автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета свайных фундаментов в сейсмических районах Краснодарского края

На правах рукописи

Солодовник Наталия Вячеславовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

Специальность

05.23.17-«Строительная механика» 05.23.02- «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2006

Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ДЫБА Владимир Петрович

Научный консультант:

доктор технических наук, доцент СКИБИН Геннадий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГАЙДЖУРОВ Петр Павлович

доктор технических наук, профессор БОГОМОЛОВ Александр Николаевич

Ведущая организация: Южный центр научно - технического обеспечения федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.

Защита состоится « 4 » апреля 2006 г в 1300 на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 3440¿Л, г Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 217. Факс 8(863) 263 53 10

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Ростовского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «...» февраля 2006 г

Ученый секретарь диссертационного Сове профессор, доктор технических наук

XQoCh

W

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Увеличение сейсмичности района черноморского побережья до 8 баллов заставляет пересмотреть сложившиеся традиции городского фундаментостроения, делает актуальной оценку сейсмостойкости сооружений, их фундаментов и оснований.

Анализ наблюдений за сооружениями г. Новороссийска, исследование дефектов зданий, подвергшихся сейсмическому воздействию, позволили выявить сейсмостойкие типы фундаментов в инженерно - геологических условиях черноморского побережья. К сейсмостойким типам фундаментов отнесены фундаментные плиты и фундаменты на сваях - стойках.

Нормативные документы утверждают, что сейсмостойкость сооружений, их фундаментов и оснований оценивается расчетом по первой группе предельных состояний на особое сочетание нагрузок, включающее сейсмические.

Естественным, органичным инструментом для расчета строительных конструкций по первой группе предельных состояний (Ultimate Limit States согласно Европейским правилам геотехнического проектирования) является предельный анализ, превратившийся в настоящее время в хорошо разработанный математический аппарат.

Согласно предельному анализу статически допустимому полю напряжений, построенному и в основании и в теле фундамента, соответствуют нагрузки, не превышающие предельные. А построенному кинематически допустимому полю скоростей, удовлетворяющему нормальному закону текучести, соответствуют нагрузки, не меньшие предельных.

Верхние слои грунта изменяют параметры приходящих из глубин сейсмических волн, вносят дополнительную податливость по сравнению с расчетной схемой, в которой фундаменты считаются жесткозаделанными, что влияет на частоты и амплитуды колебаний сооружений. Наибольших отличий в колебаниях сооружения и грунтовой среды следует ожидать в случае фундаментов на сваях стойках, прорезающих верхние слои грунта и опирающихся на скальное основание, что характерно для инженерно -геологических условий черноморского побережья.

Следовательно, актуальным является решение задачи о взаимодействии фундаментов на сваях - стойках с сейсмическими волнами, которое позволит указать параметры колебаний сооружения по заданным параметрам сейсмической волны.

Как правило, для решения задачи о взаимодействия сооружения с сейсмической волной используют упругую модель среды. Однако, решение задачи о взаимодействии в рамках модели упругой среды не может ответить на вопросы о параметрах сейсмического воздействия, при которых в около свайной грунтовой среде появляются пластические зоны, о возможных демпфирующих свойствах свайного фундамента, о влиянии пластических

99С. НАЦИОНАЛЬНАq БИБЛИОТЕКА

шарниров железобетонного свайного фундамента на процесс взаимодействия сооружения и сейсмической волны нагружения.

Ответ на поставленные вопросы дает жестко- пластический анализ системы «железобетонный свайных фундамент - грунтовое основание», представленный в данной диссертационной работе.

Цель диссертационной работы:

В связи с повышением сейсмической опасности в районах черноморского побережья России повысить надежность проектирования зданий на свайных фундаментах в сейсмических районах Краснодарского края путем совершенствования методов расчета взаимодействия сооружения с сейсмическими волнами.

Решить задачу о взаимодействии поверхностных сейсмических волн с фундаментами методами предельного анализа.

Оценить демпфирующие свойства системы «железобетонный свайный фундамент - грунтовая среда».

Дать рекомендации по проектированию и расчету сейсмостойких фундаментов.

Научная новизна работы

1. Указаны оптимальные сейсмостойкие фундаменты для грунтовых условий черноморского побережья.

2. При решении задачи о взаимодействии сейсмических волн со свайными фундаментами впервые применены методы предельного анализа.

3. Получено уравнение колебаний сооружения на сваях- стойках с высоким ростверком при наличии пластических областей в околосвайной среде.

4. На основе численных расчетов оценены демпфирующие свойства системы «железобетонный свайный фундамент - грунтовая среда» при сейсмическом воздействии.

Достоверность новых результатов обеспечивается использованием реальной базы данных о влиянии землетрясений на здания с различными типами фундаментов; применением общепризнанных фундаментальных принципов механики сплошной среды, получением решений дифференциального уравнения колебаний с помощью стандартных программных средств в системе \4athCAD.

Практическая ценность работы.

Полученный в работе критерий позволяет определить по параметрам сейсмического воздействия, по характеристикам грунтовой среды и сооружения появление пластических зон вокруг свай - стоек. В этом случае разработанная методика позволяет определить параметры колебаний фундамента, отличные от параметров колебаний окружающей грунтовой среды. Рассчитанное уменьшение амплитуды колебаний ростверка относительно амплитуды колебаний околосвайной грунтовой среды

позволяет обоснованно снижать расчетную сейсмическую нагрузку на строительные конструкции здания.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях ЮРГТУ(НПИ) (2002-2005г.), на международной конференции, посвященной памяти проф. Дурова И.С. (Новочеркасск, 2004), на международной конференции «Вычислительная механика деформируемого твердого тела» в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ).

