автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Научные основы прогноза несущей способности и жесткости подрабатываемых грунтовых оснований фундаментов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ^КАРАГАЛИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

1 Ч 5-5'\Г4 На правах рукописи

• '•■■>'■ УДК 624.159.14.001.24

Кандидат технических наук, доцент ЖУСУПБЕКОВ Аскар Жагпарович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ

Специальности: 05.15.01 - Маркшейдерия

05.23.02 - Основания и фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

*

Караганда - 1996

Работа выполнена в Карагандинском металлургическом институте

Научные консультанты: доктор технических наук, профессор

академик HAH PK, доктор технических наук, профессор

A.B. Фадеев (г.Санкт-Петербург) Ш.М. Айталиев (г. Атырау)

A.A. Бартоломей (г.Пермь)

И. И. Попов (г. Караганда)

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, член-корреспондент Российской АН, академик Российской Инженерной Академии, доктор технических наук, профессор

член-корреспондент HAH Республики Казахстан, доктор технических наук, профессор

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, член-корреспондент Российской Инженерной Академии, доктор технических наук,

профессор С.Б. Ухов

(г.Москва)

Ведущая организация: Донецкий ПромстройНИИпроект корпорации "Укрстрой"

Завдта состоится" ¡6 "i JJdJiß 1996 года в /0 часов на заседании специализированного совета Д 14.22.01 при Карагандинском политехническом институте по адресу: Республика Казахстан,470075, г.Караганда, Бульвар Мира 56, конференц-зал, факс: 8-32135-11180 или 8-32135-34500.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "Iß" ОЦ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного /xfeera-, кандидат технических наук, доцент (p&St^/

.Б.Кызыров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В результате добычи полезных ископаемых и создания региональных хозяйственных комплексов получило развитие строительство промышленных, жилых, культурно-бытовых зданий и сооружений на территориях горнодобывающих бассейнов Республики Казахстан, стран СНГ, ФРГ, США, Австралии, КНР, Польши, Японии и других государств.

При существующей плотности застройки территории в основных горнодобывающих бассейнах новое строительство ведется на угленосных площадях, в том числе и на территориях залегания ценных коксующихся углей. О значимости проблемы выемки угля и других полезных ископаемых под сооружениями, в частности в Карагандинском бассейне, свидетельствует тот факт, что к настоящему времени в общещахтных целиках под различные здания и сооружения только на промышленном участке законсервировано более 120 млн. тонн угля, а в существующих границах Нового города Караганды со сплошной капитальной застройкой насчитывается кроме того более двух миллиардов тонн угля, т.е. значительно больше, чем извлечено запасов за весь период существования бассейна. Выемка из под застраиваемых территорий с обеспечением сохранности жилого фонда является важнейшей государственной задачей. В конструкциях зданий и сооружений, возводимых на подрабатываемых территориях в настоящее время, как правило, предусматриваются специальные защитные элементы, снижающие чувствительность объектов к деформациям оснований. Это позволяет в некоторой степени осуществить выемку угля без нарушения эксплуатационной пригодности, однако, стоимость конструктивных мер при этом остается достаточно высокой, достигая до 5-8% сметной стоимости объекта.

Выбор конструктивных мер защиты и их расчет основывается на анализе взаимодействия сооружения с деформирующимся при подработке основанием. Опыт эксплуатации сооружений на подрабатываемых территориях приводит к выводу о том, что рассчитанные обобщенные усилия на здания нередко существенно отличаются от фактических, что в ряде случаев приводит к неоправданному перерасходу средств на усиление зданий,либо к переоценке несущей способности оснований. Поскольку дополнительные нагрузки и соответствующие им усилия от влияния подработки в вертикальной плоскости обус-

ловлены перемещением грунта и сооружения, то достоверность их определения во многом зависит от правильной оценки прочностных и деформационных характеристик грунтов основания. Тем не менее в практике проектирования зданий на подрабатываемых территориях при определении дополнительных нагрузок на сооружения используются вплоть до настоящего времени результаты инженерных изысканий, проводимых в неподрабатываемом грунтовом массиве, т.е. физико-механические характеристики неподработанного к деформированного при подработке массива грунта принимаются идентичными.

Аналогично этому и расчет жесткостных характеристик оснований производится без учета повышения их деформируемости при подработке .

Поэтому необходимо разработать такую методику проектирования подрабатываемых оснований, которая бы учитывала основные закономерности деформирования и сдвижения горных пород. Изучение реальных свойств грунтового массива, особенностей его деформирования и поведения служит основой для разработки новых принципов проектирования фундаментов на подрабатываемых основаниях и расчета усилий в зданиях.

Изложенное указывает на актуальность темы диссертационной работы, которая посвящена решению научной проблемы прогноза несущей способности и жесткости подрабатываемых грунтовых оснований фундаментов зданий и сооружений с учетом влияния горизонтальных деформаций.растяжения земной поверхности.

Диссертационная работа входила в состав комплексных исследований, проводимых ЛИСИ, ВНИМИ, Карагандинским металлургическим институтом в соответствии с планом важнейших работ, предусмотренных подпрограммой О.55.16.Д целевой научно-технической программы ОЦ. 031, утвержденной Госстроем СССР на 1985-1990 гг, "Разработать и внедрить новые эффективные конструкции фундаментов и подземных сооружений, а также способы их возведения, в том числе, обеспечивающие возможность строительства в районах со сложными инженерно-геологическими условиями и на территориях, ранее считавшихся непригодными для строительства" (Приложение к Постановлению Госстроя СССР, Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 31 декабря 1985 гг., N233, 591/270).

С 1991 по 1995 г. тема входила в программы поисковых научно-исследовательских работ, утвержденные главными управлениями

прогнозирования и развития НТП Министерства образования и Министерства науки и новых технологий Республики Казахстан ( номер Госрегистрации 0194 РК01097) и проводилась под непосредственным научным руководством автора диссертации.

Целью работы является создание теоретических и практических основ надежной оценки несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований фундаментов при развитии горизонтальных деформаций грунтовой толщи.

Основная идея состоит в использовании закономерностей влияния горизонтальных деформаций земной поверхности на поведение фундаментов при прогнозе изменения несущей способности .и жесткости грунтовых оснований в процессе подработки.

Методы исследований. Достижение поставленной цели потребовало сочетания методов численного и лабораторного моделирования, а также проведения по специальной программе полевых экспериментов и натурных наблюдений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- основное влияние на изменение несущей способности и жест-костных характеристик подрабатываемых оснований оказывает изменение напряженно-деформированного состояния: грунтовой толщи под воздействием горизонтальных деформаций растяжения земной поверхности, возникающих в результате подработки; " снижение коэффициента жесткости и уменьшение несущей способности подрабатываемых оснований ленточных, отдельных и свайных фундаментов тем.значительнее, чем больше горизонтальные деформации растяжения земной поверхности;

- армирующий эффект протяженного здания под воздействием горизонтальных деформаций растяжения земной поверхности обуславливает дополнительное искривление здания в вертикальной плоскости, так как коэффициент жесткости краевых частей основания ленточной полосы снижается в большей степени, чем центральной;

- величина врезания фундаментов подрабатываеых сооружений не зависит от последовательности нагружения и подработки основания, что позволяет отказаться от длительных штамповых испытаний грунтовой толщи;

- при повторной подработке эффект снижения жесткостных характеристик и несущей способности грунтового основания повторяется, но не суммируется;

- механизм работы свай в подрабатываемом свайном кусте отли-

чается от работы подрабатываемой одиночной сваи из-за армирующего эффекта грунтового массива в свайном кусте, что способствует меньшему снижению несущей способности свайного куста по сравнению с несущей способностью одиночной сваи;

- наличие шва качения и специальная коническая форма фундаментов определяет оптимальную работу здания на подрабатываемых территориях.

Достоверность научных положений подтверждается корректной постановкой задач исследований, обоснованными теоретическими и экспериментальными исследованиями, удовлетворительной сходимостью (в пределах 5-15%) расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- обосновано теоретически и экспериментально существенное различие несущей способности и жесткости оснований фундаментов зданий и сооружений на подрабатываемых территориях;

- представлен механизм изменения жесткостных характеристик и несущей способности деформируемой грунтовой толвд;

. - разработаны теоретические и экспериментальные основы прогноза несущей способности и коэффициента жесткости подрабатываемых грунтовых оснований фундаментов;

- вскрыт принципиально новый механизм взаимодействия конических фундаментов зданий и сооружений со швом качения на подрабатываемых территориях;

- обоснован теоретически и экспериментально армирующий эффект зданий и сооружений на подрабатываемом основании;

- разработана комплексная методика определения несущей способности и податливости подрабатываемых оснований ленточных, столбчатых, свайных и конических фундаментов зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.

- Практическая ценность и значимость работы заключается в том, что разработана методика прогноза изменения несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований фундаментов зданий и сооружений, которая позволяет оценить поведение фундаментов при влиянии горизонтальных деформаций грунтовой толщи при расконсервации полезных ископаемых, комплексная методика проектирования подрабатываемых оснований фундаментов зданий и - сооружений проверена на конкретных примерах опытного проектирования ряда объектов на подрабатываемых территориях, реализована в учебном процессе, в учебных пособиях, научно-методических указаниях, научной монографии.

Фактический материал работы составили результаты научных исследований, проведенные автором в период с 1984 года по 1995 год; позволившие создать и отработать оригинальные конструкции серий специальных геотехнических новых приборов, новую оптимальную фундаментную конструкцию конической формы со швом качения, новые принципы проектирования грунтовых оснований фундаментов зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.

Реализация работы. Основные материалы диссертационной работы вошли составной частью в "Практические рекомендации по проектированию оснований на подрабатываемых территориях", принятых к внедрению акционерным обществом "Ссюзспецфундаментстрой",. Казахским научно-исследовательским институтом горной геомеханики и маркшейдерского дела, акционерными трестами "Казметаллургстрой", "Метал-лургасилстрой", Казахской государственной научно-исследовательской, проектно-конструкторской и производственной лабораторией.

Предлагаемая Жусупбековым А.Ж. комплексная методика прогноза несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований фундаментов внедрена на объектах НПО "Союзспецфундаментстрой"ПО "Карбид", "НТС" - 1, научно - производственного предприятия "Геотехнология"; Хачинохского технологического института (Япония) при проектировании промышленных, гражданских и жилых зданий на конических фундаментах в префектурах Аомори, ..Акита (города Хачинохэ, Акита) на подрабатываемых территориях. - .

