автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Оценка величины бокового давления грунта на ограждения котлованов с учетом нагрузки на его поверхности

На правах рукописи

0055343»**

Иванов Александр Сергеевич

ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ БОКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА НА ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНОВ С УЧЕТОМ НАГРУЗКИ НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

1 О ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград, 2013

005534384

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Богомолов Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор технических наук, профессор Беликов Георгий Иванович ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный

архитектурно-строительный университет (г. Волгоград)

Доктор технических наук, Кашарина Татьяна Петровна, ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный политехнический

университет (НПИ) имени М.И. Платова, профессор кафедры ПГСГФ (г.

Новочеркасск).

ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет (г. Краснодар)

Защита состоится «30» октября 2013 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан «24 »сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин Талгать Кадимович

Актуальность темы диссертации. К ограждающим конструкциям относятся шпунты, стеновые ограждения колодцев, тоннелей и строительных котлованов, подпорные стенки и многие другие.

Задачи об определении величины давления грунта на ограждающие конструкции при наличии нагрузок на поверхности ставились уже давно, но до последнего времени еще не нашли своего строгого решения, что привело к использованию в практике строительства различных упрощенных методов, базирующихся на ряде гипотез и допущений, основными из которых являются:

поверхность скольжения принимается в виде наклонной плоскости, назначение угла наклона которой не всегда строго обосновано;

практически всегда учитывается лишь одна вертикальная нормальная составляющая напряжений;

величина коэффициента бокового давления грунта не всегда входит в расчетные формулы;

величина временной нагрузки, расположенной на поверхности котлована, суммируется с собственным весом грунта и не оказывает влияния на распределение горизонтальных нормальных и касательных напряжений в грунтовом массиве и т.д.

Поэтому, решение задачи об оценке величины бокового давления грунта на ограждающие конструкции с учетом нагрузки на поверхности грунта, является актуальным.

В связи с этим в настоящем диссертационном исследовании поставлена цель: предложить методы расчета величины бокового давления грунта на жесткие элементы удерживающих сооружений и подбора сечений элементов гибких ограждений котлопанов, а также определение безопасных параметров, обеспечивающих длительную устойчивость вертикальных незакрепленных откосов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих методов расчета предельной высоты вертикального откоса. На основании результатов этого анализа предложить расчетную модель и разработать инженерный метод расчета высоты вертикального откоса, обеспечивающую его длительную устойчивость.

2. Предложить инженерный метод расчета величины бокового давления грунта на жесткие удерживающие сооружения, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива, который не использует гипотезу о плоских поверхностях скольжения, был бы приемлем для сыпучих и связных грунтов и учитывал бы одну из важнейших характеристик напряженного состояния грунтового массива п естественном состоянии - коэффициент бокового давления грунта ¡^.

3. Разработать инженерный метод, позволяющий проводить подбор сечений элементов гибких ограждающих конструкций котлованов, учитывающие деформационные свойства грунта.

4. Проверить адекватность предложенных методов путем сопоставление результатов, получаемых на их основе, с результатами экспериментальных и теоретических исследований, проведенных независимо от нас другими исследователями.

5. Разработать компьютерные программы-калькуляторы, в которых формализованы предложенные методы расчета.

Достоверность результатов диссертационного исследования, выводов и рекомендаций обоснована:

1. Теоретическими и экспериментальными предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости (методы конечных элементов и теории функций комплексного переменного), теории пластичности, теории предельного равновесия, инженерной геологии и механики грунтов;

2. Результатами анализа известных расчетных методов и использованием апробированных гипотез и допущений;

3. Удовлетворительной сходимостью результатов сопоставительных расчетов с результатами экспериментальных данных, полученных другими авторами и результатами расчетов известными методами при адекватных значениях коэффициента бокового давления грунта, находящихся в интервале его природных значений.

4. Использованием в качестве инструмента исследования верифицированных компьютерных программ, зарегистрированных в государственном реестре.

5. Результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в строительную практику.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что

1. Определены графические и аналитические зависимости, позволяющие определить безопасную высоту однородного вертикального откоса, при которой гарантирована его длительная устойчивость при тех или иных физико-механических свойствах грунта, слагающего откос.

2. Получены и изучены закономерности изменения сил бокового давления на жесткие ограждающие конструкции в зависимости от геометрических параметров котлована, внешней равномерно распределенной нагрузки и ее интенсивности, физико-механических свойств грунта, включая величину коэффициента бокового давления грунта с,а.

3. Разработан инженерный метод расчета величины бокового давления грунта на жесткие ограждения котлованов и удерживающие сооружения, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива, который, в отличии от известных, не предполагает принятия гипотез о форме поверхностей скольжения, а их положение и форма зависят от физико-механических свойств фунта, включая коэффициент бокового давления Ео, геометрических параметров котлована и внешней равномерно распределенной нагрузки. Полученные графические и аналитические зависимости составили базу данных компьютерной программы-калькулятора, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности определять величины бокового давления грунта на ограждающие конструкции.

4. Предложен инженерный метод расчета сечения гибких элементов ограждающих конструкций котлованов, основанный на анализе величин перемещений точек грунтового массива, которые напрямую зависят не только от деформационных характеристик грунтов (£„; £,), как это обычно имеет место быть, но и от геометрических параметров котлована, интенсивности, ширины и положения внешней равномерно распределенной нагрузки на дневной поверхности. Метод формализован в компьютерную программу-калькулятор, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности подбирать сечения гибких элементов ограждающих конструкций

Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проводимых на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2010-2013 г.г.

Представленные в диссертационной работе результаты исследований могут быть использованы для:

- определения безопасных параметров однородных вертикальных откосов, обеспечивающих их длительную устойчивость;

- вычисления сил бокового давления грунта на жесткие ограждающие конструкции котлованов и других грунтовых сооружений при наличии равномерно распределенной нагрузки различной интенсивности, ширины и положении на поверхности грунтового массива;

- расчета сечений элементов гибких ограждающих конструкций вертикальных выемок и котлованов в зависимости от деформационных характеристик грунта и параметров внешней равномерно распределенной нагрузки;

- проведения курсового и дипломного проектирования студентами и магистрантами строительных вызов.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах: ежегодных научно-технических конференция преподавателей, аспирантов и студентов Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 20102013гг); международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.); научно -техническом семинаре «Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции» (Новосибирск, 2011 г.); на международной IV научно - технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2013 г.); на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.

Личный вклад автора заключается в:

- определении параметров, составлении механико-математических моделей и расчетных схем МКЭ исследуемых объектов (вид, размеры, граничные условия, степень дискретизации);

- составлении рекомендаций для определения параметров, обеспечивающих длительную устойчивость вертикальных откосов;

- проведении, обработке результатов и анализе численных исследований величины бокового давления на жесткие удерживающие сооружения с учетом внешней нагрузки, физико-механических свойств грунта, в том числе и коэффициента бокового давления, построении графических зависимостей и записи их аналитических аппроксимаций;

- разработке инженерного метода расчета сил бокового давления на жесткие удерживающие сооружения и формализации его компьютерной программе-калькуляторе;

- разработке предложений по проведению расчета и подбору сечений гибких элементов ограждающих конструкций с учетом деформационных характеристик фунтов (Еа; &), геометрических параметров котлована, интенсивности, ширины и положения внешней равномерно распределенной нагрузки на его дневной поверхности; разработке соответствующего инженерного метода и формализации его в компьютерной программе-калькуляторе;

- проведении сопоставительных расчетов, анализе и сравнении их результатов с экспериментальными и теоретическими данными, полученными другими авторами;

- внедрении результатов и рекомендаций диссертационной работы в практику проектирования и строительства.

На защиту выносятся:

1. Механико-математические модели и расчетные схемы МКЭ исследуемых объектов.

