автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Разработка методики расчета плитных фундаментов на закарстованных основаниях и ее программная реализация

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Рыжков Алексей Игоревич

Разработка методики расчёта плитных фундаментов на закарстованных основаниях и её Программная реализация

05.23.02 - Основания и фундаменты

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук Незамутдинов Ш.Р.

Уфа -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................... 5

1. Методы расчёта фундаментных плит на закарстованных

основаниях....................... 10

1.1. Особенности карстового процесса и его воздействия на здания и сооружения ................. 10

1.2. Расчётные схемы фундаментов и методы их расчёта на воздействие карстовых провалов............ 19

1.3. Обзор программных средств расчёта используемых в практике строительного проектирования плитных фундаментов..................... 32

2. Методика расчёта плитных фундам^рв щ,воздействие

карстовых провалов.......Г л ...... 36

2.1. Выбор расчётной схемы основания и фундаментной плиты 36

2.2. Получение матрицы жесткости основания с карстовым провалом...................... 42

2.3. Методика учёта ослабленной зоны и моделирование неоднородного основания............... 68

3. Программная реализация методики расчёта......... 85

3.1. Общая последовательность и структура программного комплекса...................... 85

3.2. Особенности алгоритмов используемых в программе на

этапе создания геометрической модели......... 89

3.3. Особенности алгоритмов используемых при подготовке исходных данных................... 95

3.4. Алгоритмы используемые при определении элементов матрицы жесткости неоднородного основания......108

3.5. Краткая характеристика основного расчётного модуля программного комплекса...............112

4. Численные исследования предложенной методики с

использованием разработанного программного комплекса . . 115

4.1. Исследование влияния параметров расчётной схемы на получаемые усилия в фундаментной плите........115

4.2. Исследование влияния наличия провала в основании на усилия в плите....................129

4.3.Исследование влияния ослабленной зоны на усилия в

плите........................141

4.4. Сравнительный анализ разработанного программного комплекса расчёта плит на упругом основании с используемыми в настоящее время...........149

5. Примеры расчёта....................160

5.1. Численные исследования и расчёт фундаментной плиты здания «Башкредитбанка»...............160

5.2. Численные исследования и расчёт фундаментной плиты здания 9-10 этажного жилого дома № 17 в микрорайоне «Сипайлово-7» г. Уфы................170

5.3. Рекомендуемая процедура расчёта плит на упругом основании с провалом при помощи программного комплекса «РАСПЛИКА»...............178

Заключение........................181

Библиографический список использованной литературы .... 183

Приложение 1.......................201

Приложение 2.......................203

Приложение 3.......................210

СОКРАЩЕНИЯ

МКЭ - метод конечных элементов

МСЭ - метод суперэлементов

МКР - метод конечных разностей

МГЭ - метод граничных элементов

КЭ - конечный элемент

МЖ - матрица жесткости

ПК - программный комплекс

ВК - вычислительный комплекс

НДС - напряженно-деформированное состояние

ВВЕДЕНИЕ

Карстовые районы достаточно широко распространены на всей территории земного шара. По некоторым оценкам они занимают около 2530% всей площади суши земли [24]. Широкое распространение имеют такие районы в западных и центральных областях России, на Урале, в Восточной Сибири, на западе Украины, в Прибалтике, в восточных областях Казахстана. Большую актуальность вопросы строительного освоения карстоопаеных районов приобрели в Башкортостане, Татарстане, Нижегородской, Московской, Архангельской, Волгоградской, Курской, Белгородской, Брянской областях и ряде других регионов нашей страны.

Карст, как геологическое явление, несёт в себе значительную опасность для зданий и сооружений. Эта опасность объясняется появлением на поверхности земли различных карстопроявлений в виде провалов, просадок и оседаний, которые могут достаточно быстро возникнуть под подошвой фундамента и вызвать частичное или полное разрушение строительного объекта. Можно привести множество примеров подобных повреждений зданий и сооружений построенных в Дзержинске, Казани, Уфе, Куйбышеве, Нижнем Новгороде, Москве и других городах. При этом, как показала практика, специфика карстовых деформаций такова, что даже небольшие по размерам, они могут вызвать значительные повреждения всего сооружения. Именно по этой причине, долгое время карстоопасные районы считались непригодными и неэкономичными для строительства, что объяснялось главным образом его значительным удорожанием, соответственно застройка их, как правило, не велась. Это привело к тому, что наиболее пригодные тфритории особенно в городах к настоящему времени оказались застроены и при сложившемся дефиците площадей строительство всё чаще приходится вести на любых имеющихся площадках даже с низкой степенью их устойчивости по карсту. Так в го-

роде Уфе, в настоящее время, карстоопасные районы составляют порядка 50% территории города, планируемой под застройку [77]. Другая тенденция, вызванная дефицитом, повышением стоимости земли в городах и удорожанием инженерной подготовки, - это увеличение этажности возводимых объектов, строительство всё более крупных и тяжёлых сооружений, передающих на основание значительные нагрузки. Это требует применения соответствующих фундаментов, способных обеспечить наилучшую работу здания или сооружения и имеющих экономичную конструкцию.