Апробация работы. Основные положения, результаты, научных исследований и выводы диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных конгрессах. (Киото,..- Япония, 1992), (Токио, Япония, 1994), (Тромсо, Норвегия, 1990), (Ченду, КНР,1990), на международных симпозиумах (Осло, Норвегия, 1991), (Ухань, КНР, 1991), (Нанкин, КНР, 1992), (Фукуока, Япония, 1992), (Саппоро, Япония, 1994), (Голд Кост, Австралия, 1995), (Хиросима, Япония, 1995), международных конференциях (Гонконг, Великобритания, 1994), (Каир, Египет, 1995), (Лулео, Швеция, 1990).. (Краков, Польша, 1990), (Делфт, Голландия, 1990), (Банкок, Таиланд, 1991), (Шанхай, КНР, 1991), (Гонконг, Великобритания, 1991), (Раубичи, Белоруссия, 1989), (Сингапур, 1993), (Гуанжоу, КНР, 1993), (Сеул, Южная Корея,1993), (Беласток, Польша, 1989), (Варшава, Польша, 1984), (Санкт-Петербург, Россия, 1992), (Пекин, КНР, 1995),на международном форуме (Кобе, Япония, 1993), на международном семинаре (Сага,Япония, 1992),на всесоюзных совещаниях и конференциях

(Владивосток, 1988), (Москва, 1988), (Куйбышев, 1990), (Одесса, 1990), (Челябинск, 1988), республиканских и региональных конференциях (Алма-Ата,1983-90), (Оренбург, 1986), (Караганда, 1986,1987), (Казань, 1986), (Пермь, 1987), (Тюмень, 1987), (Те-миртау, 1988), (Йошкар-Ола, 1988), (Москва, 1989),(Тольятти, 1992), (Минск, 1992) по проблемам механики грунтов и фундамен-тостроения; строительных конструкций зданий и сооружений. .Результаты исследований докладывались на заседаниях кафедры "Основания, фундаменты и механика грунтов" СпбГАСУ, МИСИ (1993), Пермского государственного технического университета (1993); кафедры "А и ТСП" Карагандинского металлургического института, на кафедрах промышленного и гражданского строительства Хачинохского технологического института (Япония, 1992), Тяньзинского университета (КНР, 1991), кафедры "Основания, фундаменты, механика грунтов и маркшейдерия" Монашского университета (Австралия, 1995), на объединенном семинаре кафедры "Маркшейдерского дела и геодезии" КарПТИ (1995), международном семинаре по проблемам строительства на подрабатываемых территориях и сейсмических регионах при Министерстве науки и новых технологий Республики Казахстан (1995). Результаты работы экспонировались на ВДНХ СССР в 1990 году, (награждена серебрянной медалью ВДНХ, СССР), ВДНХ Казахстана (отмечены дипломами 1-ой и П-ой степеней). Автор по результатам исследований неоднократно читал лекции по приглашению ведущих университетов и фирм Японии, Австралии, КНР, Голландии, Таиланда, Сингапура, Южной Кореи, Гонконга, ФРГ, Норвегии, Финляндии, Польши, Румынии, Египта и других стран (имеются положительные отзывы о качестве и научной ценности проведенных лекций по научной теме диссертации от президента Европейского комитета по механике грунтов и фундаментостроению профессора Штутгартского университета д.т.н. Смольчика У. (ФРГ); президента Азиатского комитета по механике грунтов и фундаментостроению, профессора Токийского университета д. т.н. К.Ишихара (Япония); профессора Хачинохского технологического института, д.т.н. Морото Н, (Япония) и другюф.

В 1988 году научная работа "Исследование и разработка методики определения несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований ленточных и свайных фундаментов" была награждена премией Ленинского комсомола Казахстана.

Автор диссертации в 1991/1992 г. выполнил научные исследования взаимодействия нового конического фундамента со сдвигаемым основанием по контракту с Хачинохским технологическим институтом (Япония) в качестве научного руководителя проекта.

Публикации. По теме диссертации опубликовано около 100 работ, получено три авторских свидетельства и один патент, в том

числе около 50 публикаций в грудах международных конгрессов, симпозиумов, конференций и 2 книги (одна издана в Японии в 1992 году в издательстве Chugai Printing Co. Ltd. "Keynote lectures and papers on investigations on multiple undermining soils" на английском языке, вторая монография в Казахстане в 1994 году в издательстве "Гылым" "Строительные свойства оснований фундаментов сооружений на подрабатываемых территориях" на русском языке).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 328 наименований и приложения. Она изложена на 380 страницах машинописного текста, содержи? 129 рисунков и 38 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Специфика строительства зданий и сооружений на подрабатываемых территориях заключается в том, что при подземной выемке полезных ископаемых на земной поверхности образуется мульда сдвижения, характеризующаяся как неравномерными осадками, так и неравномерными горизонтальными сдвижениями. Деформирующееся в процессе подработки основание оказывает воздействия на здания и сооружения и вызывает появление дополнительных усилий в их несущих конструкциях, что в свою очередь приводит нередко к существенным повреждениям .объектов. Это обуславливает необходимость учета влияния деформаций земной поверхности при проектировании оснований фундаментов, строящихся на угленосных площадях. Вопросам исследования работы фундаментов на подрабатываемых территориях и в сложных инженерно-геологических условиях посвящены работы отечественных и зарубежных авторов:3.П.Артемова, Ш.М.Айталиева, А.Т.Аубакирова, Б. Е.Бронштейна. А.И.Братанчука, В.Н.Бронина, А.А.Бартоломея, Х.З.Ва-кенова, Т.М.Байтасова, В.М.Вырво, И.М.Гадымбы, А.С.Горбанова, Т.Ж. Жунусова, О.М.Жилинского, Т.Е.Жандильдина, П.Е.Клещева, Ю.Ф.Крени-ды, В.А.Лукина, Р.А.Муллера, И.В.Носкова, Г.А.Решетова, Н.Л.Степанова, А.А.Петракова, З.И.Поздняковой, А.Б.Фадеева, А.В.Филатова, С'.Б.Ухова, С.Е.Шагалова, А.И.Юшина, H.Gllnko, E.Kwiatek, G.Kratsh, J.Ledwon, K.Malharek, N.Moroto, A.Rosikon, C.Zawora и др.

Надежный прогноз несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований фундаментов является залогом безопасной эксплуатации зданий и сооружений, возводимых на площадях, подвергаемых гарным работам.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ВЗАШСщЕЙСТВЙЯ СООРУЖЕНИЙ С ПОДРАБАТЫВАЕМЫМ ОСНОВАНИЕМ

В действующих нормативных документах влияние подработки на конструкции сооружений сводится к силовым воздействиям в зависимости от кривизны и горизонтальных деформаций поверхности. При этом действующие нагрузки на сооружения при искривлении основания рекомендуется рассчитывать на основе модели местного упругого основания, коэффициент постели (или коэффициент жесткости) ,которого определяется по свойствам грунтов до подработки.

В соответствии с инструктивными документами расчетные характеристики грунтов Ар определяются по формуле:

Ар - Ан * к * ШГ (1)

где Ан - нормативная характеристика грунтов; к - коэффициент однородности грунта;

шг - коэффициент, учитывающий изменения определяемой характеристики грунта при сдвижении.

В нормативной литературе не содержится, однако, каких-либо других рекомендаций по определению коэффициента шг. кроме рекомендации принимать его равным единице. Е.Б.Бронштейн и С.З.Хад-жинов предлагают понижать при подработке модуль деформации, сцепление и другие характеристики на коэффициент, не связанный с величиной деформации грунта при подработке, хотя имеются подтвержденные фактическими данными натурных исследований сведения о том, что жесткость и несущая способность грунтов на подрабатываемых территориях находится в прямой зависимости от величины горизонтальных деформаций земной поверхности. Об этом свидетельствуют, в частности, результаты инструментальных наблюдений, приведенных П.Е.Клещевым и другими исследователями за величиной врезания в грунт фундаментов подрабатываемых сооружений при ..различных деформациях земной поверхности.

Нужно отметить, что по данным полевых испытаний, приведенных И.М.Гадымбой и С.Е.Шагаловым, сопротивление грунта вдавливанию зонда снижается в 2-3 раза, деформативность того же грунта увеличивается в 1,3-1,5 раза, тогда как по результатам лабораторных испытаний изменения прочностных и деформационных характеристик исследуемых грунтов очень малы. Это указывает на то, что

енижеяие несущей способности и жесткости основания обусловлено главным образом не изменением физико-механических характеристик

Оитлв.

При определении несущей способности по грунту одиночной сваи в настоящее время эффект разуплотнения грунта при подработке учитывается путем введения понижающих коэффициентов в соответствующие формулы СНиП 2.02.033 - 85. Значение этих коэффициентов мало обосновано вследствие недостаточности фактического материала. Анализ существующей литературы показывает, что практически отсутствует методика прогноза несущей способности свайных фундаментов на подрабатываемых территориях. В работах С.Е.Шагалова, А.И.Юшина влияние подработки на свайные фундаменты сводится к возникновению только дополнительных горизонтальных нагрузок, а возможные изменения несущей способности свай по отношению к вертикальным нагрузкам не рассматриваются. Анализ работы существующих конических фундаментов на подрабатываемых территориях показывает, что их эксплуатация ведется при полном погружении фундамента в грунтовое основание, что неблагоприятно отражается на работе указанных фундаментов при влиянии горизонтальных деформаций растяжения земной поверхности. Практически не решен вопрос снятия горизонтальных усилий, передаваемых на верхнюю часть здания от влияния горизонтальных деформаций грунтовой толщи. Применяемый традиционный шов скольжения не снимает радикально влияние горизонтальных деформаций из-за относительно большого коэффициента трения между верхней плоскостью головы фундамента и нижней плоскостью фундаментного пояса.

Таким образом, до настоящего времени не изучен механизм процессов в деформируемой от влияния подработки грунтовой толщи; вопрос о влиянии степени горизонтальных деформаций грунтового основания на несущую способность и податливость ленточных, столбчатых, свайных и конических фундаментов. Возникает также потребность разработки оптимальной фундаментной конструкции, которая бы компенсировала влияние горизонтальных деформаций растяжения подрабатываемого основания без ущерба зданий и сооружений.

Необходимость прогноза изменения несущей способности и жесткости грунтовых оснований фундаментов в процессе прохождения волны подработки очевидна как на стадии проектирования, так и при расконсервации полезных ископаемых под застроенными территориями.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ДЕФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ПОДРАБОТКЕ ГРУНТОВОЙ ТОЛЩЕ

По мере выемки пласта полезного ископаемого точки земной поверхности поочередно проходят три стадии деформирования. Стадия 1 характеризуемая положительной кривизной (выпуклостью) и горизонтальными деформациями растяжения. Стадия 2 характеризуется отрицательной кривизной и горизонтальными деформациями сжатия. Наконец в стадии 3 точки земной поверхности попадают в плоское дно мульды сдвижения с возможными локальными горизонтальными деформациями, унаследованными от стадий 1 и 2.

Исходное напряженное состояние грунтовой толщи характеризуется вертикальными напряжениями б2:

бг = г * г (1)

где г - удельный вес грунта; г - глубина и горизонтальными напряжениями:

бх = бу = £, г г (2)

где £, = (0,6 - 1) - коэффициент бокового давления.

Горизонтальные напряжения в грунтовой толще, которые первоначально равнялись г г, при возникновении горизонтальных деформаций растяжения, будут изменяться на величину е * Ер и составят:

бх = 4 Г 2 - б Ер (3)

где е - горизонтальные деформации;

Ер - модуль упругости при разгрузке.

Первоначально нарастание растягивающих деформаций будет просто снижать величину горизонтальных сжимающих напряжений, затем эти напряжения станут растягивающими и, когда они сравняются с прочностью грунта на растяжение Т, произойдет образование вертикальной трещины. Максимально возможная глубина развития трещин ограничивается тем обстоятельством, что оконтуренные трещинами грунтовые блоки оказываются уже в условиях одноосного сжатия си-

лами тяжести. Следовательно, предельная глубина трещин 2 определяется из условия равенства вертикального напряжения 61 прочности

S = 2с * ctg( 45° - ф/2) Т2пред = 2с * ctg-( 45° - ф/2)

откуда:

2Пред = 2с * cte(45° - <р/2) /г (4)

I

Дальнейшее нарастание горизонтального растяжения будет сопровождаться расширением трещин, а ниже 2пред будет сопровождаться пластическими деформациями сдвигового характера без образования трещин.

Теоретическая последовательность изменения горизонтальных напряжений в грунтовой толще при прохождении 1, 2, 3 стадий деформирования изображена на рис. 1. Графики построены для случая, когда максимальная деформация растяжения £тах = 21¿пред! и такой же абсолютной величины достигает деформация сжатия.