2. Выявленные закономерности влияния физико-механических свойств, величины коэффициента бокового давления грунта, параметров котлована и внешней равномерно распределенной нагрузки на величину бокового давления на жесткие удерживающие сооружения.

3. Инженерный метод расчета величины бокового давления на жесткие удерживающие сооружения.

4. Предложения по расчету сечений элементов гибких ограждающих конструкций в зависимости от деформационных характеристик грунта, параметров котлованов и внешней поверхностной нагрузки.

5. Компьютерные программы-калькуляторы, в которых формализованы предложенные методы расчета.

6. Результаты сопоставления экспериментальных и теоретических данных, полученных другими авторами, с результатами расчетов тех же объектов на основе сделанных в диссертационной работе предложений.

7. Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.

Результаты научных исследований внедрены:

- при проведении предварительных поверочных расчетов несущей способности шпунтового ограждения котлована на объекте: «Комплекс из трех 24-х этажных жилых домов со встроенными помещениями, подземной автостоянкой и многофункционального здания» по адресу: г. Волгоград, Советский район, ул. Авиаторская;

- в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 научных статьях, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы, из 130 наименований и приложений. Общий объем работы - 200 страниц машинописного текста, в том числе 147 страниц основного текста, содержащего 58 иллюстрации и 8 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедр «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ и научному руководителю, заслуженному работнику высшей школы РФ, советнику РААСН, доктору технических наук, профессору Богомолову А.Н. за ценные советы и замечания, постоянную помощь во время работы над диссертацией.

Краткое содержание работы

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса, сформулирована цель и задачи исследования. Отмечено, что изучению бокового

давления на ограждающие конструкции посвящено достаточно много работ, среди которых отмечены работы отечественных и зарубежных ученых: Безухова Н.И., Бескина М.Г., Богомолова A.M., Будина А.Я., Гинзбурга J1.K., Гольдштейна М.Н., Доброва Э.М., Дорфмана А.Г., Ильичева В.А., Караулова A.M., Кашариной Т.П., Клейна Г.К., Крея Г., Лучковского И. Я., Маслова H.H., Мация С.И., Прокофьева И.П., Раюка В.Ф., Синельникова H.H., Снитко Н.К., Ставницера Л.Р., Хрисгофорова B.C. , Чеботарева Г.П., Чугаева P.P., Шадунца К.Ш., Шахунянца Г.М. и многих других.

И хотя эти исследования начаты давно и продолжаются довольно долго, интерес к их результатам только возрастает, так как в настоящее время ускоренными темпами развивается строительства в стесненных городских условиях зданий с развитой подземной частью, что сопряжено с сооружением глубоких котлованов и необходимостью расчета ограждающих конструкций.

Во второй главе рассматриваются вопросы определения предельной высоты вертикального откоса, т.к. только после превышения этой высоты возникает задача о расчете величины бокового давления и конструкции ограждающего сооружения.

Э.В.Костериным предложен критерий кратковременной устойчивости откосов вертикальных траншей, который допускает образование областей пластических деформаций, если их максимальный поперечный размер не превышает 0,25/г (7г-высота траншеи). Мы ужесточили требования и воспользовались критерием длительной устойчивости откосов, предложенным проф. А.Н.Богомоловым, и гласящим, что длительная устойчивость вертикального откоса обеспечена, если высота откоса и физико-механические свойства грунта таковы, что в грунтовом массиве отсутствуют области пластических деформаций (ОПД).

Для проведения компьютерного моделирования процесса зарождения областей пластических деформаций использована компьютерная программа «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние».

На рис. 1 изображены иллюстрация критерия кратковременной устойчивости Э.В.Костерина (а), размеры механико-математической модели котлована (б) и фрагмент расчетной конечно-элементной схемы

строительного котлована или траншеи, генерированной в среде компьютерной программы «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние» (в).

ЩШфII •• - '

1 я у .-Л «О Hill««« *«рйД1м5йЪ

йр§ ь„ I 1 "

■Iii!

а)

И

н

"X" б)

<——1

щ

н ж ш р{ 'Г/:

____¡1- ЩШ

в)

Рис. 1. Иллюстрация критерия кратковременной устойчивости

Э.В.Костсрина (а)\ размеры механико-математической модели котлована (б) и фрагмент расчетной конечно-элементной схемы

строительного котлована или траншеи, генерированной в среде компьютерной программы «Устойчивость.

Напряженно-деформированное состояние» (в)

На рис. 2 приведены области пластических деформаций и следы наиболее вероятных поверхностей скольжения в вертикальном откосе при различных значениях физико-механических свойств грунта (ФМСГ) при величине коэффициента бокового давления £о=0,75.

Определяя такие сочетания ФМГС и высоты откоса, при которых отсутствуют ОГ1Д. и вычисляя значения соответствующих коэффициента запаса устойчивости, построены графические зависимости, прведенные на рис. 3.

[следнвпс] ,опд| \ -

Л

б)

г)

10ПД] |След НВПЗ

Ш )

в) д) Рис. 2. Области поастических деформаций в однородном отдельностоящем вертикальном откосе при ф=30° и асв=0,6 (а); асв=0,4 (б); асв=0,2 (в); при а„=0,6 и <р=20° (г); ср=15° (<Э) при ?о=0,75

Первая из них (см. рис. За) позволяет определить для каждого из рассмотренных значений угла внутреннего трения (р и коэффициента бокового давления численное значение величины приведенного давления связности аст которая обеспечивает выполнение условия отсутствие в приоткосной области пластических деформаций.

Учитывая, что

ат = с{уНг.д1р}~1 (1)

можно определить безопасную высоту вертикального откоса, заменив в этой формуле величину Н на Над,

Как установлено проф. А.Н.Богомоловым, разрушение откоса такой высоты за счет внутреннего процесса перераспределения напряжений, которое привело бы к образованию областей деформаций, невозможно. Отметим, что графики, изображенные на рис. 3а и Зв, идентичны по своему информационному содержанию.

— —_

5°

— _____

гг: 10* 20' 40°

—

а)

4.-0,9 \

0,3

1 ' |

ш _

'Ч

6)

Рис, 3. Графические зависимости вида о^Мо) (а); К=К£о) (б) исгт=Я<р) (в) для определения безопасных параметров вертикального откоса

в)

Из графика, приведенного на рис. Зв также видно, что при численных значениях угла внутреннего трения грунта (р> 40" величина коэффициента запаса устойчивости вертикальных откосов, чьи параметры совпадают, с рассмотренными в диссертации, практически не зависят от величины коэффициента бокового давления грунта, слагающего откос.

В третьей главе изложен метод расчета давления грунта на жесткие ограждающие конструкции и подпорные сооружения, суть которого состоит в том,

что для определения величины давления на ограждение котлована применяется подход, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива и позволяющий отыскивать решение при любом природном значении величины коэффициента бокового давления грунта % 0, не принимая какой-либо гипотезы о форме поверхности скольжения и эпюры бокового давления. Кроме того, использование данного подхода позволяет рассмотреть любую по протяженности, интенсивности и положению распределенную поверхностную нагрузку, интенсивность которой изменяется по произвольному закону. Все эти возможности предоставляет компьютерная программа «Устойчивость (Напряженно-деформированное состояние)», которая принята нами в качестве инструмента исследования.

Алгоритм вычисления сил бокового давления на ограждающую конструкцию котлована подробно описан в главе III диссертационной работы.

Рассмотрим пример. Будем использовать механико-математическую модель грунтовой среды, которая описана в главе I, и расчетную схему метода конечных элементов, приведенную на рис. 1в, состоящую из 14100 конечных элементов, сопряженных в 7227 узлах, при ширине матрица жесткости системы 136.