Как показывает существующая практика, одной из наиболее оптимальных конструкций фундамента для ответственных и высотных объектов, возводимых в районах с возможным возникновением карстовых провалов, является плитный фундамент. Такой фундамент обеспечивает как необходимые требования по надёжности сооружения, так и оказывается более экономичным в сравнении с другими типами фундаментов. Кроме того фундаментная плита сама по себе находит широкое применение как конструкция используемая особенно в цромышленном строительстве как фундамент под производственные установки и оборудование, фундаменты силосов и АЭС, полы промышленных зданий, днища резервуаров и ряд других зачастую ответственных объектов.

В этой связи довольно часто в практике строительного проектирования приходится сталкиваться с необходимостью расчёта плитных фундаментов зданий и сооружений на особые нагрузки и воздействия, возможные при возникновением под фундаментом карстового провала. Эта задача вызывает определённые трудности у проектировщиков так как специальных средств, программ для автоматизированного проведения таких расчётов в настоящее время в проектных организациях нет. Поэтому приходится использовать универсальные программы расчёта строительных конструкций по МСЭ и МКЭ что приводит:

1) к увеличению (как правило значительному) трудозатрат на расчёт;

2) вызывает необходимость делать необоснованные допущения в расчётной схеме и отходить от рекомендуемой нормативами процедуры расчёта; 3) не позволяет учесть весь спектр возможных характеристик и свойств грунта основания при появлении в нем карстового провала; 4) в какой-то степени тормозит развитие нормативной базы для расчё-

« U М

тов фундаментов, здании и сооружении на основаниях с карстовыми провалами. Задача по устранению этих недостатков, несомненно, требует своего решения в рамках создания прикладных программ предназначенных для автоматизированного расчёта фундаментных плит зданий и сооружений на воздействие поверхностных карстопроявле-ний.

Ещё одна важная тенденция в развитии строительного проектирования заключается во всё большей автоматизации работ по созданию проектов зданий и сооружений, переходе к проведению всего комплекса конструкторских и расчётных процедур на единой геометрической и математической модели проектируемого объекта. Такие модели могут быть созданы с помощью достаточно разветвлённых и многофункциональных систем автоматизированного проектирования САПР, которые в настоящее время практически отсутствуют в проектных органи-

ГЧ М V* _____

зациях. В этой связи важной задачей сегодняшнего дня является совершенствование и развитие существующих САПР, создание прикладных программ направленных на эффективное решение всего комплекса вопросов, которые возникают в процессе проектирования конкретных объектов. Совершенно очевидно, что любое изменение или дополнение в традиционный порядок и методику проектирования должно реализовываться в виде программных продуктов, обеспечивающих возможность скорейшего внедрения данного нововведения в повседневную практику. Такой подход наилучшим образом способствует реализации основной задачи прикладной науки в области проектиро-

вания - совершенствование методов расчёта и получение эффективных конструктивных решений в целях ускорения работ связанных с созданием проекта, повышением его качества, а также уменьшением трудозатрат в ходе его выполнения.

Таким образом, расчёт плитных фундаментов на различные поверхностные карстопроявления является важной и актуальной инженерной задачей. Это обуславливает необходимость проведения научных исследований для всесторонней проработки методики таких расчётов и созданию эффективных программных средств их выполнения. Целью работы является: разработка методики расчёта плитных фундаментов на закарстованных основаниях и получение программы

расчёта для ЭВМ реализующей эту методику. Из поставленной цели вытекают следующие задачи:

- Разработать методику учёта реальной конфигурации карстового провала при расчёте плитных фундаментов;

- Разработать специальные конечные элементы в МКЭ позволяющие моделировать взаимодействие плитного фундамента и неоднородного основания с карстовым провалом;

- Разработать модель контактного взаимодействия фундаментной плиты с ослабленной зоной вокруг карстового провала;

- Получить основные матрицы жесткости МКЭ для разработанной модели расчёта плит на неоднородном упругом основании.

- Разработать программный комплекс, реализующий предложенную методику;

- Провести численные исследования эффективности предложенной методики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Разработана модель взаимодействия плитного фундамента с основанием с карстовой полостью;

- Разработана модель взаимодействия плитного фундамента с ослабленной зоной вокруг карстового провала;

- Разработана теория МКЭ основанная на применении нового типа, т.н. пограничных КЭ плиты на упругом неоднородном основании, для использования её при расчёте плит на карстовый провал.

Практическая ценность работы:

- Разработан программный комплекс «РАСПЛИКА», позволяющий автоматизировать и повысить эффективность процесса проектирования фундаментных плит на закарстованных основаниях.