На рис.1 изображена исходная эгпора горизонтальных напряжений, изменяющихся с глубиной по уравнению (2). Возникновение горизонтальных деформаций растяжения е = |£пред| приводит к полному исчезновению горизонтальных напряжений выше уровня 2пРед и к снижению напряжений ниже уровня ZnpeÄ и к снижению напряжений ниже уровня Znpea на величину Ер * |еПр0д1, (рис.1 б,в).

Дальнейшее растяжение толщи ведет к появлению предельного состояния ниже уровня Znpefl и горизонтальные напряжения устанавливаются на уровне:

бх = (rZ - S)*(l - sin ф)/(1 + sin?) (5)

Уравнение (5) ьыводится из условия предельного равновесия Кулона при заданной величине вертикального (максимального) напряжения б2 = Т2.

На рис.2 исходное напряженное состояние грунта на различной глубине от подошвы ленточного или отдельностоящего фундамента

изображается точками на линии ОВ. При горизонтальном растяжении напряжения уменьшаются, и изменение напряженного состояния идет вдоль стрелок вплоть до выхода на предельный график CDSE, имеющий уравнение:

б2 = S + бх*(1 + Sin ф)/(1 - Sintp),

где S - 2с * сЬе(45° - tp/2),

S - прочность на одноосное сжатие.

Как: видим из рисунка,снижение напряжений бх влево от линии SD (т.е. выше глубины Znpefl) выводит напряженное состояние грунта на предельный график в области растяжения, здесь и развиваются трещины разрыва. Ниже (т.е. вправо от линии SD) грунт выходит в предельное состояние по Кулону и раздавливается путем сдвига.

г í i г Э & & з и

Рис. 1. Последовательность изменения горизонтальных напряжений при прохождении волны подработки

при растяжении

Итак, вверху до глубины 2пред - относительно монолитные блоки, разделенные вертикальными разрывными трещинами, ниже - толща, пронизанная поверхностями скольжения. Глубина разрывных трещин гПред зависит от сцепления грунта. Чем ниже сцепление - тем меньше 2Пред. в сыпучих грунтах трещин разрыва не будет вообще, а деформирование по механизму сдвига будет развиваться прямо от поверхности.

Теперь рассмотрим процессы в толще грунтов при горизонтальном сжатии (рис.3).

Итак, исходное напряженное состояние точек толщи грунтов после предшествующего растяжения характеризуется точками на линии ОБВ. На отрезке ОБ лежат точки, соответствующие слою с вертикальными трещинами, на отрезке БВ - слою раздавливания.

При возникновении горизонтального сжатия траектории изменения напряженного состояния будут на рис.3 направлены вверх. Новая линия ЕР(3, являющаяся геометрическим местом точек напряженного состояния, будет состоять из двух участков. Участок Гв - новое напряженное состояние зоны сдвигов - будет примерно параллелен отрезку БВ. А вот прирост горизонтальных напряжений в зоне трещин (т.е. левее точки Б) будет к моменту максимального сжатия ниже, чем у точек правее точки Б, так как в зоне вертикальных трещин при сжатии сначала будут закрываться вертикальные трещины (в отсутствие горизонтальных напряжений сжатия), лишь после этого начнут расти напряжения сжатия. Изложенный этап сжатия характеризуется рис.1 е,ж. При максимальном сжатии горизонтальные напряжения в грунте выше исходных.

Рис.1з соответствует этапу снижения сжимающих деформаций, а рис.1и соответствует переходу точек в плоское дно мульды. Уменьшение сжимающих деформаций связано с изменением напряжений через высокий модуль разгрузки. Горизонтальные напряжения снижаются, вновь раскрываются трещины в верхней части, а нижняя часть после сильного предварительного сжатия вновь выходит в предельное состояние.

Таким образом, несмотря на возвращение горизонтальной деформации к исходному нулевому значению, состояние толящ будет существенно отличаться от первоначального. В верхней части толщи переуплотненные блоки будут оставаться разделенными трещинами, по всей глубине толщи горизонтальные напряжения будут меньше первоначальных.

Влияние трещиноватости массива как в зоне растяжения грунтовой толщи, так и в плоском дне мульды, должно отразиться неодинаково на .несущей способности и податливости оснований фундаментов в зависимости от места прохождения трещины (возле шш на определенном расстоянии от фундаментной конструкции).

Рис. 3. Изменение напряженного состояния грунтовой толщи при горизонтальном сжатии

Следовательно, существует различие в коэффициентах пропорциональности между нагрузками и перемещениями для неподрабатыва-емого'основания и подрабатываемого массива, где возникают субвертикальные трещины. Можно предположить, что в промежутках меж-' ду трещинами под фундаментом с плоской подошвой возникают локальные горизонтальные напряжения, несколько повышающие сопротивляемость грунта. Наличие же трещины вблизи фундамента или под ним исключает возникновение локальных сжимающих напряжений под фундаментом, и основание выходит в предельное состояние при нагрузке по подошве фундамента, равной прочности грунта на одноосное сжатие. Аналогичное влияние трещина оказывает и на податливость основания при нагрузках, меньших предельной: вблизи трещины податливость должна быть выше.

Для проверки изложенного теоретического представления механизма изменения напряженно-деформированного состояния на этапе растяжения грунтовой толщи и работы ленточных, отдельностоящих, свайных и конических фундаментов на подрабатываемых основаниях, а также для получения качественных и количественных зависимостей "нагрузка-осадка" этих фундаментов от величины горизонтальных деформаций растяжения были проведены численный анализ методом конечных элементов, а также модельные исследования на плоском,

объемном, объемно-радиальном стендах и полевые испытания в Карагандинском угольном бассейне.

Наиболее четкая зависимость величины врезания от численных значений горизонтальных деформаций основания S - f(s) была зафиксирована по данным инструментальных наблюдений при подработке шести экспериментальных зданий на ленточных и свайных фундаментах в Карагандинском угольном бассейне, естественным основанием которых служат третичные суглинки и глины.

Эти полученные зависимости врезаний фундаментов зданий от величины горизонтальных деформаций растяжения свидетельствуют о существенном влиянии последних на основные характеристики грунтового массива, выражающимся в снижении горизонтальных напряжений в грунте оснований.-

Любое изменение напряженного состояния основания под воздействием подработки, даже еще до возникновения предельного состояния, будет вызывать какие-то вертикальные перемещения фундамента, прогноз которых элементарными методами механики грунтов затруднителен.

Для установления количественных зависимостей параметров деформируемости и несущей способности грунтовых оснований от горизонтальных деформаций, возникающих при прохождении волны оседания, был проведен численный анализ МКЭ.

Рассматривалось взаимодействие с основанием ленточного фундамента при деформировании основания в плоскости, перпендикулярной оси фундамента (рис. .4). В процессе подработки точки земной поверхности попадают прежде всего в область положительной кривизны (выпуклости) и горизонтальных деформаций растяжения. Радиусы кривизны при подработке измеряются тысячами метров, и на ширине фундамента 1,5-2 м кривизна никакого значения не имеет. Существенно важным являются горизонтальные деформации растяжения, снижающие вплоть до нуля горизонтальные напряжения в грунте. Наличие определенного уровня горизонтальных напряжений бх в грунтах обеспечивает выполнение условий прочности в основаниях в области действия повышенных вертикальных напряжений 6Z от давления по подошве фундамента (круг напряжений на рис. 5). Снижение напряжений бх вследствие подработки в (зоне растяжения грунтовой толщи) увеличивает радиус у круга напряжении и может привести к развитию зон предельного состояния в основании вплоть до образования сплошных поверхностей скольжения и потери устойчивости. Но '

даже и в упругой стадии деформирования растяжение грунта основания в горизонтальном направлении уменьшает величину коэффициента бокового давления, что вызовет дополнительные вертикальные осадки нагруженного фундамента.

Рис. 4. Конечно-элементная схема (а) и графики нагрузка-осадка в.зависимости от горизонтальных деформаций растяжения основания (б):

5 - задаваемые перемещения грунту основания; Р - прикладываемые нагрузки на фундамент;

6 - осадки фундамента

Рис. 5. Возникновение предельного состояния в основании ленточного фундамента в зоне растяжения: бхо - первоначальное горизонтальное напряжение; 6x1 - горизонтальное напряжение при достижении

предельного состояния; б2 - вертикальное напряжение

Механические свойства грунта, равные свойствам используемого при моделировании эквивалентного материала, таковы: модуль деформации Е = 0,6 МПа, коэффициент Пуассона V = 0,25, сцепление с = 0,9 КПа, угол внутреннего трения ф = 37°, удельный вес X = 1? кН/м3. Вследствие симметрии модели ленточного фундамента относительно вертикальной оси в расчетной схеме рассматривалась лишь половина области грунтового массива и фундамента, которые разбивались на треугольные конечные элементы.

В правой части (рис.4) приведено расчетное семейство графиков "нагрузка-осадка", полученных при различной величине горизонтальных деформаций растяжения основания в результате пошагового нагружения модели ленточного фундамента. Как видно из графиков, увеличение горизонтальных деформаций сопровождается сильным снижением жесткости основания в линейной стадии деформирования, а также снижением и предельной несущей способности. Обработка результатов расчета позволила вывести функциональные зависимости для определения коэффициента жесткости Кпод и предельной несущей способности Гипод подрабатываемого основания:

Гипол / = 1 - Ае; А - 30,3 (6)

Кпод / К = 1 - Ве; В = 42,5 (7)

где Ги, К - характеристики недеформированного основания; £ - горизонтальная деформация растяжения.

При численном анализе взаимодействия фундамента с плоской подошвой с основанием реального масштаба, были рассмотрены инженерно-геологические условия Карагандинского угольного бассейна в момент подработки в зоне растяжения грунтовой толщи.

Из изложенного следует, что горизонтальные деформации растяжения вызывают интенсивное воздействие на несущую способность и податливость ленточных фундаментов.

При анализе влияния подработки на несущую способность свай воспользуемся схемой формирования сил сопротивления по боковой поверхности, полагая, что сопротивление сдвигу х слагается из сцепления с и кулоновского трения бх (¡>, а горизонтальное давление грунта на сваю бх пропорционально вертикальному давлению бх = Т2:

(•С) = С + ¡=,Г2 (8)

где с - сцепление грунта;

Ф - угол внутреннего трения;

£, - коэффициент бокового давления грунта.

Уравнение (8) вырагкает предельную величину касательных напряжений на контакте боковой поверхности сваи с грунтом. Полная величина предельного сопротивления сваи по боковой поверхности при этом выразится следующим уравнением: н

Р6 - у (с +• £Л'2 tgq>) udZ (9)

о

где и - периметр сваи;

Н - высота сваи.

Для приближенной оценки влияния горизонтальных деформаций грунта на несущую способность одиночной сваи И.В.Носков использовал упрощенную схему взаимодействия сваи с грунтом,подробно рассмотренную ниже. Условно принимая нижний конец сваи плоским, представляя выход грунта под концом сваи в предельное состояние как' раздавливание цилиндра грунта вертикальным давлением 6±, при наличии горизонтально обжимающего давления бг, равного природному горизонтальному давлению в грунте г,тz и определяя 61, как и при'стабилометрических испытаниях, сопротивление сваи с учетом воздействия подработки определяется выражением:

Росгюд = FCS + (1 + sin <р) * (gjz - sE)/(l - sin ф)] (10)

Полная величина предельного сопротивления сваи по боковой поверхности при подработке с учетом (9) выражается уравнением: н н

Р6под - 1/2 Ко + £rztgq>)udz + 1/2 Не + (uz - sEp)tg<¡Oudz (И)

о о

И после несложных преобразований получаем суммарную несущую способность одиночной вертикально нагруженной сваи при подработке, определяемую уравнением (12):

РсвПОД - Рсв(1 - sEp/ г,гН) - Рсв(1 - Ci s) (-12)

В выражениях (9), (10), (11), (12)

s - горизонтальная деформация растяжения;

v - удельный вес грунта;

Рсв - несущая способность неподрабатываемой сваи;

с - сцепление;

Ф - угол трения;

г, - коэффициент бокового давления грунта;

и - периметр сваи;

Н - высота сваи;

F - площадь поперечного сечения;

Сj - коэффициент.