Предположим, что физико-механические характеристики грунтов, представляющих инженерно-геологические элементы № I; 2, имеют следующие реальные значения: объемный вес у=2т/м3, угол внутреннего трения /р = 14°, удельное сцепление с=36кПа, модуль деформации Е0=12Мпа (ИГЭ-1) и объемный вес у=2т/м3, угол внутреннего трения <р= 20°, удельное сцепление с=68кПа, модуль деформации Е0=24Мпа (ИГЭ-2) [1].

На рис. 2 изображены области пластических деформаций и наиболее вероятная линия скольжения, наиболее вероятные площадки сдвига, линия скольжения, пересекающая оба слоя грунта, и картины изолиний безразмерных (в долях уН) вертикальных сгг, горизонтальных сгх и касательных т 7Х напряжений в грунтовом массиве, построенные при помощи упомянутой выше компьютерной программы.

'V е)

Рис. 2. Области пластических деформаций и наиболее вероятная линия скольжения (а), наиболее вероятные площадки сдвига (б), линия скольжения, пересекающая оба слоя грунта (в), и картины изолиний безразмерных (в долях ук) вертикальных а,, (г), горизонтальных стх (д) и касательных т а (г) напряжений в грунтовом массиве

Из рис. 2 видно, что практически вся приоткосная область верхнего слоя грунта находится в пластическом состоянии. Если не учитывать этого обстоятельства и определить величину коэффициента запаса устойчивости вертикального откоса К, исходя из условия упругого распределения напряжений, как это делается при использовании традиционных методов расчета устойчивости, то получим К=0,55.

Используя известный прием повышения расчетных значений величин удельного сцепления и тангенса угла внутреннего трения в К/К„р раз, определим такие значения С и <р, при которых расчетное значение К=1,01. Гипотетически устойчивое состояние откоса в этих случаях будут обеспечивать «фиктивные» удерживающие силы, соответствующие увеличенным в К/К„р прочностным характеристикам грунта.

е) г)

Рис. 3. Наиболее вероятные линии скольжения, построенные из точек А (а); В (б); С (в), соответствующие эпюры удерживающих и сдвигающих сил и эпюра сил бокового давления грунта (г) при условии, что КА=КВ=КС=1,01

П

Элементы ограждения котлована рассчитываются на величины «фиктивных» сдвигающих сил, равных разности величин «фиктивной» удерживающей силы и реальной удерживающей силы, вычисленных для одной и той же линии скольжения.

На рис. 3 изображены наиболее вероятные линии скольжения и соответствующие им эпюры удерживающих и сдвигающих сил, построенные для вертикального борта котлована, параметры которого описаны выше, при К=1,01.

В результате обработки эпюр удерживающих и сдвигающих сил и проведения соответствующих вычислений построена эпюра горизонтального давления на гипотетическую вертикальную подпорную стенку, которая приведены на рис. Ъг. Отметим, что ординаты эпюры приведены в долях уИ и имеют размерность [т/м2].

Для создания базы данных и разработки инженерного метода оценки сил бокового давления на жесткие ограждающие конструкции и подпорные сооружения проведены вычисления и графические построения для однородных вертикальных откосов при К=1, сложенных грунтом, угол внутреннего трения которого изменяется в пределах р=[10о-25°], а величина приведенного давления связности в зависимости от высоты откоса Н, величины удельного сцепления С и удельного веса у образующего массив грунта, изменяется в пределах асве [0,4; 0,6; 0,8; 1,4; 2,0].

Величина коэффициента бокового давления грунта принята равной £о=0,75, что соответствует среднему значению для глинистых грунтов.

Распределение внешней нагрузки по дневной поверхности вертикального откоса принято равномерным, ее интенсивность изменяется в пределах ц=0-ЗуН, а ее ширина Ь и положение, определяемое расстоянием Ь от ее начала от бровки откоса - в пределах Ь;Ь € [0 - Н].

а)

б)

А» -(0.62

г)

д)

■•чо.м

А,,

1

-71.15 —■4 74 ч

е)

N -¡0 86 ~(0 56

"

и)

ж) з) „,

Рис. 4. Эпюры сил бокового давления грунта при ¿=0 м и д=0,75уН (а), д= 1,5уН (б) и Я=ЗуН (в); при Ь=7,5 м и q=0,75yH (г), я=1,5уН (д) и д=ЗуН (е); при Ь=15 м и д=0,75уН (.ж), д=1,5уН С?) и я=ЗуН (и)

а результате проведения вычислений для всех возможных сочетаний численных значений приведенных выше расчетных параметров построены эпюры сил бокового давления грунта, которые для откоса высотой Н=15м при я=0,75уН; Ь=Н; ?=2т/м3; с=ЗЗкПа (осв=0,637) и ^„=0,75 изображены на рис. в качестве

примера.

Оказалось, что все результирующие эпюры сил бокового давления имеют криволинейную форму, а кривые, их образующие, могут быть с достоверностью не менее 0,98 аппроксимированы полиномами пятой степени:

ц = (ау5 + Ьу* + су3 + ¿у2 + ку + п)уН, (2)

где: а;Ь;с;с1;к;п - безразмерные коэффициенты; >•= У/Н\ уе [0-1].

Численные значения коэффициентов аппроксимирующих полиномов для изображенных выше эпюр бокового давления приведены в таблицах №№ 3.1-3.3.

Таблица 1.

Коэффициенты аппроксимирующих полиномов при Ь-0

^-К-ты а Ь с (1 к и

0,00 -30,947 76,478 -61,948 17,557 -0,4993 -5x10"'2

0,75 -97,203 241,85 -197,03 ■ 54,836 -0,1157 1хЮ"5

1,50 -96,205 240,14 -196,86 55,550 -0,4890 -0,0002

3,00 -87,217 217,24 -177,43 49,726 -0,3319 -0.003

Таблица 2.

Коэффициенты аппроксимирующих полиномов при Ь=0,75Н

а Ь с а к п

0,00 -30,947 76,41% -61,948 17,557 -0,4993 -5x10"

0,75 -85,205 205,76 -163,98 43,626 0,4386 -0,0013

1,50 -79,769 194,40 -155,19 41,86 0,2178 -0.0011

3,00 -69,535 169,00 -134,13 35,577 0,4628 -0,0001

Таблица 3.

Коэффициенты аппроксимирующих полиномов при !_.=!!

а Ь с (1 к п

0,00 -30,947 76,478 -61,948 17,557 -0,4993 -5x10""

0,75 -53,498 134,80 -Ш,51 31,411 0,2073 -0,0004

1,50 -52,341 130,29 -106,51 29,705 0,1602 1х10"3

3,00 -48,047 119,94 -98,59 27,826 0,0058 -0,0002

Используя данные, приведенные в таблицах №№ 1-3, построены графики для определения численных значений коэффициентов аппроксимирующих полиномов, которые приведены на рис. 5.

Анализ численных значений коэффициентов аппроксимирующих полиномов говорит о том, что величины коэффициентов п весьма малы, а коэффициентов к очень близки по модулю.

Результаты поверочных расчетов показали, если пренебречь коэффициентами п и считать, что значения коэффициентов к не зависят от величины I. и при расчетах

использовать их среднеарифметические значения, то погрешность вычислений не будет превышать 2,23% и она пойдет в запас.

Отметим, что в виду большого количества графического материала и ограниченного объема автореферата не представляется возможным представить все полученные эпюры и таблицы численных значений коэффициентов аппроксимирующих полиномов, поэтому изображения эпюр бокового давления для оговоренных выше условий и при 0=16°; 20°; 25° в приложении к диссертационной работе.

г)

Рис. 5. Графические зависимости вида й=Л?) (а); Ь=Дф (б); с=М) (в); (1=М (г);

(д) при различном положении нагрузки на дневной поверхности котлована

Используя эти данные и интерполяционные методы, можно построить эпюры горизонтального давления на жесткие подпорные сооружения для всех возможных сочетаний переменных расчетных параметров, которые описаны выше.

