автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование работы и компьютерная оптимизация фундаментов в вытрамбованных котловинах

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

на правах рукописи Моргунов Владимир Николаевич

УДК 624.131.522.4:681.3.06

Моделирование работы и компьютерная оптимизация параметров фундаментов в вытрамбованных котлованах

05.13.12 -Системы автоматизированного проектирования (строительство). 05.23.02 - Основания и фундаменты.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук заслуженный деятель науки и техники РФ, академик МАН ВШ Ю.Н. Мурзенко

Научный консультант

доцент, кандидат технических наук

В.П. Дыба

Новочеркасск - 1999

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена изучению и компьютерному моделированию работы оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах, разработке методов многокритериальной оптимизации их параметров с использованием САПР.

Экспериментальные исследования удлиненных фундаментов в вытрамбованных котлованах без уширенного основания и с уширенным основанием выполнены в натурных условиях. Описаны две конструкции тензометрических приборов для измерения напряжений в грунте, одна из которых защищена патентом, а другая авторским свидетельством.

Проведен анализ теоретических исследований по определению несущей способности оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах. Разработан инженерный метод расчета таких фундаментов, разработана и реализована методика компьютерного моделирования НДС основания с построением полей распределения главных напряжений, деформаций, плотностей в массиве грунта.

Разработана программная оболочка для реализации системы автоматизированного проектирования при многокритериальной оптимизации различных типов фундаментов в виде программного комплекса «Автоматизированное проектирование оптимальных фундаментов на естественном основании» и программный модуль для многокритериальной оптимизации фундаментов в вытрамбованных котлованах.

В диссертационной работе описана разработанная конструкция составной сваи уплотнения, защищенная авторским свидетельством, которая позволяет гибко менять ее несущую способность в соответствии с инженерно-геологическими условиями.

Работа может представить интерес для проектных, научно-исследовательских организаций, а также для высших учебных заведений.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................6

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА, МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ФУНДАМЕНТОВ В ВЫТРАМБОВАННЫХ КОТЛОВАНАХ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ............................................12

1.1. Конструктивные решения фундаментов, образуемых методом вытеснения грунта с уплотнением.....................................................................12

1.2. Обзор аналитических, инженерных и численных методов расчета, моделирования и оптимизации фундаментов в вытрамбованных котлованах..............................................................................................................21

1.3. Анализ лабораторных и натурных экспериментальных исследований работы ФВК и грунтового основания......................................................38

1.4. Цель и задачи диссертационной работы.................................................42

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ФУНДАМЕНТОВ В ВЫТРАМБОВАННЫХ КОТЛОВАНАХ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ........................................................................44

2.1. Инженерно-геологические условия площадки строительства...............44

2.2. Методика выполнения натурных опытов...............................................49

2.3. Результаты исследований несущей способности фундаментов............56

2.4. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по несущей способности.....................................................................................................64

2.5. Разработка конструкций месдоз для измерения напряжений в грунте при вытрамбовывании котлованов и других динамических нагрузках 65

2.6. Выводы по второй главе..........................................................................69

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТА В ВЫТРАМБОВАННОМ КОТЛОВАНЕ.....................71

3.1. Анализ процессов, протекающих при вытрамбовывании котлованов, и теоретические предпосылки расчета НДС основания фундаментов, образуемых методом вытеснения грунта с уплотнением...........................71

3.2. Разработка математической модели расширяющейся цилиндрической полости в грунте под действием внутреннего давления.........................73

3.2.1. Решение упругопластической задачи в напряжениях.........................73

3.2.2. Решение упругопластической задачи в деформациях.........................84

4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС ОСНОВАНИЯ ФВК

КОНИЧЕСКОЙ ФОРМЫ И РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА НАХОЖДЕНИЯ ВЕРХНЕЙ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ..89

4.1. Принципы подхода к теоретическому решению задачи о нахождении верхней оценки несущей способности системы "грунтовое основание -фундамент в вытрамбованном котловане"..............................................89

4.2. Инженерный метод нахождения верхней оценки несущей способности, поля плотностей и пластических деформаций в основании вытрамбованного котлована.....................................................................................92

4.3. Компьютерное моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния основания конического ФВК...............102

4.4. Выводы по третьей и четвертой главам...............................................125

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ФУНДАМЕНТОВ В ВЫТРАМБОВАННЫХ КОТЛОВАНАХ ПРИ ВАРИАНТНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ И РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ СОСТАВНОЙ СВАИ................127

5.1. Анализ компьютерных технологий многовариантного проектирования фундаментов и оснований......................................................................127