Действующие нормативные документы предусматривают определение несущей способности-куста сваи как произведение числа свай свайного куста и несущей способности одиночной сваи, вычисленной расчетным методом или при испытании. Однако теоретический и экспериментальный анализ предельного состояния одиночной и кустовой-сваи в неподработанном массиве, проведенный А.Б.Фадеевым и Э.В.Девальтовским, показывает на существенно различный механизм работы одиночной и кустовой сваи, и возможность передачи на куст свай нагрузки, превышающей нагрузку равного количества одиночных свай..

Графики "нагрузка-осадка" ; изменения горизонтальных напряжений в основании, полученные из упруго-пластического решения МКЭ (осесимметричная задача) для одиночной сваи без влияния подработки основания и при воздействии горизонтальных деформаций земной поверхности подтверждают структуру формулы (12) с коэффициентом Ci - 69,4. Однако коэффициент, Сi при решении системы "подрабатываемое основание - свайный куст" должен отличаться по значению, т.к. диапазон изменения несущей способности свай радикально снижается из-за наличия кустового эффекта.

Механизм работы свай в подрабатываемом кусте существенно отличается от работы подрабатываемой одиночной сваи. Силами трения по боковой поверхности межсвайных грунтов определенной степени "омоноличивается" со сваями, и реакция свайного куста на нагрузки приближается к реакции фундамента глубокого заложения по форме, равной "свайно-грунтовому" телу куста.

При подработке свайные кусты, в меньшей степени зависящие от сил бокового трения, чем одиночные сваи, меньше реагируют на деформации растяжения.

Для проверки вышеизложенного механизма работы свай были проведены модельные и полевые испытания на подрабатываемом осно-

вании.

Анализ работы существующих традиционных фундаментов (ленточных, отдельностоящих, призматических, конических, пирамидальных) на подрабатываемых территориях показывает, что при влиянии горных выработок традиционное фундирование зданий и сооружений не отражает оптимальный вариант взаимодействия фундаментов с деформируемым основанием.

В связи с этим были предложены новая конструкция конического фундамента и принципиально новый механизм эксплуатации конического фундамента на подрабатываемых территориях, который радикально отличается от работы традиционных видов фундаментов. Для наиболее четкого представления преимуществ предлагаемого конического фундамента произведем его сравнение с традиционным от-

дельностоящим фундаментом (гас. 6).

Ко Ь Г

Рис. 6. Графики нагрузка-осадка для конического (2), (3) и столбчатого фундамента (1), (4): с1 - диаметр фундаментов на контакте с грунтом; Гг -предельная несущая способность для столбчатого фундамента, 1?о - расчетная нагрузка на неподрабатывае-мый столбчатый фундамент; Б0 - допускаемая осадка для неподрабатываемого столбчатого фундамента; Б1 -расчетная осадка для неподрабатываемого конического фундамента при нагрузке Рх

Погружение отдельностоящего фундамента в грунтовое основание можно отразить графиком "нагрузка-осадка" (рис. 6).

При возникновении горизонтальных деформаций в результате подработки происходит уменьшение несущей способности подрабатываемого основания (кривая 4 рис. 6). При этом основание выходит

в предельное состояние при нагрузках, существенно меньших, чем в яеподрабатываемое основание (рис. б). При нагружении конического фундамента с углом острия порядка (75°-90°), площадь которого на контакте с грунтом равна площади отдельностоящего фундамента (при этом конический фундамент погружен лишь на расчетную высоту) его график "нагрузка-осадка" имеет одинаковый характер с графиком "нагрузка-осадка" для отдельностоящего фундамента только в упругой стадии деформирования основания.

При возникновении горизонтальных деформаций грунтовой толщи график "нагрузка-осадка" (кривая 3, рис. 6) имеет также на первом этапе нагружения (в-упругой части деформирования) одинаковый характер с графиком "нагрузка-осадка" для подрабатываемого отдельностоящего фундамента (кривая 4, рис. 6). При этом выход основания конического фундамента в предельное состояние реализуется на существенно более позднем этапе, чем у отдельностоящего. Это преимущество конического фундамента объясняется тем, что при возникновении горизонтальных подвижек в основании конического фундамента предлагаемая фундаментная конструкция врезается в подрабатываемое основание. Однако по мере врезания у него увеличивается площадь контакта с подрабатываемым основанием, что соответственно увеличивает пропорционально несущую способность деформируемого основания. Практически достигается оптимальная работа основания в условиях подработки. Фундамент, врезаясь в грунт, снижает нагрузки на здание и, также, при этом увеличивается несущая способность основания.

Радикальное уменьшение передачи горизонтальных усилий на здание в результате влияния подработки возможно благодаря применению шариковой постели (шва качения). Горизонтальные деформации, возникающие в результате подработки, воздействуют на фундаментную часть. Однако, наличие шва качения практически снимает воздействие горизонтальных усилий на надземную часть здания, тем самым снижаются затраты на армирование верхней части здания или сооружения. Применение двух новшеств - конической формы фундамента с определенными конструктивными и эксплуатационными параметрами, а также шариковой постели между верхней плоскостью конического фундамента и нижней плоскостью фундаментного пояса определяет принципиально новый механизм работы конических фундаментов на подрабатываемых территориях (рис. 7).

Рис. 7. Подрабатываемое здание с деформационным фундаментным швом на конических фундаментах: а) вид с фасада; б) сечение А - А;

1 - шов качения; 2 - конический фундамент;

3 - цокольный пояс; 4 - стенка здания; 5 - обратная засыпка

Анализ графиков "нагрузка-осадка" показывает, что предельная несущая способность столбчатого фундамента для конического фундамента не является предельной из-за различного механизма работы основания. Такое же различие в работе конического истолбчатого фундаментов с одинаковым диаметром на площади контакта можно наблюдать при эксплуатации этих фундаментов на подрабатываемом основании в зоне растяжения грунтовой толщи. Применение конического фундамента на подрабатываемой территории с новым принципом его эксплуатации определяет совершенно новые правила проектирования подрабатываемых оснований конических фундаментов.

При этом величина предельной несущей способности для столбчатого фундамента (с одинаковой' площадью с коническим фундаментом на контакте с земной поверхностью) является расчетной нагрузкой для конического фундамента.

С целью исследования взаимодействия конического фундамента с подрабатываемым основанием в лабораторных и полевых условиях

был проведен численный анализ с использованием МКЭ. Расчеты про-/ водились по схеме, приведенной на рис. 8. Вследствие симметрии сечения фундамента относительно ■ вертикальной оси в расчетной схеме рассматривалась лишь половина области грунтового массива и фундамента, которые разбивались автоматически яа треугольные конечные элементы с учетом сгущения сеток в местах ожидаемых повышенных градиентов.

Рассматривалось пошаговое нагружение конического фундамента на двуслойном основании с учетом подработки и без влияния горных работ.

В задаче без влияния горных работ для узлов, расположенных на правой и левой вертикальных границах области, принято отсутствие перемещений, для узлов, расположенных на нижней.границе, отсутствие вертикальных перемещений. Для учета подработки по правой границе задавались перемещения узлов в. горизонтальном направлении, которые имитировали растяжение грунта в основании конического фундамента.

На рис. 9, 10 приведены графики зависимости "нагрузка-осадка", полученные из упруго-пластического решения МКЭ '(осесиммет-ричная задача) для конического и столбчатого фундамента без влияния подработки основания и при воздействии горизонтальных деформаций земной поверхности.

Анализ графиков зависимости "нагрузка-осадка" (рис. 9,10) показывает, что врезаемость конических фундаментов в подрабатываемое основание увеличивается по мере возрастания горизонтальных деформаций растяжения. По полученным данным определяем функциональную зависимость осадки конических фундаментов при подработке :

Би - 50 (1 + 0 £) , Б - 37,8 (13)

где £ - горизонтальные деформации растяжения земной поверхности О < £ < 12*10~3,

Би, - врезание (осадка) фундамента конической формы на подработанном и неподработанном массиве.

Как видно из рис. 8, ЭВМ рисует пластическую зону при любых горизонтальных растяжениях, которая охватывает несущий слой

х

/ / / / / / / / / ^—^

АА/ / / / / / / / / /

/ / / / / / / / /

7ГЖ / /1 / / / / / / ^—

/ / / / / / /

/ / / / / /

/ / / / /

А / /1 / /

/ / / Г/ /

Ш! 1 2 3 Л 5 / / / / /

/ / / / [/

/] / / / У

/ / / / /

/ / / / А / /

1ХКI / ъ П 1 / 1 / л /

деформации; п - упруг.; е§[ - пласт.

Рис. 8. Общая конечно-элементная схема и зоны пластических деформаций при различных горизонтальных деформациях рстяжения. Зоны 1,2,3... соответствуют горизонтальным деформациям растяжения г - (0,3,6,9,12)*10~3

Рис. 9. Расчетное семейство графиков "нагрузка-осадка" моделей конического (1,3) и столбчатого (2,4) фундаментов при горизонтальных деформациях растяжения е: 1,2 - при £ = 0; 3,4 - при е - З*10~3

О ' 25 50 75 100 ЕкН

Рис. 10. Расчетное семейство графиков "нагрузка-осадка" конического (1,3) и столбчатого (2,4) фундаментов в натурных условиях подработки при горизонтальных деформациях растяжения'в: 1,2 - при е - 0; 3,4 -при е - 2*10~3

грунта под фундаментом, при этом выпора грунта не наблюдается.

Сравнительный анализ графиков "нагрузка-осадка" показывает, что действительно, предельная несущая способность столбчатого фундамента для конического фундамента не является предельной. Такое же различие в работе конического фундамента и столбчатого фундаментов с одинаковым диаметром на площади контакта грунтовой толщи можно наблюдать при эксплуатации этих фундаментов на подрабатываемом основании в зоне растяжения.

Полученные результаты подтверждают основные положения о работе конических фундаментов на подрабатываемом основании.

Из изложенного следует, что МКЭ является одним из перспективных методов решения совместной работы системы "Основание-фундамент" и его современный математический аппарат представляет возможность получить закономерность влияния подработки на несущую способность и податливость подрабатываемых оснований конических фундаментов зданий и сооружений.

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Третья глава посвящена методике моделирования работы ленточных,. ^отдельных, свайных, конических фундаментов; зданий и результатам проведенных модельных исследований. Моделями ленточных фундаментов служили штампы длиной 25 см, шириной 5 см, а отдельных фундаментов - штампы размерами 6*6 см. Модели свайных кустов представляли собой круглые стальные стержни диаметром 10 мм, длиной 200 мм, объединенные жестким ростверком (ростверк на грунт не опирался)

Схемы забивки свай соответствовали принятым количествам свай в кусте. Модели конических фундаментов представляли собой металлический конус, угол врезаемой поверхности которого находился в диапазоне 70°-100°. Выбор различного угла врезания обосновывал определение оптимального угла врезания в подрабатываемое грунтовое основание. Диаметр подушки конусных фундаментов, использованных в эксперименте равнялся й = 50мм, 60мм, 70мм, 80мм.

Материалом модели служила смесь, состоящая из 97% мелкого кварцевого песка и 3% веретенного масла. Линейный масштаб моделей и натурных фундаментов определялся соотношением прочностных свойств (сцепления) исследуемых разновидностей грун-

тов и равен 1 : 40.