Приведенные выше и в приложении к диссертационной работе аппроксимирующие выражения, таблицы значений их коэффициентов и графики для определения последних составили базу данных компьютерной программы-калькулятора, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности определять величины активного давления фунта на подпорные сооружения.

Проведем сопоставление полученных нами результатов для рассмотренного выше примера с результатами расчетов, выполненных методом Г.К.Клейна.

Для построения эпюры активного давления на шпунтовое ограждение воспользуемся известной формулой

« = + (3)

где : г - вертикальная координата отсчитывая вниз от дневной поверхности грунта; д - интенсивность временной нагрузки.

При этом эпюра активного давления грунта имеет вид, приведенный на рис. 6.

Затем известными методами подобраны сечения стандартных стальных прокатных

21« (Т/М ')

Рис. 6. Эпюра активного давления грунта на шпунтовое ограждение котлована, построенная при помощи формулы (3)

Таблица № 4.

Расчетный метод \^Сорта-^^ент К ШВЕЛЛЕР ДВУТАВР

Предлагаемый 1,01 Nel4a; Н=140мм; В - 62мм №14; Н= 140мм; В=73мм

Г.К.Клейна - Ш2а; Н=220мм; В=87мм №20а; Н=200мм; В=110м

профилей, которые для рассмотренных случаев приведены в таблице № 4.

Сравнивая, приведенные в этой таблице № 4 данные, и, используя при сведения о весе одного погонного метра стальной прокатной балки, увидим, что в случае применения в качестве элемента ограждающей конструкции стальной балки-швеллера, экономия (в пересчете на вес стали) составит от 29% до 41,5% по сравнению с результатами расчетов по общепринятой методике Г.К.Клейна.

Если в качестве элемента ограждения используется стальная балка двутаврового сечения, то соответствующая экономия металла составляет от 13,7% до 35%.

В четвертой главе рассмотрен метод подбора сечений гибких элементов подпорных сооружений.

Сущность предлагаемого подхода состоит в следующем:

1. Используя механико-математическую модель, описанную в главе III , основанную на методе конечных элементов, и, наделенную реальными свойствами грунта, слагающего борт котлована, определяем численные значения горизонтальных перемещений точек, лежащих на его свободной вертикальной поверхности, возникающие от действия собственного веса фунта и поверхностной нагрузки. Условно считаем, что разрушение борта котлована не происходит, а элемент

удерживающего сооружения представляет собой жестко защемленную вертикальную балку, т.е. горизонтальные перемещения в точке заделки отсутствуют.

ь_, ±_..

б)

Рис. 7. Геометрические параметры механико-математической модели (а) и фрагмент расчетной конечно-элементной схемы (б) для решения задачи о расчете ограждения глубокого котлована

2. Строим соответствующую эпюру горизонтальных перемещений и записываем аппроксимирующее выражение для кривой, ее образующую.

3. Вертикальную жестко заделанную балку на упругом основании «загружаем» построенной перед этим эпюрой перемещений, изменив знаки перемещений на противоположные.

4. Решая контактную задачу для балки на упругом Винклеровском основании, определяем величину максимального изгибающего момента, по значению которого проводим подбор сечения элементов ограждающей конструкции.

Рассмотрим пример. В качестве примера рассмотрим вертикальный откос высотой Н=15м, сложенный двумя однородными слоями глинистого грунта, горизонтальная граница которых имеет отметку дна котлована.

Предположим, что физико-механические характеристики грунтов, представляющих инженерно-геологические элементы № 1 и № 2, имеют следующие значения: объемный вес у=2т/м3, угол внутреннего трения <р= 14°, удельное сцепление с=36кПа, модуль деформации Е0=12Мпа (ИГЭ-1) и объемный вес ^=2т/м3, угол внутреннего трения <р= 20°, удельное сцепленис с=68кПа, модуль деформации Е0=24Мпа (ИГЭ-2).

Величина коэффициента бокового давления принята равной ^ О=0,75 [8].

Откос нагружен равномерной распределенной нагрузкой, интенсивность которой изменялась от д = 0,75уН до д = .

Расстояние от нагрузки до бровки откоса изменялось от Ь=0м до Ь=15м.

На рис. 7 изображена эпюра безразмерных (в долях Н) горизонтальных перемещений точек, лежащих на свободной вертикальной поверхности борта котлована, которые определены при помощи компьютерной программы [1].

Отметим, что при решении задачи в рамках модели линейной теории упругости, величины перемещений зависят от величины модуля упругости Е (модуля деформации Е0). Поэтому в диссертационной работе вычисления перемещений проведены при четырех значениях модуля деформации Е0, характерных для глинистых грунтов Е0=9; 15; 24; 27Мпа.

Кривую, образующую эпюру перемещений, будем считать изогнутой осью линейного элемента ограждающей конструкции.

Уравнение этой кривой можно записать в виде

и, = 0,005у3 - 0,078у2 + 0,396у + 2,421. (4)

Используя дифференциальное уравнение изгиба балки,

й-их _ М.

подсчитаем численные значения максимальных изгибающих моментов и проведем подбор сечений стальных элементов шпунтового ограждения, в соответствии с ГОСТ 19425—74 [9], учитывая при этом, что модуль упругости для стали марки С38/23 равен Е = 20,6 • 10'°// /лГ, ее расчетное сопротивление равно Я = 2 ЮМПа, а величина коэффициента условий работы равна 7г = 1,1 [4].

Оказалось, что условие прочности будет выполнено, если применить стальную двутавровую балку №14 с размерами Н=0,14м и В=0,073м или стальной швеллер №12 с размерами Н=0,12м и В=0,052м.

Для создания инженерного метода расчета гибких элементов ограждений котлованов на боковое давление связного грунта необходимо получить базу данных, которая позволяет быстро и с достаточной для инженерной практики степенью точности записывать уравнения изогнутой оси линейного элемента удерживающей конструкции.

Для этого при помощи компьютерной программы УНДС построены эпюры горизонтальных перемещений точек, лежащих на внешности вертикального борта котлована при следующих условиях:

1. Величина коэффициента бокового давления грунта принята равной £о=0,75, что соответствует среднему значению для глинистых грунтов.

2. Распределение внешней нагрузки по дневной поверхности котлована принято равномерны, ее интенсивность изменяется в пределах де [0-3]у#, а ее ширина Ь и положение, определяемое расстоянием Л от ее начала от бровки откоса - в пределах е [0 - Я].

3. Величина модуля деформации принята равной Е„=9Мпа, как одна из характерных для глинистых грунтов. Для значений Е0=15; 24; 27Мпа, которые также

Рис. 7. Эпюра безразмерных (в долях Н) горизонтальных перемещений точек, лежащих на свободной вертикальной поверхности борта котлована

свойственны глинистым грунтам, эпюры перемещений приведены в приложении № 2 диссертационной рабо ты.

На рис. 8 в качестве примера изображены эпюры горизонтальных перемещений и точек (в метрах), лежащих на свободной вертикальной поверхности откоса котлована при 1=0: В=Н и ц = 0; ц = 0,75?//, q = 0,1,5?// , q = 3уН.

в) в) Рис. 8. Эпюра горизонтальных перемещений точек вертикальной поверхности откоса при ¿=0 и ц = О (а); = 0,75;//(6); <? = 1,5уН{в)\ <? = ЪуН{г)

Кривые, образующие границу эпюр, являются искривленной осью элемента ограждающей конструкции. Их уравнения с достоверностью 0,97 могут быть представить в виде полиномов, которые помещены в таблице № 5. (Для других значений Ь эпюры перемещений и соответствующие таблицы приведены в тексте диссертационной работы и приложении).

Таблица № 5.