В диссертационной работе на защиту выносятся:

- методика расчёта фундаментных плит на воздействие карстового провала;

- методика учёта ослабленной зоны вокруг провала при расчёте фундаментной плиты;

- программный комплекс, реализующий предложенные методики. Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на: межвузовском семинаре «Численные методы строительной механики» под руководством профессоров Ро-зина Л.А., Хечумова Р.А., Шапошникова М.Н. в Москве в 1998г; на 3-й украинской научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению, Одесса, 1997; международном научно-техническом семинаре при 3-й международной выставке «Строительство, архитектура коммунальное хозяйство-97», Уфа, 1997; международном научно-техническом семинаре при 4-ой международной выставке «Строительство, архитектура коммунальное хозяйство-98», Уфа, 1998;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 3-х приложений. Содержит 200 страниц печатного текста, 72 иллюстрации, использованных источников 160 из них на иностранном языке И.

1. МЕТОДЫ РАСЧЁТА ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛИТ НА ЗАКАРСТОВАННЫХ ОСНОВАНИЯХ

1.1. Особенности карстового процесса и его воздействия на здания и сооружения.

Активное изучение механизма протекания карстового процесса с позиций инженерной геологии и строительства было начато относительно недавно, несколько десятилетий назад. К настоящему времени сформированы общие представления о причинах возникновения и этапах развития карстово-еуффозионных явлений. Основными сложностями при оценке карстово-суффозионных процессов является их скрытость от непосредственного наблюдения, стохастический характер и множественность факторов способных влиять на их протекание. Районы, в геологическом строении которых присутствуют растворимые горные породы, как правило, предрасположены к развитию в них карстовых процессов. Общепризнанно понимание карста как совокупности явлений, природных геологических и инженерно-геологических процессов вызванных деятельностью воды и выражающихся в растворении горных пород в результате чего в них образуются пустоты разного размера и формы, изменяется их структура и состояние и как следствие могут происходить деформации земной поверхности (провалы, просадки, оседания и т.д.). Подобные определения можно встретить в работах [105; 125; 136; 137] и ряде др. К растворимым породам в которых могут происходить карстовые процессы относят: известняки и доломиты (карбонатный карст); гипсы и ангидриты (сульфатный карст); каменную и калийную соли (соляной карст). Кроме наличия в геологическом строении района растворимой породы развитию карста способствуют также: трещиноватость этих пород, определённая скорость, направление движения и агрессивность подземных вод, неблагоприятный рельеф местности [34 с.135]. Существен-

ное влияние на карстовый процесс может оказывать антропогенный фактор [75 с.39; 105 с.З].

С точки зрения строительства наибольшую опасность представляет т.н. покрытый карст [105 с.20], когда карстующиеся породы перекрыты слоями нерастворимых пород и не выходят на поверхность земли. Именно в этом случае, происходит невидимое с поверхности земли образование подземных полостей и разуплотнённых зон, которые при достижении ими критических размеров могут вызвать обрушение грунта над ними и привести к неожиданному и быстрому появлению на поверхности грунтового массива провалов и оседаний. Появление этих карстопроявлений на поверхности земли может приводить к отказу оснований и фундаментов зданий, а также повреждениям освоенных территорий. Такие явления представляют значительную опасность для жизни людей и как правило приводят к значительные материальным потерям. Главным образом с этим и связаны особые условия строительства в карстоопасных районах.

Механизм возникновения провалов и оседаний при покрытом карсте может быть чрезвычайно многообразен и зависит от многих факторов. Как правило механизм карстовых деформаций заключается в разрушении пород покрывающей толщи над карстовой полостью, их перемещение в эту полость в результате действия гравитационных, гидростатических и гидродинамических сил. Это может быть гравитационное обрушение кровли карстовой полости (внутренний вывал, цилиндрический провал, сводообразный провал), плавное сдвижение (прогиб), вязкопластическое течение, уплотнение, либо суффозионный вынос грунтов в полость или систему трещин [137 с.30]. Механизм образования карстовых провалов и характеристики грунтов, покрывающих карстуемые породы, в значительной мере определяют форму карстопроявления на дневной поверхности земли. Диапазон здесь достаточно широк от колодцеобразных провалов до незначительных про-

седаний земной поверхности. В отношении формы поверхностных кар-стопроявлений, заслуживают внимание классификации приведённые в рекомендации НИИОСПа [106] и монографии [137]. Практически всегда имеется значительная неопределённость в отношении размера возможного карстового провала. В настоящее время в практике проектировании зданий и сооружений для карстоопасных районов преобладает подход основанный на принятии для расчёта наиболее вероятного для данной площадки размера провала. Размер провала определяется на основе статистических методов в процессе инженерно-геологических изысканий. При этом вводится понятие расчётного диаметра карстового провала, т.е. величины участка основания исключаемого из работы под фундаментом в расчётной схеме. Расчётный диаметр провала, как правило, является основным параметром для анализа работы фундамента и надземных конструкций здания в случае проявления под ним карстовой воронки. Однако, как показывает ряд исследований [137 с.92], даже в одном карстовом районе размеры воронок могут различаться в несколько раз. В «Рекомендации...» разработа