Модельные исследования производились на плоском и специально разработанном объемном; радиаяьно-объемном стендах, предназначенных для расширения имитационных возможностей путем обеспечения сложной комбинации деформаций модели основания.

Были проведены следующие испытания:

а) испытания ленточных и отдельных штампов, свайных и конических фундаментов на грунтовом основании без влияния подработки;

б) испытания фундаментов на основании, предварительно деформированном в одном горизонтальном направлении до величины

8 = (З;б;9;12;15;20)*10~3;

в) испытания фундаментов на основании, которое претерпело предварительно горизонтальные деформации растяжения £ = (3; 6;9; 12;15;20)*10-3 и возвращено в исходное состояние (е - 0, имитация плоского дна мульды);

г) наблюдение за врезанием ранее статически нагруженных моделей ленточных и отдельных фундаментов по мере подработки основания;

д) испытания фундаментов на основании при различных циклах деформирования грунтовой толщи: 1) е - 0, г =■ б*1СГ3, е = О, £ = 5*10~3, £ = 0, £ = б*10~3, £ = 0, 2) £ » 0, £ = 3*10~3, £ - 0, £ » 6*10~3, н - 0, е - 9*ю_3, г - о, т.е. имитация влияния многократной подработки на несущую способность и податливость оснований фундаментов;

е) испытания ряда квадратных штампов размерами 6*6 см, образующих в суше несвязанную полосу, на неподрабатьшаемом основании и последовательное растяжение грунта вдоль полосы до деформаций е - 20*Ю_3;

ж) испытания ряда квадратных штампов, объединенных связями в нерастяжимую полосу, на неподрабатьшаемом основании и поэтапное растяжение грунта вдоль полосы до деформации £ = 20*10~3

з) испытание тензометрической балки на конических фундаментах.

В модельных испытаниях серий "е", "ж", исследовалось влияние армирующего эффекта ленточной полосы при деформациях растяжения вдоль полосы, в серии "з" изучалась эффективность фундаментного шва качения.

В результате обследования грунтовых моделей было обнаружено возникновение трещин при деформациях растяжения £ > Змм/м, их

раскрытие на глубину 10-18 см при деформациях порядка s * 10-12 мм/м, закрытие при переходе в зону сжатия и вновь раскрытие некоторых из сформировавшихся трещин при переходе точек поверхности в плоское дно мульды.

Экспериментальное значение максимальной величины раскрытия трещин близко к теоретической величине, определенной по формуле (4). На поверхности модели шаг трещин Вт составил при горизонтальных деформациях 10-19 мм/м около 10-12 см. Расстояние между вертикальными трещинами Вт приблизительно равно глубине их развития 2пред.

Горизонтальные напряжения в верхнем слое грунта снижаются до нуля при е - Епред» а ниже уровня гг,ред напряжения снижаются до величины, близкой к теоретическому значению, определенному по формуле (3).

Полученные лабораторно-зкслериментальные зависимости "нагрузка-осадка" (рис. 4) подтверждают теоретический вывод о существенном влиянии деформаций растяжения на несущую способность и деформируемость оснований под действием вертикальных нагрузок от фундаментов. Снижение горизонтальных напряжений вследствие подработки может привести (согласно анализа МКЭ и результатов модельных испытаний) к потере устойчивости основания. Качественная ' и количественная близость теоретических и экспериментальных графиков очевидна, для их описания могут быть использованы те же формулы (6) и (7). Расхождение в коэффициенте А составляет 15Z, в В - 10% (табл.1).

Дискретный характер деформаций подрабатываемого массива обусловил определенный разброс показателей деформируемости основания под нагрузкой, представление о котором можно составить из рассмотрения графиков "нагрузка-осадка" при различных горизонтальных деформациях, приведенных на рис. 11. Кривыми 1 и 2 ограничен разброс экспериментальных графиков s - f(F), полученных при указанных значениях горизонтальных деформаций. Критическими деформациями можно считать деформации растяжения s - 9*10~3, т.к. начиная с этой величины существенно начинается неравномерное влияние трещин на несущую способность и податливость подрабатываемых оснований.

Экспериментально также установлено (серии "б", "г"), что величина осадки штампа не зависит от последовательности нагруже-ния и деформирования основания. Этот установленный факт дает

возможность прогнозировать врезание фундаментов при подработке застроенных территорий путем проведения кратковременных штам-по-опытов на деформированных грунтах оснований и позволяет, таким образом, избежать постановки длительных штамповых испытаний, охватывающих весь период подработки.

О 20 4-О во 80 ¿оо i20 /м НИ

Рис. 11. Графики "нагрузка-осадка" моделей отдельностоящих

фундаментов при горизонтальных деформациях основания: е = 9 мм/м.

В результате испытаний (серии "а", "б") были получены эмпирические зависимости типа (6), (7) с соответствующими коэффициентами Айв (табл. 1) для определения Рипод , Кпод подрабатываемых оснований отдельных фундаментов от деформаций растяжения а. Следует отметить, что безразмерные коэффициенты А и В для ленточных и отдельных фундаментов практически одинаковы - расхождение около 10%.

Коэффициент жесткости основания вертикальной нагрузке К основания связан с коэффициентом жесткости при разгрузке соотношением:

К = аКраэ, (14)

где л для отдельных фундаментов изменяется в пределах 0,2-0,033, для ленточных фундаментов - в пределах 0,2-0,02, уменьшаясь по мере возрастания грунтов оснований.

Результаты проведенных испытаний серии "в" показали, что несущая способность подработанных оснований моделей отдельных фундаментов снижается на 5-10%, а коэффициент жесткости уменьша-

Таблица 1.

Сравнение коэффициентов А и В формул (6) и (7).

Безразмерные | МКЗ коэффициенты !

модельные испытания

плоскии стенд

объемный стенд

Полевые штамповые испытания

1

3

4

Ленточный фундамент

Отдельный фундамент

Ленточный фундамент

Отдельный фундамент

30,3

45,2

38,0

49,5

26,2

31,2

46,2

40,5

35,0

47,0

2

ется на 10-15%. При моделировании ленточного фундамента эти характеристики снизились, соответственно, на 10-15 и 10-20%. Отмеченное 'обстоятельство имеет важное значение при решении вопросов о застройке ранее подработанных территорий и должно, в частности, учитываться при планировании сроков инженерных изысканий таких территорий.

Модельные испытания (серия "д") показали, что при повторных подработках эффект снижения жесткосгных характеристик и несущей способности основания повторяется, но не суммируется.

Наблюдения в серии "е" показали, что податливость основания штампов, уложенных в несвязанную ленточную полосу, увеличивается одинаково по всей длине полосы (рис. 12) и полоса штампов не приобретает кривизны в вертикальной плоскости.

Рис. 12. Эпюры врезания ленточного ряда штампов без армирующего (а) и с армирующим (б) эффектом. Кривые 1, 2, 3, 4, 5, в, 7 соответствуют горизонтальным деформациям растяжения s = (0,3,6,9,12,15,20)*10~3

Если же штампы связаны в гибкую полосу (серия "ж"), то армирующее влияние ленточной нерастяжимой полосы в наибольшей степени •оказывается в средней части полосы (рис. 12). Дополнительная податливость ленточных полос по отношению к вертикальной нагрузке обусловлена возможностью расширения грунта вдоль длинной оси полосы. В разных точках под нерастяжимой полосой деформации грунта оказываются разные (а именно, под краевыми частями больше, а под серединой - меньше): при этом и податливость основания в краевых частях полосы возрастает больше, чем в середине. Этот факт даже при отсутствии кривизны основания создает предпосылки для искривления здания в вертикальной плоскости, так как коэффициент жесткости краевых частей основания ленточной нерастяжимой полосы снижается в большей степени, чем центральной.

Проведенные свайные испытания в серии "а" показали, что поведение свайного куста носит сложный характер и зависит от горизонтальных деформаций и толщи грунтов и параметров куста. Несущая способность свайных кустов на подрабатываемых основаниях уменьшается по мере увеличения горизонтальных деформаций растяжения грунтовой толщи по сравнению с несущей способностью исследуемых свайных кустов на неподрабатываемом основании.

Относительное снижение несущей способности свайных кустов по сравнению с неподрабатываемым основанием при различных деформациям растяжения грунтовой толщи приведено в табл. 2.

По результатам исследований была получена эмпирическая зависимость (15) для определения несущей способности свайных кустов в процессе подработки основания.

F = Р0 (1 - C2*s); С2=56,4

(15)

где Р - несушая способность свайных кустов с учетом подработки основания;

Р0- несущая способность свайных кустов без учета подработки основания;

£ - горизонтальные деформации растяжения основания.

Таблица 2.

Снижение несущей способности одиночной сваи и свайных кустов на подрабатываемом основании

1 | Горизонтальные | деформации | £ * 1СГ3 0 з ! б I 9 1 12 |

¡Несущая |способ-| ность Одиночная свая 1 0,8 | 0,6 | 0,4 0,36 |

свайные | 2*2 1 0,79 ( 0,7 1 0,64 0,45 |

кусты | I 3*3 1 1 0,78 ( 0,73 ( 0,67 0,49 |

1 1 | 4*4 1 0,79 ! 0,74 | 0,59 0,52 | 1

Несущая способность одиночной сваи; свайных кустов на ке-подрабатываемом основании условно принято за 1.

Выражение (15) подтверждает структуру формулы (12) и теоретические предпосылки работы свайных кустов на подрабатываемой грунтовой толще. Анализ результатов проведенных исследований демонстрирует ясно тот факт, что коэффициент снижения несущей способности одиночной сваи больше, чем у свайных кустов при растяжении толщи грунтов. Этому явно препятствует армирующий эффект кустовых свай в межсвайной грунтовой толще.

В сериях "а", "б" по отношению к коническим фундаментам для сравнения механизма работы конического фундамента и традиционного столбчатого фундамента были использованы для экспериментов штампы идентичных диаметров с коническими фундаментами на контакте с грунтовой толщей. При этом было предусмотрено начало испытания моделей конических фундаментов на грунтовом основании с

величиной врезания, которая равна 0,75 К; 0,5!?; где & - радиус фундаментной подушки (оставшаяся часть конического фундамента находится на дневной поверхности). Надо особо отметить, что при этом диаметры на контакте с грунтом у конического фундамента и штампа (имитирующего столбчатый фундамент) равны.между собой.

Модельные исследования показали, что несущая способность конических фундаментов повышается с увеличением диаметра подушки. Причем наиболее оптимальной глубиной "предварительного" внедрения конического фундамента является глубина, равная половине радиуса подушки. Исследования показали, что при таком начальном эксплуатационном погружении фундамента четко выявляется характер врезания конструкции в толщу грунта, при котором несущая способность возрастает прямо пропорционально врезке конических фундаментов.

Кроме того, экспериментальные исследования показали, что несущая способность и осадка моделей конического и столбчатого фундаментов одинаковы в упругой стадии деформирования.

Однако при дальнейшем увеличении нагружения моделей фундаментов несущая способность и врезаемость конического фундамента увеличивается из-за увеличения контакта с грунтовой толщей, что Не наблюдается у столбчатого фундамента.

Такую сравнительную картину работы конических и столбчатых фундаментов можно наблюдать и на подрабатываемых основаниях с идентичным преимуществом конических фундаментов. Также необходимо отметить, что предельная несущая способность конических фундаментов при данном принципе эксплуатации практически не достигается, так как по мере врезания фундамента растет- его несущая способность. Это объясняется тем, что по мере врезания фундамента в грунтовую толщу увеличивается поверхностная площадь контакта с грунтом с одновременным уплотнением окружающего грунтового массива. Следует зафиксировать и обратную картину - повышение несущей способности сопровождается дополнительной Ерезкой фундамента в грунт. Это обстоятельство благоприятно отражается на взаимодействии здания с подрабатываемой грунтовой толщей. Врезание конических фундаментов снижает нагрузки на надземные конструкции сооружений. Указанное обстоятельство необходимо учитывать при строительстве зданий на подрабатываемых территориях. Проведенные модельные исследования определили программу дальнейших полевых исследований в натурных условиях.