Численные значения коэффициентов аппроксимирующих полиномов (¿=0)

и ин а Ь с <1 Уравнение изогнутой оси

0 0 0,007 -0,037 -0.057 0,007 и=0,007у'-0,037у2-0,057у+0,007

0 0,75 0,012 -0,053 0,357 -0,975 и=0,012у3-0,053у2+0,357у-0,975

0 1,5 0,023 -0,127 0,638 -1,925 и=0,023у3-0,127у3+0,638у-1,925

0 3 0,054 -0,278 1,209 -3,931 и=0,054у3-0,278у2+1,209у-3,931

На рис. 9 изображены графические зависимости, позволяющие определить коэффициенты аппроксимирующих полиномов для промежуточных значений интенсивности внешней нагрузки, интервал изменения которой де [ 0 - 3 ] уН.

В результате вычислений и математической обработки их результатов получено большое количество графического материала и таблиц со значениями коэффициентов аппроксимирующих выражений для всех возможных сочетаний

переменных расчетных параметров, рассмотренных в настоящей главе, которые размещены в приложении к диссертации.

в)

Рис. 9. Графические зависимости вида а (г) при В=Н

г)

Кч) (.а); Ь = /{<?) (б); г = /{<?) (в) и 4 = /{<?)

Приведенные выше и в приложении к диссертационной работе аппроксимирующие выражения, таблицы значений их коэффициентов и графики для определения последних составили базу данных компьютерной программы-калькулятора, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности определять размеры элементов ограждающих конструкций.

Если рассмотреть приведенный выше пример и подобрать сечение линейного элемента ограждающей конструкции, используя предложения, сделанные в главе IV, а затем сравнить полученный результат с результатом,

Таблица № 6.

_Сопоставление результатов расчета сечения ограждающего элемента

РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД

Предлагаемый

Г.КМСлейна

СОРТАМЕНТ

ШВЕЛЛЕР

№12; Н=120мм; В=52мм

№22а; Н=220мм; В=87мм

ДВУТАВР

№14; Н=; В=73мм

№20а; Н=200мм; В=110мм

полученным при помощи классического метода Г.К.Клейна, то увидим (см. таблицу № 6), что экономия металла в зависимости от вида прокатного профиля составит от 29% до 35%

В пятой главе приведены результаты сопоставления экспериментальных и теоретических данных, приведенных в работах З.В.Цигарели, В.Ф.Ракжа и И.ЯЛучковского, с результатами, получаемых при расчете по предлагаемым методам. Рассмотрим примеры.

Пример № 1. В работе З.В.Цигарели приведены результаты серии опытов «определения давления сыпучей среды на стены с вертикальной задней гранью при горизонтальной поверхности засыпки», проведенных в крупноразмерных установках размерами в плане 1,2x5м и 3,6x3м, которые имеют одинаковую высоту 4м. В качестве засыпки используется морской песок с зернами крупности 0,1-2мм и углом внутреннего трения <р=37°. Данные о величине удельного сцепления С и величине коэффициента бокового давления морского песка отсутствуют. Поэтому в наших расчетах принято, что С=0, а величине коэффициента бокового давления при проведении расчетов поочередно присваивались семь значений §0=0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6, 0,75, 0,85.

На первом этапе нами проведено сопоставление формы и размеров следов, экспериментально полученных поверхностей скольжения, с результатами, полученных при построении наиболее вероятной поверхности скольжения при помощи компьютерной программы УНДС, которая принята в диссертационной работе в качестве инструмента исследования.

¡'•Ш

¡¡След итбош вгроятной г ' юверхностя скольеиидЬ

б)

Рис. 10. Следы экспериментально полученных поверхностей скольжения (Цитируется по работе З.В.Цигарели) (а) и построенной при помощи компьютерной программы УНДС приЛЫ,01; ¿=0,3 (б)

На рис. 10 приведены следы поверхностей скольжения, построенных З.В.Цигарели, и при помощи программы УНДС для условий эксперимента при §о=0,3. Сравнивая приведенные изображения следов наиболее вероятных поверхностей скольжения, делаем вывод о том, что они практически совпадают (след экспериментально полученной НВПС отмечен цифрой 6).

В этой же работе З.В.Цигарели приведены эпюры бокового давления засыпки на модели подпорных стенок различной высоты.

Нами построена эпюра бокового давления для модели подпорной стенки высотой Н=4м, которая вместе с экспериментальной эпюрой З.В.Цигарели, приведена нами на рис. 11.

В результате проведенных вычислений установлено, что площади этих эпюр отличаются друг от друга на 6,78%, а вертикальные координаты их центров тяжести, т.е. точек приложения равнодействующих бокового давления, отличаются примерно на 4%.

а> б) Рис. I I. Эпюра бокового давления грунта на модель подпорной стенки по данным работы З.В.Цигарели, (а); сплайн-аппроксимация этой эпюры (1) и эпюры бокового давления (2), построенной для условий эксперимента, на основе наших предложений (б)

Пример Же 2. В.Ф.Раюком предложен метод экспериментального определения давления грунта на подпорные стенки, который сводится к замерам деформаций (прогибов) подпорных стен.

На рис. 12а,б изображены эпюры прогибов модели подпорной стенки, приведенные в работе В.Ф.Раюка, а на рис. 12в - соответствующая эпюра, построенная по результатам наших вычислений, выполненных при помощи компьютерной программы УНДС.

Сравнивая экспериментально полученные эпюры прогибов модели гибкой подпорной стенки эпюрой прогибов, и построенной нами для условий эксперимента, видим, что их ординаты в соответствующих точках отличаются по величине на 3%-9%. Исключение составляет вторая снизу точка, в которой разница значений прогибов составляет 48%.

Сравним величины бокового давления грунта, полученные автором анализируемой работы для условий рассматриваемого примера, и на основе предложений, сделанных в главе III диссертационной работы.

\ 0.18

\о.

— \

— / -Л / /

У

0.0 3.2 0,4 б)

Рис. 12. Эгпоры прогибов полученные В.Ф.Раюком при

проведении эксперимента (а), перестроенная нами по данным работы [Раю к, В.Ф. Метод экспери-

ментального определения давления грунта на гибкие подпорные стенки / В.Ф.Раюк // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1961, № 2. С. 8-10.] (б); построенная нами при 4о=0,4 (в)

На рис. 13а приведены эпюра бокового давления, построенная автором анализируемой работы на основе экспериментального определения прогибов модели подпорной стенки (1), эпюра, методом Кулона (2), и эпюра горизонтальных напряжений ах, как эквивалент эпюры бокового давления при ^,=0,4 (3), а на рис. 136 приведено наложение экспериментальной (62) и построенной на основе сделанных нами предложений (61) эпюр бокового давления

и см*-

/Л

771 (1.....I

V Л

1/

. / /| ___±. А

/ / ■1 |

/ / у /

/ /

2/ //

0.013 ко.

\ К 0,012 у .009

¿Г

т о,8з ом о,(п

0,027 КГ/СМ2 0,021 кг/см2

а) б)

Рис. 13. Эпюры бокового давления: полученная в результате эксперимента (а1); расчетная по Кулону (а2); как эквивалент эпюры горизонтальных напряжений при £о=0,4 (аЗ); наложение эпюр бокового давления, полученных экспериментальным путем (62) и предлагаем методом (61)

Сопоставление численных значений ординат соответствующих точек этих эпюр показывает, что их значения отличаются друг от друга примерно на 20-22%. При этом сами формы эпюр бокового давления засыпки подобны.

В результате дополнительных вычислений установлено, если при проведении вычислений при помощи компьютерной программы УНДС численное значение коэффициента бокового давления принять равным £<,=0,32, то получим эпюру бокового давления, практически полностью совпадающую с полученной В.Ф.Раюком, в результате проведения эксперимента.