5.2. Структура многоуровневой оптимизации и разработка программной

оболочки ПК АПОФЕОС........................................................................131

5.3. Принципы параметрической оптимизации, выбор расчетных параметров и критериев качества для оценки проектных вариантов................141

5.4. Оптимизация ФВК с использованием ПК АПОФЕОС........................147

5.5. Конструирование составной сваи и разработка технологии

ее устройства...........................................................................................153

5.6. Выводы по пятой главе..........................................................................158

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................................................160

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................174

Приложение 1. Авторские свидетельства и патенты..................................174

Приложение 2. Технические акты внедрения НИР.....................................177

Приложение 3. Пример компьютерного проектирования фундаментов

в вытрамбованных котлованах в ПК АПОФЕОС.................................182

Приложение 4. Пример расчета параметров НДС фундамента в

вытрамбованном котловане...................................................................185

ВВЕДЕНИЕ

Фундаментостроение является одной из наиболее материалоемких и трудоемких отраслей строительства. Практика показывает, что на сооружение фундаментов расходуется 5-15% всей стоимости сооружения. В особых грунтовых условиях стоимость подземной части возрастает до 20%, на их устройство приходится до 40% затрачиваемого времени и до 20% трудоемкости работ. Цифры указывают на то, что снижение стоимости строительства, при одновременном обеспечении надежности, оптимизация трудозатрат и времени на сооружение подземных конструкций имеет огромное значение для повышения эффективности использования капитальных вложений, экономии материально-технических средств и повышения качества строительства.

Развитие фундаментостроения осуществляется в направлении разработки новых конструкций и методов возведения фундаментов, обеспечивающих сохранение и по возможности повышение несущей способности грунтов в основании фундамента в процессе их возведения, простую конструкцию сопряжения верхнего строения с фундаментами без дополнительных элементов, максимальное сокращение объемов опалубочных и земляных работ по разработке и обратной засыпке котлованов, возможность устройства фундаментов в различных погодных и грунтовых условиях и т.д.

Перечисленные тенденции становятся актуальными также ввиду неизбежности строительства в сложных инженерно-геологических условиях, требования уменьшения габаритов фундаментов с целью уменьшения влияния на окружающую среду, необходимости передачи на фундаменты больших сосредоточенных нагрузок. Одной из наиболее эффективных и перспективных конструкций фундаментов в этом смысле можно считать фундаменты в уплотненном грунте. К ним относятся фундаменты в вытрамбованных котлованах, из забивных блоков, отдельные типы набивных и забивных железобетонных свай, фундаменты в выштампованных котлованах. Среди перечисленных типов фунда-

ментов наибольшей технологичностью изготовления и экономичностью обладают фундаменты в вытрамбованных котлованах.

Область применения фундаментов в уплотненном грунте, как по грунтовым условиям, так и по видам, конструкциям зданий и сооружений весьма широкая. Вначале эти типы фундаментов разрабатывались и на первом этапе внедрения применялись в основном при строительстве на просадочных (лессовых) грунтах с I типом грунтовых условий по просадочности. В дальнейшем высокая эффективность принципа уплотнения способствовала расширению области применения практически на все виды пылевато-глинистых грунтов.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования в этой области расширили представление о механизме взаимодействия таких фундаментов с основанием и позволили создать теории их расчета. Развитие средств вычислительной техники дало возможность использовать численные методы для прогноза осадки и оценки НДС оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах. Однако для исключения грубых ошибок в полученных решениях, обусловленных как возможностью накопления таких ошибок при итерационных циклах, так и неоднозначностью или недостоверностью исходных данных, и контроля значений предельной нагрузки в этом случае необходимо применять простые аналитические решения, учитывающие наличие уплотненной зоны и характер деформирования основания.

На фоне широкого применения средств вычислительной техники важной задачей следует считать совершенствование методов и средств проектирования с использованием САПР. Основной резерв повышения качества автоматизированного проектирования в фундаментостроении заложен в разработке и использовании информационных технологий, новых методов принятия решений, процедур и программ оптимального проектирования.

Целью диссертационной работы является развитие компьютерных методов проектирования фундаментов в вытрамбованных котлованах на основе экспе-

риментальных, теоретических исследований, моделирования работы и оптимизации, разработка новых эффективных конструкций фундаментов, устраиваемых вытеснением грунта с уплотнением и приборов для их экспериментального изучения.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Проведение экспериментальных исследований для оценки несущей способности натурных фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием и без уширенного основания.

2. Разработка тензометрических приборов для использования при динамических нагрузках, возникающих в процессе вытрамбовывания котлована.