При рассмотрении совместной работы системы "сооружение-основание" здание /сооружение/ было приведено к одномерной балочной схеме (серия "з"). Балочная модель здания была представлена специально разработанной тензометрической балкой, конструкция которой имела конечную изгибную жесткость равную 1.7*1О7 Н*см2, и позволяла замерять контактные нормальные давления по ее подошве, фиксировать осадку (врезание) различных частей модели здания (рис. 13).

Балка 1 опиралась на конические фундаменты 2 - через шариковую постель, расположенную на четырех опорных плитах диаметром, равным 60 мм, которые передавали контактные нормальные давления, посредством стальных ножек 4, на измерительные балочки 3, с нак-лееными на них тензодатчиками. Перед проведением эксперимента, каждая из семи измерительных балочек была подвергнута тарировка.

Фундаменты были выполнены конической формы с обращенной вниз вершиной, угол при которых составил 90°, и при этом конструкция фундамента частично заглублена на 0,6 высоты конуса (Ь=40 мм) в грунтовую толщу основания таким образом, что действующая нагрузка при распределении по площади на расчетном уровне является предельной для фундамента с плоской подошвой такой же площади. Нагрузка на балку представлялась через чугунные пластины, посредством наложения их на балку, а величины осадок (врезаний) различных частей балочной модели здания и горизонтальные смещения балки замерялись индикаторами часового типа 5, закрепленными, соответственно, с двух сторон на каждом из четырех фундаментов, причем крайние дополнительно в торцевой части с опиранием на балку.

Серии экспериментов с- балочной моделью здания проводились по следующей методике: на предварительно подготовленное модельное основание устанавливалась тензометрическая балка. Выводы системы тензодатчиков балки соединялись через блок коммутации с блоком измерений цифрового тенвометрического моста (ЦТМ-5).

Модель нагружалась пластинами из чугуна до достижения величины удельного давления под подошвой Р = 2,42 Н/см2. При этом снимались показания тензодатчиков и фиксировалась величина осадок (врезания) различных частей балки. Затем грунту основания задавались циклические горизонтальные деформации растяжения по возрастающей и на каждом шаге деформирования 8 = 3-, 6; 9; 12 мм/м; снимались показания тензодатчиков, а также величины осадок (врезания) модели здания.

Ло этим показаниям строились эпюры реактивного отпора грунта (контактных нормальных давлений) и осадок балочной модели здания в зависимости от величин относительных горизонтальных деформаций растяжения подрабатываемого основания (рис. 14).

Лабораторные исследования совместной работы системы "сооружение - основание" при развитии в основании здания, представленного тензометрической балкой, горизонтальных деформаций растяжения, позволили провести следующий анализ. Распределение нормальных контактных давлений во всех опытах проведенных серий с тензометрической балкой до здания грунту основания деформаций растяжения, то есть при е = 0 мм/м, замеренное в четырех точках фундаментов тензобалки, в среднем приближается к величине Р=2,42 Н/см2 и близко к равномерному, а средняя осадка тензометрической балки составляет величину порядка Б = 0,021 см.

Анализ же результатов проведенных серий экспериментов с моделью здания в виде тензометрической балки показывает, что при нарастании величин горизонтальных деформаций растяжения £ основания происходит плавное равномерное врезание конических фундаментов при этом реактивный отпор грунта остается постоянным (рис. 14). Это обстоятельство говорит о том, что при врезании конического фундамента в грунтовую толщу у него увеличивается плошздь контакта с подрабатываемым основанием, что является причиной постоянности несущей способности и деформируемого основания, а наличие деформационного шва качения практически полностью устраняет передачу горизонтальных усилий, возникающих при подработке на верхнюю часть здания.

Проведенные модельные исследования показали, что здания и сооружения, включающие в себя специальную конструкцию фундамента конической формы и деформационный шов, расположенный между жестким цокольным поясом и фундаментом, полностью устраняют горизонтальные усилия, возникающие при горизонтальных деформациях растяжения грунтового массива. Несущая способность основания конического фундамента с зафиксированным весом здания не изменяется в зависимости от горизонтальных деформаций растяжения при определенном расположении его в грунте по мере врезания в подрабатываемую толшу.

Проведенные модельные исследования определили программу дальнейших полевых исследований.

Рис. 13. Схема модельной тензометрической балки

[Е1 ] =1. 7-10*Ц/сн£ q=2.7 Н'см

Рис. 14. Эпюры осадок (врезания) модельной балки, реактивного отпора грунта.

Прямые 1,2,3... соответствуют горизонтальным деформациям растяжения е - (0,3,6,9,12)*1СГ3

ГЛАВА 4

В четвертой главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований работы фундаментов в полевых условиях; фрагментов зданий и сооружений на подрабатываемых территориях и данные обследования реальных объектов Карагандинского угольного бассейна.

Для подтверждения результатов численных и модельных исследований были проведены полевые эксперименты на основаниях, подвергающихся реальной подработке. Эксперименты проводились на подрабатываемой территории шахт "Сокурская", N22, на поле шахты имени 50 летия СССР Карагандинского угольного бассейна.

Инженерно-геотехнические исследования на этом пятне были выполнены до влияния подработки и на различных стадиях сдвижения и включали в себя: отбор монолитов для изучения физико-механических свойств грунтов в лаборатории; штампоопыты; испытания свайных и конических фундаментов и фрагмента здания на конических и ленточных фундаментах; анализ результатов наблюдений за реально подрабатываемыми зданиями.

В геологическом строении участка принимают участие делюви-ально-пролювиальные песчано-глинистые отложения четвертичного возраста и элювиальные образования по среднеюрским отложениям, представленные суглинками, глинами и супесями. Подземные воды до глубины 6,0 м не вскрыты. Следует отметить, что каких-либо существенных изменений физико-механических свойств грунта вследствие подработки при лабораторных испытаниях замечено не было.

Для изучения деформируемости грунтовых образцов под действием вертикальной нагрузки при возникновении горизонтального растяжения нами был разработан специальный стабшгометр компрессионного типа, позволяющий давать нагруженному образцу то или иное боковое расширение.

Данные испытаний на этом приборе показывают, что вертикальный ("кажущийся") коэффициент сжимаемости тука* по мере увеличения горизонтальных деформаций растяжения увеличивается, а истинный коэффициент объемной сжимаемости шуист при влиянии подработки снижается. Это снижение объясняется дилатацией образца.

Штамповые испытания на различных стадиях сдвижения грунтовой толщи состояли из 3-х серий. Первая серия включала в себя штампоопыты до подработки; вторая серия - штампоопыты во время

первичной подработки в зоне растяжения грунтовой толщи; третья -штампоопыты при первичной подработке в зоне сжатия.

Деформации земной поверхности, вызванные подработкой, вычислялись по перемещениям грунтовых реперов, установленных по сетке 3*3 м с глубиной заложения 1,5 м.

Результаты проведенных экспериментов показывают, что коэффициент жесткости основания при его вертикальном нагружении Кн связан с коэффициентом жесткости при его разгрузке Краз зависимостью (14). При полевых испытаниях величина ос изменяется в пределах 0,21-0,09. Коэффициент жесткости при нагружении уменьшается по мере увеличения горизонтальной деформации растяжения грунтовой толщи, а коэффициент жесткости при разгрузке практически остается постоянным и не зависит от степени деформирования основания, как это наблюдалось и при моделировании.

Анализ послойных деформаций грунтов под штампами показал, что дополнительные осадки при подработке развиваются преимущественно в верхних слоях основания.

На рис. 15 приведены значения величин Рипол/Ти и КПод/К, полученные при полевых шташовых испытаниях. Там же нанесены результаты лабораторных испытаний и графики, соответствующие уравнениям (6), (7). Экспериментальные точки, полученные в полевых условиях, достаточно близки к графику, построенному по результатам -.численных и лабораторных исследований. Указанная близость позволяет считать формулы (6), (7) пригодными для прогноза характеристик подрабатываемых оснований в реальных условиях.

Полевые испытания свайных кустов включали в себя также проведение двух серий экспериментов .1. Испытание одиночной сваи и свайных кустов 2x2; 3x3 на недсформированном массиве.

2. Испытание одиночной сваи и свайных кустов 2x2; 3x3, при подработке территории экспериментальной площадки.

В первой серии полевых экспериментов сваи забивались в грунт, после отдыха проводились статические испытания до потери несущей способности. По данным испытаний строились графики нагрузка-осадка и определялась несущая способность сваи в недефор-мируемом массиве.

После проведения первой серии проводились наблюдения за смещением грунтовых реперов во время прохождения волны подработки.

Рис. 15. График соотношений Funo,s/Fu, КПОд/К в зависимости от горизонтальных деформаций растяжения по результатам численных, модельных и полевых исследований: ( • - численные;«,«» - модельные; - полевые)

При достижении максимальных горизонтальных деформаций растяжения проводилась вторая серия экспериментов по методике, аналогичной проведению испытаний первой серии.

Для проведения полевых испытаний были выбраны трубчатые сваи с закрытым нижним концом диаметром 108 мм, позволяющие-получить представительные результаты при минимальных усилиях .вдавливания. В свайном кусте расстояние между сваями равнялось 3d, где d - диаметр сваи, как в модельных испытаниях.

Проведенные полевые испытания подтверждают результаты модельных экспериментов об изменении несущей способности вертикально нагруженной сваи и свайного куста в зависимости от степени горизонтальных деформаций растяжения основания, вызванных его подработкой.

Различные эмпирические коэффициенты свидетельствуют о существенном отличии работы свай в кусте и одиночной сваи на подрабатываемом основании. 4 -

Полевые эксперименты с коническими фундаментами в-натурных условиях планировались проводить в двух направлениях. Первое направление - изучение зависимости врезания фундамента конической формы и столбчатого фундамента от величины горизонтальных .деформаций растяжения земной поверхности. Второе направление -изучение перераспределения эпюр реактивного отпора грунта по подошве фундамента здания; определение характера и величины его осадок (врезаний). Второе направление планировалось реализоваать

на основе модели здания, приведенного к одномерной балочной схеме и фрагмента здания экспериментального'типа (рис. 16).

Для района расположения площадки характерно следующее напластование: 1 - растительный слой, 2 - супеси бурые, карбонатные с песками мелкой и средней крупности (мопщостью слоя 0,3-1 м), 3 - суглинки светло-серые (мощность слоя 4-6 м). Инженерные геологические изыскания на этом полигоне были проведены в. полном объеме до влияния подработки. Для решения поставленной задачи по первому направлению проводились две серии испытаний первая серия - испытания фундаментов до подработки; вторая серия - испытание во время подработки, в зоне растяжения грунтовой толщи.

