егорова, Ю. К. Зарецкого, А. Л. Крыжановского, М. В. Малышева, Н. Н. Мас-лова, Ю. Н. Мурзенко, В. Н. Николаевского, А. В. Пилягина, 3. Г. Тер-Мартиросяна, А. Б. Фадеева, В. Г. Федоровского, В. Н. Широкова и многих других. Большой вклад в теорию нелинейного деформирования грунтов внесли зарубежные исследователи: Drucker D. G., Haythoruthwaite R. М., Holubce J., Poorooshasb H. В., Prager W., Roscoe К. H., Sherbourue A. N., Shield R. Т. и др.

Общие вопросы пластичности материалов раскрыты в исследованиях А. А. Ильюшина (1948). Им установлено, что в случае простого нагружения, различные частные теории пластичности могут быть описаны общей теорией малых упругопластических деформаций. При этом, рассматривая одновременно уравнения теории равновесия, со-

вместности деформаций и физические уравнения состояния среды, представляется возможн