Пример № 3. И.Я.Лучковским получено приближенное аналитическое решение задачи о вычислении величины бокового давления грунта на подпорные стены при наличии на горизонтальной поверхности грунтового массива равномерно распределенной нагрузки различной ширины и интенсивности. В этой же работе рассмотрен пример построения эпюры горизонтального давления грунта на ограждающую конструкции при следующих условиях: а=2м; Ь=4м; #=20 м; у=15кН/м ; С=15кПа; <р=26,5°; 1ё<р=0,5; <?=50к! 1а (все геометрические размеры приведены на рис. 14).

Рис. 14. Схема расположения невыгоднейших (наиболее вероятных) плоскостей

скольжения в грунтовом массиве, удерживающем ОК, при нщтичии местной нагрузки на поверхности (а); распределение давления грунта на ограждающую конструкцию при широкой площадке загружения

местной нагрузкой: 1 - по СНиП 2.09.03-85; 2 - по Г.К.Клейну; 3 - без учета удельного сцепления; 4 - по методу И.ЯЛучковского (б)

На рис. 146 приведены эпюры бокового давления, построенные автором различными методами, а эпюра давления, соответствующая методу И.Я.Лучковского, выделена нами фиолетовым цветом.

В результате проведения величины бокового давления на ограждающую конструкцию предлагаемым методом для условий рассматриваемого примера, построена соответствующая эпюра, которая приведена на рис. 15.

Вычисления показывают, что численные значения равнодействующих бокового давления отличаются друг от друга приблизительно на 8% и равны соответственно Рпм=987,83кН/м и РЛуч=909,1кН/м (размерность равнодействующей [кН/м] обозначает, что данная сила приходится на единицу ширины подпорной стенки).

На рис. 16 приведена графическая интерпретация результатов расчетов рассматриваемого примера предлагаемым автором диссертационной работы методом при различных значениях коэффициента бокового давления грунта ¡;0.

Из этого рисунка видно, что величина равнодействующей сил бокового давления, вычисленная в анализируемой работе, может быть получена предлагаемым методом при величине коэффициента бокового давления грунта 4о=0,6.

V

\

\

V

N

У,

\

V

20 .1С 6С КО 1Ст? кПг

а)

X

ч

\

—

1

— ~— ч

¿0 60 80 130 б)

р

¡53

в)

Рис. 15. Положение равнодействующих эпюр бокового давления по предлагаемому методу (а) и по методу И.Я.Лучковского (б); графическая зависимость вида Для

условий рассматриваемого примера (в)

В этой же работе И.Я.Лучковский определил закон распределение горизонтального давления на ограждающую конструкцию котлована при условии, что Н=20м; у=15кН/м3; с=0; ср=30°; д~=!0; Ь =0,5 (см. рис. 17йг). Нами выполнен аналогичный расчет при двух значения коэффициента бокового давления грунта £о=0,35 и £„=0,30.

3*5"/?

ч V

и

1

1 V

. К

; - и......"5 к Ч гт

а)

а.! з |

I

1 —1

С,21 1

-

\ \\

0.41 Г 67

0,1

0,2 0,3 в)

а-а/Ц

Рис. 16. Эпюра бокового давления грунта, приведенная в работе [13] (а), и выделенная нами для сравнения (б); наложение эпюр сил бокового давления, построенных по предлагаемой методике для рассматриваемого примера при ¡;о=0,35 и приведенной в работе И.Я.Лучковского (в)

Результаты расчета приведены на рис. 16. Установлено: если величина 4=0,35, то формы эпюр бокового давления, как и в первом случае, подобны, а их равнодействующие Р"р£ =1,9243 и Р^"=1,6108, как видно, отличаются на 16,29%,

„ЛГЧ „£«Д

причем, Рра5 > Р?а . Если при проведении нашего расчета принять, что 4=0,30, то расчетная эпюра бокового давления полностью совпадет с эпюр И.Я.Лучкопского, а их равнодействующие будут отличаться по величине всего на 1,73%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Задача об определении величины давления на ограждающие конструкции котлованов при наличии нагрузок на поверхности грунта еще не нашла своего строгого решения, что привело к использованию в практике строительства различных упрощенных методов, базирующихся на ряде гипотез и допущений. Поэтому совершенствование этих методов является актуальной задачей.

2. Расчет кратковременной устойчивости вертикальных бортов котлованов и траншей рекомендуется проводить на основе анализа напряженного состояния грунтового массива с учетом величины коэффициента бокового давления и взаимного влияния бортов.

3. На основе анализа напряженного состояния грунтового массива получены графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации, позволяющие определить численные значения коэффициентов запаса устойчивости откосов вертикальных котлованов и траншей, обеспечивающих их кратковременную и длительную устойчивость.

4. Установлено, что боковое давление на жесткие ограждения строительных котлованов является функцией параметров внешней нагрузки, физико-механических свойств фунта, в том числе и коэффициента бокового давления, и геометрических размеров выемки. Разработан инженерный метод расчета величины бокового давления грунта на жесткие ограждения котлованов и удерживающие сооружения, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива. При этом не принимаются какие-либо гипотезы о форме поверхностей скольжения, а их положение и форма зависят от физико-механических свойств грунта, включая коэффициент бокового давления £0, геометрических параметров котлована и внешней равномерно распределенной нагрузки. Метод формализован в компьютерную программу-калькулятор, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности определять величины бокового давления грунта на подпорные сооружения.

5. Результаты сопоставительного расчета показывают, что использование предлагаемого метода позволяет экономить от 13,7% до 41,5% металла (в зависимости от выбора прокатного профиля) по сравнению с результатами, получаемые традиционными методами (СНиП, Г.К.Клейн).

6. Предложен инженерный метод расчета сечения гибких элементов ограждающих конструкций котлованов, основанный на анализе величин перемещений точек грунтового массива, которые напрямую зависят деформационных характеристик грунтов (Е„; £,), геометрических параметров котлована, интенсивности, ширины и положения внешней равномерно распределенной нагрузки на дневной поверхности. Метод формализован в компьютерную программу-калькулятор, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности определять величины

бокового давления грунта на подпорные сооружения. Результаты сопоставительного расчета показывают, что использование предлагаемого метода позволяет экономить от 29% до 35% металла (в зависимости от выбора прокатного профиля) по сравнению с результатами, получаемыми, когда величина горизонтального давления на элементы удерживающей конструкции определяется традиционными методами, например, по Г.К.Клейну.

7. Результаты расчетов, выполненные на основе наших предложений находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментальными и теоретическими данными, полученными другими исследователями:

- следы поверхностей скольжения, приведенные в работе З.В.Цигарели, практически совпадает со следом поверхности скольжения, которая построена нами для условий эксперимента при 1^=0,3; на фотографиях И. Я. Лучковского и Д. А. Чепурного, полученных при фотофиксации результатов экспериментов, видно, что следы поверхностей скольжения имеют криволинейную форму;

- эпюры бокового давления, экспериментально полученные З.В.Цигарели и В.Ф.Раюком, практически совпадают с эпюрами, построенными нами для условий экспериментов, при величинах коэффициента бокового давления £о=0,3 и §0=0,32 соответственно;

- эгпоры прогибов модели гибкой подпорной стенки, приведенные в работе В.Ф.Раюка, с точностью 3-9% совпадают с эпюрами, построенными иами для условий эксперимента;

- численные значения сил бокового давления на ограждение котлована, вычисленные методом И.Я.Лучковского, практически точно совпадают с результатами вычислений на основе предложенного метода при величине коэффициента бокового давления грунта §о=0,6.

Автором всего опубликовано статей по теме диссертационной работы - 8, 4 из которых в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Работы по тематике диссертации, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Длительная устойчивость вертикальных стенок траншей./ A.C. Иванов [и др.] // Вестник Волгогр. Гос. архит.-строит. Ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура -Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2012. - Вып. 28(47). - С. 47-53.