Деформации земной поверхности, вызванные подработкой, вычислялись по перемещениям грунтовых реперов, установленных по сетке 3 х 3 м с глубиной заложения 1,5 м. При разбивке сетки каждый опытный участок находится внутри одного из трехметровых интервалов сетки грунтовых реперов. Удельная нагрузка на испытуемые фундаменты передавалась при помощи металлических слябингов массой, равной 10 кН. Осадки фундаментов измерялись прогибомерами, расположенными в крайних точках по оси, проходящей через центры испытуемых фундаментов. Глубина установки фундаментов находилась на уровне Ь = 0,5 м. Для сравнения механизма работы подрабатываемых оснований фундаментов под вертикальной нагрузкой были взяты конический фундамент диаметром (на площади контакта с грунтом) с!=0,56м и штамп (имитирующий столбчатый фундамент) с идентичным диаметром. Угол раскрытия конуса равнялся 90° (этот оптимальный угол был определен при помощи модельных испытаний. Стартовая глубина погружения конического фундамента перед его испытанием равна половине радиуса подушки конического фундамента (рис. 23). Для изучения взаимодействия фундаментов сооружения с подрабатываемым основанием (по второму направлению исследований) проводились полевые испытания балки - здания на конических фундаментах длиной 7,2 м с постоянной конечной жесткостью равной [Е1]=4*102 Н*см2 и фрагмента здания с, размерами 7,2 х 7,2 м на подрабатываемом основании. Между верхней плоскостью подушек конических фундаментов и нижней плоскостью балок устанавливалась шариковая постель для снятия горизонтальных усилий от влияния деформаций земной поверхности. Для испытания фрагмента здания отрывался котлован высотой 11 = 0,5 м и размерами в плане 18 х 6 м.

Для передачи нагрузки был выполнен специальный короб разме-

рами 7 х 7 м для загрузки его монолитным материалом. Нагрузка на балку-здание и фундамент здания достигала величины предельной нагрузки на столбчатый фундамент, которая определялась согласно экспериментальных испытаний (по первому направлению). После наг-ружения балки - здания и фрагмента здания на конических фундаментах до подработки (стартовое положение конических фундаментов идентично экспериментам по первому направлению исследований), велось наблюдение за их поведением при влиянии подработки в зоне растяжения грунтовой толщи. При этом изменение реактивного отпора грунта фиксировалось при помощи струнных динамометров, установленных в пазах верхней подушки конических фундаментов; осадки (врезания) контролировались при помощи индикаторов часового типа.

Рис. 16. План конических фундаментов фрагмента здания:

1-1 - вид конического фундамента со струнным динамометром, 1 - струнный динамометр ДС - N17; 2 -специальный паз; 3 - конический фундамент

Данные натурных испытаний штампа (имитирующего работу столбчатого фундамента) и конического фундамента (рис.10) показали, что в упругой стадии работы грунтового основания зависимость осадки от нагрузки одинаковая для обоих видов фундаментов (т.к. стартовые площади нагружения эквивалентны и равны А = яс12/4, где й - диаметр конического и столбчатого фундамента на уровне дневной поверхности грунтового основания). При дальнейшем увеличении нагрузки характер деформирования оснований испытуемых фундаментов радикально отличается друг от друга. Это объясняется тем обстоятельством, что при врезаемости фундамента конической формы одновременно увеличиваается несущая способность основания из-за прямопропорционального увеличения площади кон-

такта с грунтом (рис. 10). В традиционном столбчатом фундаменте (штампе) такого явления не наблюдается из-за постоянной площади

Все эти свойства повторяются и при испытании вышеуказанных фундаментов в зоне растяжения грунтовой толщи (рис. 10). Это обстоятельство еще раз подтверждает данные теоретических предпосылок и модельных исследований, . а также отражает принципиально новый механизм работы конических фундаментов на подрабатываемых территориях.

Результаты испытаний по второму направлению исследований показывают, что эпюра реактивного отпора грунта до влияния подработки и во время влияния подработки (в зоне растяжения грунтовой толщи) не изменяется. Это обстоятельство говорит о том, что шов качения практически полностью снимает влияние горизонтальных деформаций растяжения грунтовой толда на верхнюю часть здания '(рис. 17).

ИПНМ1ННППи'

о

о.г

0.6 о.» 5,см

о.о о.г с.г

0.5

5о о

1

---- 1— — - — — — —

1

1

■■41"

— — ' .«Щ ц

лл

Рис. 17. Эпюры реактивного отпора грунта и осадок по длине балки-здания при е - 1,9 мм/м:

1 - до подработки, е = 0;

2 - в зоне растяжения, е - 1,9 мм/м

Эмпирическое выражение для определения осадок конических фундаментов получено в полевых условиях подработки:

Эц = Б0 (1 + Бе)

(16)

где 30 - осадка конического фундамента;

О - эмпирический коэффициент, равный 35,7; е - горизонтальная деформация растяжения, 0 < £ < 12*1 СГ3.

Эта формула (16) подтверждает структуру функционального выражения, найденного в результате модельных испытаний. Натурные испытания подтвердили эффективность использования шаровых опор, которые существенно уменьшают влияние горизонтальных усилий на верхние конструкции зданий. Комбинация двух новшеств (стартовая коническая форма и шариковая постель) определяют новый механизм работы конических фундаментов на подрабатываемых территориях.

В четвертой главе■ также представлены результаты натурных исследований, проведенных на территории Карагандинского угольного бассейна на экспериментальных установках - специальных балках, моделирующих работу зданий длиной 18 м при влиянии деформаций на поле шахты им. 50 летия СССР, обусловленных выемкой угольных пластов. Кроме этих исследований проводилось также обследование ряда зданий с целью установления армирующего эффекта ленточных фундаментов, которое заключалось в определении и сравнении кривизны зданий при подработке с кривизнбй земной поверхности.

По результатам инструментальных наблюдений за опытными балками до и в процессе подработки построены эпюры реактивного отпора грунта и осадок (врезаний) экспериментальных балок. Анализ графиков осадок балки показывает, что наблюдается ее выгиб за счет большего врезания в грунт краевых частей балки, чем центральной.

Это обусловлено неравномерным изменением деформативности грунта в основании балки, снижением в большей степени коэффициента жесткости основания под краями экспериментальной балки за счет горизонтальных деформаций растяжения земной поверхности е = З*10_3.

Полученная картина эпюр реактивного отпора при подработке показывает, что наблюдаются перераспределение реактивного отпора грунта; снижение контактных давлений под краями балки.

Результаты проведенных исследований поведения зданий в Карагандинском угольном бассейне показали наличие "армирующего эффекта", а именно позволили зафиксировать дополнительные искривления зданий на ленточных фундаментах от величины горизонтальных деформаций растяжения основания.

Результаты экспериментальных исследований использованы в предложенной методике учета горизонтальных деформаций основания яри прогнозе работы фундаментов зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОСНОВАНИЙ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

В пятой главе приводится комплексная методика определения несущей способности и коэффициента жесткости подрабатываемых оснований ленточных, столбчатых и свайных фундаментов в зависимости от горизонтальных деформаций земной поверхности. Конкретные функциональные выражения позволяют прогнозировать изменение основных строительных свойств подрабатываемых оснований. Для оптимальной фундаментной конструкции конической формы разработана методика определения осадок в результате влияния горизонтальных деформаций растяжения грунтовой толщ. Также в этой главе приводятся методические указания по проведению исследований при помощи комплекса новых геотехнических приборов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

На основании результатов комплексных исследований работы фундаментов на подрабатываемых территориях, направленных на создание теоретических и экспериментальных основ проектирования подрабатываемых оснований,' можно сделать следующие заключения:

1. На-основе сочетания результатов численных, модельных и полевых исследований подрабатываемых оснований получены функциональные выражения для определения несущей способности и податливости основания ленточных, отдельных, свайных и конических фундаментов в зависимости от горизонтальных деформаций грунтовой толщи,которые легли в основу разработанной методики проектирования основания в результате воздействия подработки.

2. Основное влияние на изменение несущей способности и жесткости характеристик подрабатываемых оснований оказывает изменение напряженно-деформированного состояния грунтовой толщи под воздействием горизонтальных деформаций, возникащих в ре-

зуЛЬ'Та,тё ПОДрйООШКИ.

3. Снижение коэффициента жесткости при нагружении и. уменьшение несущей способности подрабатываемых оснований ленточных, отдельных и свайных фундаментов тем значительнее, чем больше горизонтальная деформация растяжения грунтов.

4. Полевые и модельные, штамловые испытания показали, что коэффициент жесткости при разгрузке не зависит от степени и от кратности подработки оснований.

5. Величина врезки ленточного и отдельностоящего фундаментов не зависит от последовательности нагружения и подработки основания.

6. Экспериментально доказано влияние армирующего эффекта нерастяжимой полосы при растяжении основания вдоль длинной оси фундамента, при этом зафиксирована большая врезка краевых, частей фундамента, чем в средней как при первичной, так и при повторной подработке - этот факт даже в отсутствии кривизны основания создает предпосылки для искривления здания в вертикальной плоскости, так как коэффициент жесткости краевых частей основания ленточной полосы снижается в большей степени, чем центральной.

7. При повторной подработке эффект снижения жесткостных характеристик и несущей способности повторяется, но: не суммируется. . .

8. Проведенный анализ изменения напряженно-деформированного состояния грунтовой толщи в процессе подработки позволил объяснить закономерность образования и предельную глубину раскрытия трещин в массиве грунта.

9. Для исследования поведения системы "фундамент-подрабатываемое основание" целесообразно использовать метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет определять несущую способность, коэффициент жесткости фундаментов и рассчитывать напряженно-деформированное состояние системы "фундамент-основание" с произвольными граничными условиями, рассматривая систему как единое целое.

10. Разработанные стенды для моделирования деформаций оснований расширяют диапазон моделируемых явлений, близких к натурным условиям подработки фундаментов зданий и сооружений и позволяют изучить механизм взаимодействия фундаментов с подрабатываемым основанием.

11. Механизм работы свай в подрабатываемом свайном кусте

отличается от работы подрабатываемой одиночной сваи из1за армируемого эффекта грунта свай в кусте.

12. Апробированная принципиально новая конструкция конического фундамента зданий и сооружений при наличии шва качения компенсирует влияние горизонтальных деформаций растяжения без ущерба верхних конструкций зданий и сооружений.

13. Разработанный стабилометр компрессионного типа позволяет повысить надежность лабораторных экспериментов при изучении механических свойств подрабатываемых грунтов.

14. Предлагаемые методики проектирования подрабатываемых оснований и комплекс геотехнических приборов можно использовать при исследовании работы фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях.

15. Главное достижение предлагаемой разработанной комплексной методики определения несущей способности, коэффициента жесткости подрабатываемых оснований фундаментов - это возможность прогнозирования изменения несущей способности и жесткости основа-ний.в процессе подработки (в зоне растяжения массива), что существенно важно при расконсервации угольных запасов без ущерба зданий и сооружений в зоне горных выработок.

. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

'1. Жусупбеков A.S., Фадеев A.B., Базаров Б.А. Фундамент на подрабатываемой территории. Роспатент на изобретение N 2015250, опубликован в Б.И. N12 от 30.06.1994 (патентообладатель Жусупбеков А.Ж.).

2. Жусупбеков А.Ж. Полевые исследования несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований. - В кн.: Способ устройства фундаментов и подземных этажей в условиях слабых и мерзлых грунтов: Межвуз.,темат.сб.тр.- Л.: ЖСК, 1984. С. 65-71.

3. Жусупбеков А.Ж.. Позднякова 3.И. Методика определения несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований ленточных и отдельных фундаментов. - В сб. докладов к научно-технической конференции "Прогрессивные конструкции фундаментов и методы производства работ". -Оренбург, 1986. С. 59-61.

4. Жусупбеков А.Ж., Позднякова З.И. Принцип проектирования фундаментов на подрабатываемом основании.- В сб. трудов региональной конференции по механике грунтов и фундаментостроению "Геотехника Поволжья-3".-Казань: КазИСИ, 1986. С. 89-91.

5. Жусупбеков А.Ж. Строительные свойства оснований фундаментов сооружений на подрабатываемых территориях. -Алматы, Гылым, 1994. - 166 с. (монография).