3. Разработка и реализация на персональном компьютере инженерного метода моделирования НДС и расчета верхней оценки несущей способности оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах и для определение параметров уплотненной зоны.

4. Разработка программной оболочки для реализации системы автоматизированного проектирования при многокритериальной оптимизации различных типов фундаментов в виде программного комплекса «Автоматизированное проектирование оптимальных фундаментов на естественном основании» (ПК «АПОФЕОС»).

5. Разработка модуля многокритериальной оптимизации параметров фундаментов в вытрамбованных котлованах для ПК «АПОФЕОС».

6. Разработка конструкции составной сваи уплотнения с изменяемой несущей способностью в зависимости от инженерно-геологических условий и метода ее устройства.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана и программно реализована система автоматизированного проектирования фундаментов на основе проведенных исследований и предложенной методики многоуровневой оптимизации.

2. Получена новая информация о несущей способности оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием и без уширенного основания в экспериментальных исследованиях на натурных фундаментах в грунтовых условиях г. Новочеркасска.

3. Развито теоретическое решение задачи об определении верхних оценок несущей способности оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах и разработана теоретическая модель формирования вытрамбованного котлована доя целей проектирования.

4. Реализованы компьютерные методики расчета НДС грунтового основания и уплотненной зоны в инженерной постановке.

Практическая значимость:

1. Исследовано напряженно-деформированное состояние основания и характеристики уплотненной зоны фундамента в вытрамбованном котловане методом информационного моделирования на персональном компьютере.

2. Разработана иерархическая оболочка, построенная по агрегатному принципу САПР, реализующая методику многопараметрической многокритериальной оптимизации и определяющая сценарии проектирования для ПК «АПОФЕОС».

3. Разработан программный модуль для ПК «АПОФЕОС», позволяющий оптимизировать параметры фундаментов в вытрамбованных котлованах по многокритериальной методике.

4. Результаты натурных экспериментальных исследований фундаментов в вытрамбованных котлованах применены при строительстве жилого дома.

5. Разработаны две новые конструкции месдоз для измерения напряжений при динамических нагрузках, подтвержденные авторским свидетельством и патентом.

6. Предложена и исследована новая конструкция составной сваи уплотнения, подтвержденная авторским свидетельством, которая рекомендована к внедрению в практику строительства. На защиту выносятся:

- результаты натурных экспериментальных исследований;

- методика определения верхней оценки несущей способности основания фундаментов в вытрамбованных котлованах и метод моделирования формирования конического вытрамбованного котлована для целей проектирования;

- методика многокритериальной компьютерной оптимизации параметров фундаментов в вытрамбованных котлованах, реализованная в ПК «АПОФЕОС»;

- разработки по конструированию сваи уплотнения с изменяемой несущей способностью и приборов для измерения напряжений в грунте.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 113 наименований и 4 приложений. Полный объем диссертации 195 страниц, включая 69 рисунков и 16 таблиц. Основной текст диссертации (без оглавления, списка литературы, приложений, рисунков и таблиц) содержит 107 страниц машинописного текста.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Зональной конференции "Совершенствование и внедрение фундаментов на глубинно-уплотнительном основании" (Пенза, 1989), III Республиканской научно-технической конференции " Учебно-исследовательские системы автоматизированного проектирования объектов строительства и архитектуры" (Ростов-на-Дону, 1990) , Республиканской научно-технической конференции "Эффективные фундаменты, сооружаемые без выемки грунта" (Полтава, 1991), на Российской конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Санкт-Петербург, 1995), на Международной конференции "Информационные технологии в проектировании. Восток-Запад" (Москва, 1996), на Международной научно-практической конференции (Ростов-на-Дону, 1997), Международ-

ной научно-практической конференции "Строительство'98" (Ростов - на Дону, 1998), на внутривузовских конференциях кафедр строительного профиля ЮРГТУ (НПИ) (1991-1998 гг.).

Результаты работы использованы: в госбюджетной научно-исследовательской работе по теме № 23.91 "Разработка компьютерной технологии поиска оптимальных решений в многовариантном проектировании фундаментов и оснований", по теме № 45.94 " Разработка ресурсосберегающих методов расчета фундаментов зданий с применением нелинейных моделей и многокритериального синтеза решений "ив учебном процессе по специальности 29.03 «Промышленное и гражданское строительство» со специализацией «Системы автоматизированного проектирования».

Внедрение результатов. Результататы исследований переданы в проектные институты АО "СевкавНИНИагропром" и ОАО "Институт Ростовтеплоэлектро-проект " г. Ростова-на-Дону, были использованы при строительстве жилого дома Производственного ремонтного предприятия Р