2. Два новых подхода к определению горизонтального давления грунта на ограждающие конструкции котлована / A.C. Иванов [и др.] // Вестник Волгогр. Гос. архит.-строит. Ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2012. - Вып. 29(48). - С. 26-35.

3. Два подхода к определению сил оползневого давления / A.C. Иванов [и др.] // Вестник Волгогр. Гос. архит.-строит. Ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - Вып. 31(50). Ч. 2. Строительные науки. - С. 233-239.

4. Сравнение результатов расчета величины активного давления на ограждение котлована, вызванного собственным весом грунта и равномерно распределенной по его поверхности полосовой нагрузкой / A.C. Иванов [и др.] // Вестник Волгогр. Гос.

архит.-строит. Ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - Вып. 31(50). Ч. 2. Строительные науки. - С. 240-250.

Публикации по тематике диссертации в других изданиях, материалах конференций:

5. К вопросу обеспечения длительной устойчивости бортов вертикальных траншей / A.C. Иванов [и др.] // Фундамепты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства: 1П Акад. Чтения им. проф. A.A. Бартоломея: материалы междунар. Конф., (г. Пермь, 18-19 октября 2011 г.). - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2011. - С. 358-362.

6. Предельная высота вертикального борта траншеи в однородном связном грунте / A.C. Иванов // Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции: Сборник трудов всероссийского научно - технического семинара (г. Новосибирск, 1213 апреля 2011 г.) / Новосибирский гос. архиг. - строит, ун-т. - Новосибирск, 2011. -С. 30-35.

7. Компьютерная программа - калькулятор «ОК-1» для расчета величины бокового давления грунта на жесткие ограждающие конструкции: информ. л. о науч,-техн. достижении № 34-070-13 / A.C. Иванов [и др.]. - Волгоград: ЦНТИ, 2013. - Зс.

8. Компьютерная программа - калькулятор «ОК-2» для расчета сечений гибких элементов удерживающих (ограждающих) конструкций строительных котлованов: информ. л. о науч.-техн. достижении № 34-071-13 / A.C. Иванов [и др.]. - Волгоград: ЦНТИ, 2013.-Зс.

г

ИВАНОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ БОКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА НА ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНОВ С УЧЕТОМ НАГРУЗКИ НА ЕГО

ПОВЕРХНОСТИ

05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 26.09.13 г. Заказ № 103. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 x 84 1/16 Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1. Отдел оперативной полиграфии.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

На правах рукописи

04201362185

ИВАНОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ БОКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА НА ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНОВ С УЧЕТОМ НАГРУЗКИ НА ЕГО

ПОВЕРХНОСТИ

Специальность: 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Богомолов Александр Николаевич

Волгоград 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава I. Состояние вопроса о расчете давления грунта на ограждения котлованов. Постановка задачи

1.1. Теория призмы обрушения Кулона

1.2. Теория давления грунта В.Ренкина

1.3. Определение активного давления сыпучего тела по методу В .В. Соколовского

1.4. Графический метод С.С.Голушкевича определения активного давления засыпки на подпорные стены

1.5. Расчет бокового давления грунта на вертикальную грань подпорной стенки с учетом ее деформации и смещения (метод В.Ф. Раюка)

1.5.1. Определение давления грунта на жесткие стенки.

1.5.2. Определение давления грунта на гибкие подпорные стенки

1.6. Определение бокового давления грунта по уравнениям совместности перемещений сдвига (метод Н.К. Снитко)

1.7. Цели и задачи исследования

Глава II. УСТОЙЧИВОСТЬ ОДНОРОДНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ОТКОСОВ

2.1. Механико-математическая модель грунтовой среды

2.2. Инструмент исследования, параметры механико-математической модели и расчетных схем МКЭ при проведении компьютерного моделирования

2.3. Устойчивость изолированного вертикального откоса

2.3.1. Вычисление коэффициента запаса устойчивости и построение областей пластических деформаций

2.3.2. Анализ влияния напряженного состояния и физико-механических свойств грунтового массива на величину коэффициента запаса устойчивости и развитие областей пластических деформаций

2.3.3. Длительная устойчивость изолированного однородного вертикального откоса

2.4. Обеспечение кратковременной устойчивости вертикальных бортов строительных котлованов

2.5. Длительная устойчивость неукрепленных вертикальных бортов строительных котлованов

2.5.1. Критерий длительной устойчивости, понятие о взаимном влиянии откосов грунтового сооружения

Стр. 4

11

13

14

15 20

25

26 29

32 34

40 40

42 45

45

47 52 55 57 57

2.5.2. Инженерный метод определения геометрических параметров бортов строительного котлована, обеспечивающих их длительную устойчивость 60

Выводы по главе II 66

Глава III. Метод расчета давления грунта на жесткие ограждающие

конструкции и подпорные сооружения 67

3.1. Метод расчета бокового давления на основе анализа напряженного состояния грунтового массива 67

3.2. Инженерный метод расчета давления грунта на жесткие ограждающие конструкции и подпорные сооружения 80

3.3. Сопоставление полученных результатов с результатами расчетов классическим методом 88 Выводы по главе II 91

Глава IV. Метод подбора сечений гибких элементов подпорных

сооружений 92

4.1. Метод расчета элементов гибких ограждений котлованов

на боковое давление связного грунта 93

4.2. Инженерный метод расчета элементов гибких ограждений котлованов на боковое давление связного грунта 96 Выводы по главе IV 109

Глава V. Сопоставление результатов, получаемых при расчете предложенными методами с результатами экспериментальных данных и расчетов, полученных другими исследователями 110

5.1. Сопоставление результатов, получаемых при помощи предложенных методов, с результатами экспериментальных исследований, выполненных З.В.Цигарели 110

5.2. Сопоставление результатов вычислений с экспериментально-теоретическими данными В.Ф.Раюка 115

5.2.1. Сопоставление величины прогибов 115

5.2.2. Определение величины бокового давления грунта на

модель подпорной стенки 118

5.3. Сопоставление результатов вычислений с экспериментально-теоретическими данными

И.Я. Лучковского 121

Выводы по главе V

Основные выводы 131

Библиографический список 134

Приложения 148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. К ограждающим конструкциям относятся шпунты, стеновые ограждения колодцев, тоннелей и строительных котлованов, подпорные стенки и многие другие.

Задачи об определении величины давления грунта на ограждающие конструкции при наличии нагрузок на поверхности ставились уже давно, но до последнего времени еще не нашли своего строгого решения, что привело к использованию в практике строительства различных упрощенных методов, базирующихся на ряде гипотез и допущений, основными из которых являются:

поверхность скольжения принимается в виде наклонной плоскости, назначение угла наклона которой не всегда строго обосновано;

практически всегда учитывается лишь одна вертикальная нормальная составляющая напряжений;

величина коэффициента бокового давления грунта не всегда входит в расчетные формулы;

величина временной нагрузки, расположенной на поверхности котлована, суммируется с собственным весом грунта и не оказывает влияния на распределение горизонтальных нормальных и касательных напряжений в грунтовом массиве и т.д.

Поэтому, решение задачи об оценке величины бокового давления грунта на ограждающие конструкции с учетом нагрузки на поверхности грунта, является актуальным.

В связи с этим в настоящем диссертационном исследовании поставлена цель, предложить методы расчета величины бокового давления грунта на жесткие элементы удерживающих сооружений и подбора сечений элементов гибких ограждений котлованов, а также определение безопасных параметров, обеспечивающих длительную устойчивость вертикальных

незакрепленных откосов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих методов расчета предельной высоты вертикального откоса. На основании результатов этого анализа предложить расчетную модель и разработать инженерный метод расчета высоты вертикального откоса, обеспечивающую его длительную устойчивость.