6. Жусупбеков А.Ж.Дунисов Т.О. Методика определения несущей способности свайных кустов на подрабатываемом основании. - В кн.: Тезисы докладов Второго Всесоюзного совещания-семинара "Механизированная безотходная технология возведения свайного фундамента из

свай заводской готовности".- Владивосток, 1988. С. 108- 110.

7. Жусупбеков А.Ж., Байтасов Т.М. Оценка влияния горизонтальных деформаций подрабатываемых оснований расчетные осадки фундаментов зданий и сооружений. - В кн.: Сб.тр. института ВНИ-МОСП им.Н.М. Герсеванова, выпуск 92 "Основания и фундаменты" -Москва, 1989. С. 93-99.

8. Жусупбеков А.Ж.. Базаров Б.А. Моделирование работы фундаментов при влиянии горизонтальных карстовых деформаций. - В кн.: Сб. тр. Всесоюзного совещания "Противокарстовая ващита объектов строительства".- Куйбышев, 1990. с. 127-129.

9. Жусупбеков А.Ж.. Фадеев A.B., Базаров Б.А. Способ устройства свайных фундаментов конусообразной формы на подрабатываемых территориях. - В кн.: Сб. тр. II Всесоюзной конференции "Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР".- Пермь, 1990. С. 155-157.

10. Жусупбеков А.Ж.'.Базаров Б.А. Геотехнические приборы и работа с ними.- Учебно-методические указания к НИРС и КНЙР, РУМК. - Караганда, 1992. - 32 с.

И. Жусупбеков А.Ж., Базаров Б.А. Влияние горизонтальных деформаций растяжения грунтов на работу конических фундаментов на подрабатываемых территориях. - Труды Российской конференции "Механика грунтов и фундаментостроение". - Санкт-Петербург, 1995. С. 31 - 35.

12. Жусупбеков А.Ж., Жунисов Т.О. Исследование работы свайных фундаментов на подрабатываемых территориях. - В кн.: Сб.трудов III международной конференции "Проблемы свайного фундаментостроения" - Пермь, 1992. С. 31-33.

13. Жусупбеков А.I., Фадеев А.Б., Базаров Б.А. Численный анализ МКЭ работы конусообразных свайных фундаментов на подрабатываемых территориях.- В кн.: Сб.тр. III международной конференции "Проблемы свайного фундаментостроения". ~ Пермь, 1992. С. 179-181.

14. Жусупбеков А.Ж., Байтасов Т.М. Взаимодействие реконструируемых зданий с подрабатываемым основанием. В кн.:.Реконструкция Санкт-Петербург 2005. - Сб. трудов международного симпозиума 5-11 октября 1992.- Санкт-Петербург,том 2. С. 11-117.

15. Фадеев А.Б., Клещев П.Е., Жусупбеков А.Ж., Исследования изменения несущей способности и жесткости подрабатываемых оснований ленточных и отдельно стоящих фундаментов на моделях из эквивалентных материалов.- В кн.: Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых: Те-мат.сб.тр. -Караганда: КарПТИ, 1984. С. Ш-122.

16. Фадеев A.B., Клещев П.Е., Жусупбеков А.Ж. Исследование изменения несущей способности и податливости подрабатываемых оснований // Основания, фундаменты и механика грунтов. N2, 1986. С. 21-23

17. Жусупбеков А.Ж., Базаров Б.А. Стенд для моделирования деформаций основания. A.c. 1702223. - Опублик. В.Б.И. N48, 1991.

18. Фадеев A.B., Жусупбеков А.Ж., Носков И.В. Стенд для моделирования деформаций основания фундаментов подрабатываемых зданий. A.C. 1250808. - Опубл. в Б.И. N30, 1986.

19. Zhusupbekov A.Z.,Baytasow Т. Building properties of underground foundations. Proc. Int. Congress on Tunnel and Undergro- und works - today and future. Chengdu, China, vol.2, 1990, p.437-443.

20. Zhusupbekov A.Z. Soil bearing capacity increase by horizontal stress change. Proc. of 9-th Int. Geot. Eng. Conf.,

Luleo, Sveden, vol.2, 1990, p.486-493.

21. Zhusupbekov A.Z.,Fadeev A., Bazarov B.A., Chelnokov B. Deformation foundation joint. Proc. 9-th National Conf. on soil mechanics and foundation eng., Cracov, Poland, vol.1, 1990, p.327 -333.

'22. Zhusupbekov A.Zh., Bazarov B.A.. Risbekov Ch. Progressive conical shape foundation construction on undermined soils. Proc. 4-th European Young Geo. Conf., Delft, Niederland, 1990, p.24-26.

23. Zhusupbekov A.Zh., Fadeev А.В., Bazarov В.A. Use of string dynamometer in complex field investigations of conical shape foundation on undermined territories. Proc. Int. Symp. on Field Measurements in Geotechnique, Oslo, Norway, vol.2, 1991, p.937-943.

24. Zhusupbekov A.Zh., Zhandildin Т.Е., Yao M.L., Jousoupbe-kova V. V. Investigations of undermined soil by new stabilometer. Proc. 9th Asian Regional Conf. on soil mechanics and foundation engineering, Bangkok. Thailand, vol.1, 1991, p.119 -122.

25. Zhusupbekov A.Zh., Krawzov M.L, Wu J.S., Yao M.L. Land subsidence and displacement effect on construction foundations. Proc. Int. Symp., Wuhan, China, vol.1,1991, p.173-179.

26. Zhusupbekov A.Zh., Kravsov N.I., Wu J.S., Yao M.L. Ground for additional viscous - plastic creep of undermined building soils. Proc.of the third east - pacific conference on structural engineering and construction, Shanhai, China, vol.1, 1991, p.209-214.

. 27. Zhusupbekov A.Zh. Interaction of foundations with multiple subsidenced ground. Proc. of the ILT Seminar on Problems of Lowland Developtent Saga, Japan, November 16-17 1992, p.323-330.

28. Zhusupbekov A.Zh.,Fadeev A.B.,Xila L.,Sirioltczyk U. Numerical analyses of foundation considering the horizontal strain. Proc.of the Asian Pacific Conf. on computational mechanics, Hong Kong, 1991, p.111-119.

29. Zhusupbekov A.Z., Aitaliev Sh., Otarbaev Zh.. Bizhanov K.S. Prognosis of building properties change of multiple undermined foundations footings of buildings and constructions. Proc. 9th National Conf. on soil mechanics and foundation engineering., Cracov, Poland, vol. 1, 1990, p. 311-317.

30. Zhusupbekov A.Zh. Geotechnology of pile conical shape foundation on undermined soils. Proc. of the Int. Geol. Congress, Kyoto, Japan, 1992, p.108-109.

31. Zhusupbekov A.Zh. Keynote lectures on investigations of foundations on multiple undermining soils . Scientific lectures and papers, Japan, 1992, p.1-88.

32. Zhusupbekov A.Z., Makashev A.N. Numerical analyses of foundations on undermining soil ground. Proc .of the Int. Conf on Computational Methods in Structural and Geotechnical Engineering, vol. 2, Hong Kong, 1994, p.. 315-317.

33. Zhusupbekov A.Z., Akuov -T.Zh. and Kashalo S.P. Numerical analyses of foundations with subsidenced soil ground. Proc. of the Third World Congress on Computational Mechanics, vol.1, Japan, 1994, p. 601-602.

34. Zhusupbekov A.Z. Investigation of interaction foundations with susidenced soft soil base. Proc. of the 12 th Southeast Asian Geotechnical Conf., 1996, Kuala Lumpur, Malaysia, p. 17-21.

35. Zhusupbekov A.Z., Jousoupbekova V.V., Sarsekenov M.E., Amirchanov E.A. Laboratory tests of compression and consolidation

of clayey undermining soils by new testing devices. Proc. of the Int. symp. on compression and consolidation of clayey soils. IS -Hirochima 95/JAPAN/ 10-12 May 1995, vol. 1, p. 245-248.

35. Zhusupbekov A.Z., Bazarov B.A., Ermolov V.I. Interaction of new conical foundations with subsidence of soil ground. Proc. of the Eleventh African Regional conference on soil mechanics and foundation engineering. Cairo /11-15 December 1995, vol. 3, p. 238-243.

37. Zhusupbekov A.Z., Tulebaev A.K., Bazarov B.A. Interaction of new conical foundations of building with multiple subsidence of soil. Proc. of the Fifth East Asia-Pacific conference on structural engineering and construction /25-27 July, 1995, Gold Coast, Australia, vol. 3, p.1879-1884.

38. Zhusupbekov A.Z., Zhandildin T.E., Yao M.L. Interaction of foundations with subsidenced soil base. Proc. of the Tenth Asian Regional conference on soil mechanics and foundation engineering, August 29 - September 2, 1995, Beijing, China, vol. 1, p. 177-179.

39. Zhusupbekov A.Z., Aldungarov M.M., Otarbaev Zh.O. Foundations engineering with the method of soil thermal stabilization by Microwave Energy. Proc. of the Tenth Asian Regional conference on soil mechanics and foundation engineering, August 29- Sept. 2, 1995, Beijing, China, vol. 2. p. 81-82.

Zhusupbekov Asckar Zhagparovish "Scientific prediction principles of bearing capacity and hardness of undermined foundation bases".

Processes of undermined-soil massif deformation are stated. It deals with questions of structures interaction with undermined base. There have been given experimental and numerical investigations results on bearing capacity and hardness of undermined strip, separate, pile and'conical foundations bases in laboratory and field conditions. Then are given functional dependences for bearing capacity and undermined bases hardness defining, and are considered calculation methods of strip and pile foundations, accounting horizontal strain thick soils influence with the help of FEM. There have been also stated defining methods of bearing capacity and undermined strip, separate, pile and conical foundations. The book is assigned to engineers and scientists of design, building, scientific-research organizations; to students specialising in "Industrial & Civil Engineering" and"Mining Engineering".

Жусупбеков Аскар Жагпарулы Чргетастардыц асты казылатын грунтгы нег1зд1ктерш1ц квтepгiштiк цаб1лет1 мен катакдьг-ын бол-жаудыц былыми нег1здер1".

Диссертациялык; жумыста асты к,азылатын грунт схлемШц дефор-мациялану кубылыстары баяндалран. Римараттардьщ асты казылатын неПздштермен ерекеттесу!н1ц мэселелер1 к,арастырылган. Таспалы, дара, кздалы жэне конусты 1ргетастардьщ асты к,азылатын нег1зд!к-тер1н1ц кетергТпгпк к,аб1лет1 мен катацдыгын дабораториялык жэне дала жагдайларында зкспериментальды зерттеулерд1н, сондай-ак, сан-дьщ эд!стермен есептеулердщ мэтижелерх келт1р1лген. Асты к,азыла-тын неПзд!ктерд1ц квтергхытхк к,аб1лет1 мен к;агавдыгын аньщтауга арналган функциялык тэуелдШктер усынылган. Таспалы жене вдцалы 1ргетастардыц нег1вд1ктер1ндег! грунт к;абаттарыньщ келденец ба-гыттагы созылу деформацияларын шект1 белшектер тас!л1мен ескер1п есептеуге арналган эд1стер к,арастырылган. Таспалы, дара, заданы жэне конусты 1ргетастардыц асты казылатын нег1зд1ктерШц кетер-г1шт!к каб1лет1 мен катавдыгын анык,тауга арналган эд!стеме баян-далган. Диссертациялык; жумыс жобаяау, курылыс, гылыми - зерттеу мекемелер1н!ц ижеяерлхк - техникалых, жэне гылыми к,ызметкерлер1-не, аспиранттарга, сондайак, "8неркес1пт1к жэне азаматтьщ КУРЫ-лыс", "Марюгейдерлж 1с", 1ргетастар жэне нег1зд!ктер" мамандык;-тарынъщ студенттер1не арналган.