2. Предложить инженерный метод расчета величины бокового давления грунта на жесткие удерживающие сооружения, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива, который не использует гипотезу о плоских поверхностях скольжения, был бы приемлем для сыпучих и связных грунтов и учитывал бы одну из важнейших характеристик напряженного состояния грунтового массива в естественном состоянии -коэффициент бокового давления грунта

3. Разработать инженерный метод, позволяющий проводить подбор сечений элементов гибких ограждающих конструкций котлованов, учитывающие деформационные свойства грунта.

4. Проверить адекватность предложенных методов путем сопоставление результатов, получаемых на их основе, с результатами экспериментальных и теоретических исследований, проведенных независимо от нас другими исследователями.

5. Разработать компьютерные программы-калькуляторы, в которых формализованы предложенные методы расчета.

Достоверность результатов диссертационного исследования, выводов и рекомендаций обоснована:

1. Теоретическими и экспериментальными предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости (методы конечных элементов и теории функций комплексного переменного), теории

пластичности, теории предельного равновесия, инженерной геологии и механики грунтов;

2. Результатами анализа известных расчетных методов и использованием апробированных гипотез и допущений;

3. Удовлетворительной сходимостью результатов сопоставительных расчетов с результатами экспериментальных данных, полученных другими авторами и результатами расчетов известными методами при адекватных значениях коэффициента бокового давления грунта, находящихся в интервале его природных значений.

4. Использованием в качестве инструмента исследования верифицированных компьютерных программ, зарегистрированных в государственном реестре.

5. Результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в строительную практику.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что

1. Определены графические и аналитические зависимости, позволяющие определить безопасную высоту однородного вертикального откоса, при которой гарантирована его длительная устойчивость при тех или иных физико-механических свойствах грунта, слагающего откос.

2. Получены и изучены закономерности изменения сил бокового давления на жесткие ограждающие конструкции в зависимости от геометрических параметров котлована, внешней равномерно распределенной нагрузки и ее интенсивности, физико-механических свойств грунта, включая величину коэффициента бокового давления грунта £>.

3. Разработан инженерный метод расчета величины бокового давления грунта на жесткие ограждения котлованов и удерживающие сооружения, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива, который, в отличии от известных, не предполагает принятия гипотез о форме поверхностей скольжения, а их положение и форма зависят от физико-механических свойств грунта, включая коэффициент бокового

давления геометрических параметров котлована и внешней равномерно распределенной нагрузки. Полученные графические и аналитические зависимости составили базу данных компьютерной программы-калькулятора, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности определять величины бокового давления грунта на ограждающие конструкции.

4. Предложен инженерный метод расчета сечения гибких элементов ограждающих конструкций котлованов, основанный на анализе величин перемещений точек грунтового массива, которые напрямую зависят не только от деформационных характеристик грунтов (Е0; £,), как это обычно имеет место быть, но и от геометрических параметров котлована, интенсивности, ширины и положения внешней равномерно распределенной нагрузки на дневной поверхности. Метод формализован в компьютерную программу-калькулятор, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности подбирать сечения гибких элементов ограждающих конструкций

Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проводимых на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2010-2013 г.г.

Представленные в диссертационной работе результаты исследований могут быть использованы для.

- определения безопасных параметров однородных вертикальных откосов, обеспечивающих их длительную устойчивость;

- вычисления сил бокового давления грунта на жесткие ограждающие конструкции котлованов и других грунтовых сооружений при наличии равномерно распределенной нагрузки различной интенсивности, ширины и положении на поверхности грунтового массива;

- расчета сечений элементов гибких ограждающих конструкций вертикальных выемок и котлованов в зависимости от деформационных

характеристик грунта и параметров внешней равномерно распределенной нагрузки;

- проведения курсового и дипломного проектирования студентами и магистрантами строительных вызов.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах: ежегодных научно-технических конференция преподавателей, аспирантов и студентов Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2010-2013гг); международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.); научно - техническом семинаре «Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции» (Новосибирск, 2011 г.); на международной IV научно - технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2013 г.); на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.

Личный вклад автора заключается в:

- определении параметров, составлении механико-математических моделей и расчетных схем МКЭ исследуемых объектов (вид, размеры, граничные условия, степень дискретизации);

- составлении рекомендаций для определения параметров, обеспечивающих длительную устойчивость вертикальных откосов;

- проведении, обработке результатов и анализе численных исследований величины бокового давления на жесткие удерживающие сооружения с учетом внешней нагрузки, физико-механических свойств грунта, в том числе и коэффициента бокового давления, построении графических зависимостей и записи их аналитических аппроксимаций;

- разработке инженерного метода расчета сил бокового давления на жесткие удерживающие сооружения и формализации его компьютерной программе-калькуляторе;

- разработке предложений по проведению расчета и подбору сечений гибких элементов ограждающих конструкций с учетом деформационных характеристик грунтов (Е0; £а), геометрических параметров котлована, интенсивности, ширины и положения внешней равномерно распределенной нагрузки на его дневной поверхности; разработке соответствующего инженерного метода и формализации его в компьютерной программе-калькуляторе;

- проведении сопоставительных расчетов, анализе и сравнении их результатов с экспериментальными и теоретическими данными, полученными другими авторами;

- внедрении результатов и рекомендаций диссертационной работы в практику проектирования и строительства.

На защиту выносятся:

1. Механико-математические модели и расчетные схемы МКЭ исследуемых объектов.

2. Выявленные закономерности влияния физико-механических свойств, величины коэффициента бокового давления грунта, параметров котлована и внешней равномерно распределенной нагрузки на величину бокового давления на жесткие удерживающие сооружения.

3. Инженерный метод расчета величины бокового давления на жесткие удерживающие сооружения.

4. Предложения по расчету сечений элементов гибких ограждающих конструкций в зависимости от деформационных характеристик грунта, параметров котлованов и внешней поверхностной нагрузки.

5. Компьютерные программы-калькуляторы, в которых формализованы предложенные методы расчета.

6. Результаты сопоставления экспериментальных и теоретических данных, полученных другими авторами, с результатами расчетов тех же объектов на основе сделанных в диссертационной работе предложений.

7. Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.

Результаты научных исследований внедрены:

- при проведении предварительных поверочных расчетов несущей способности шпунтового ограждения котлована на объекте: «Комплекс из трех 24-х этажных жилых домов со встроенными помещениями, подземной автостоянкой и многофункционального здания» по адресу: г. Волгоград, Советский район, ул. Авиаторская;

- в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 научных статьях, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы, из 130 наименований и приложений. Общий объем работы - 200 страниц машинописного текста, в том числе 147 страниц основного текста, содержащего 58 иллюстрации и 8 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедр «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ и научному руководителю, заслуженному работнику высшей школы РФ, советнику РААСН, доктору технических наук, профессору Богомолову А.Н. за ценные советы и замечания, постоянную помощь во время работы над диссертацией.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О РАСЧЕТЕ ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА НА ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Необходимость решения задачи об определении величины активного давления грунта на ограждение котлована возникает в том случае, когда высота вертикального откоса превышает значение Н90 - максимальное значение высоты устойчивого вертикального откоса для данного вида грунта.

История решения этой задачи насчитывает уже более 200 лет, начиная с работ, выполненных Кулоном [124], которые явились теоретической основой исследований отечественных и зарубежных ученых: Безухова Н.И. [1], Бескина М.Г. [3], Богомолова А.Н. [6-14; 16], Будина А.Я. [19], Гинзбурга Л.К. [24-26], Гольдштейна М.Н. [28-31], Доброва Э.М. [33], ДорфманаА.Г. [28-31], Ильичева В. А. [50], Караулова A.M. [53-56], Клейна Г.К. [57-59], Крея Г. [61], Лучковского И. Я. [63-68], Маслова H.H. [70-74], Мация С.И. [75-7