Внедрение результатов.

Результаты исследований переданы для апробации на практике в проектный институт ОАО «Новоросгражданпроекто 2005 г.

Новороссийска.

По материалам диссертационных исследований написан специальный курс для студентов специальности ПГС.

На защиту выносятся.

1.Анализ проектных решений фундаментов в сейсмических районах черноморского побережья Краснодарского края.

2. Применение предельного анализа при расчете свайных фундаментов на сейсмические воздействия по первому предельному состоянию.

3. Решение задачи о взаимодействии сооружений на свайных фундаментах с поверхностными сейсмическими волнами.

4. Критерий состояния около свайного грунта при сейсмических нагрузках.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в б опубликованных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 105 наименований. Полный объем диссертации -159 страниц, включая 27 рисунков, 2 таблицы, 7 приложений.

Диссертационная работа является научным исследованием, проведенным в рамках научной школы механики грунтов и фундаментостроения ЮРГТУ(НПИ) (рук. проф., д.т.н. Мурзенко Ю.Н.) и в рамках научного направления ЮРГТУ(НПИ) «Численно-аналитические методы исследования задач нелинейной механики» (рук. проф., д.ф-м.н. Пасенчук А.Э.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При выполнении диссертационной работы производились ссылки на труды отечественных и зарубежных ученых Ю.М. и М.Ю. Абелевых, Ю.А. Амензаде, И.И. Артоболевского, Н. Baier, A.K. Бугрова, Г.В. Василькова С., A.A. Гвоздева, АЛ. Гольдина, A.A. Григорян, Б.Н. Дидуха, Б.И. Долматова, В.П. Дыбы, П.Д. Евдокимова, Ю.К. Зарецкого, В.А. Ильичева, А.Ю. Ишлинского, Р. Калмана, Я.А. Каменяржа, П.Л. Коновалова, J. Koski, А.П. Криворотова,., М.В. Малышева, G. Leitmann, Ю.Н. Мурзенко, H.H. Моисеева, В.И. Новоторцева, В.Н. Николаевского, Ш. Окамото, Н.В. Орнадского, А. Osyczka, S.S. Pao, Ю.Н. Работнова, Е.Ф. Саваренского, В.И. Сергеева, А.П. Синицина, И.М. Соболя, В.В. Соколовского, В.И. Соломина, Е.А. Сорочана, Л.Р. Ставницера, Р.Б. Статникова, С.Б. Ухова, В.М. Улицкого, W. Stadler, В.Г. Федоровского, К.Ш. Шадунца, A.B. Школы, Дж.А. Эйби, и др.

Во введении обосновывается актуальность темы, ее научная и практическая целесообразность. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В первой главе дан обзор и критический анализ практики проектирования и строительства оснований и фундаментов в г. Новороссийске, расположенном в зоне повышенной сейсмичности (8 баллов).

В геологическом строении площадок строительства принимают участие в основном элювиальные породы - мергели пелитоморфные от выветрелых до сильно выветрелых, трещиноватых. Ряд районов представлен просадочными грунтами. Кроме того, последние годы наметилась тенденция подтопления фундаментов подземными водами.

При выборе типа фундаментов предпочтение отдается сборным с опиранием их на скальные породы. На просадочных и слабых грунтах традиционно применяют сваи - стойки, преимущественно забивные. Последние годы стали внедряться в практику буронабивные.

Если обратиться к результатам обследований последствий землетрясений, можно увидеть, что тип фундаментов играет достаточно важную роль в устойчивости здания и сохранении несущей способности его основания.

При обследовании последствий землетрясений в различных источниках отмечалось неодинаковая степень повреждений однотипных зданий на фундаментах различного типа. И во всех случаях отмечается, что отношение числа поврежденных зданий к их общему числу на фундаментах мелкого заложения примерно в 1,5 раза превышало аналогичную величину для зданий на свайных фундаментах. Как показали наблюдения, наибольшее повреждение претерпели здания на столбчатых фундаментах мелкого заложения и наименьшее - на сплошной железобетонной плите Здания же

на свайных фундаментах по сравнению с железобетонной плитой дали не четкую картину.

Из анализа данных наблюдений становится ясно, что при проектировании фундаментов в сейсмическом районе черноморского побережья надо отдавать предпочтение свайным фундаментам и фундаментам в виде сплошной плиты.

Далее в первой главе анализируется компьютерный метод оптимального проектирования оснований и фундаментов, развитый Новочеркасской научной школой механики грунтов и фундаментостроения и реализованный в программном комплексе АПОФЕОС. Принципы компьютерного проектирования, основанного на многоуровневой оптимизации, разрабатывались коллективом кафедры САПР ОСФ Южно -Российского технического университета под руководством Ю.Н. Мурзенко. Разработчики ПК АПОФЕОС замечают, что программный модуль "критерий" может быть расширен, т.е. могут быть добавлены другие критерии или могут быть модифицированы уже имеющиеся критерии в ( зависимости от особенности объекта или района строительства.

Действительно, при проектировании в сейсмических районах без добавления критерия, характеризующего сейсмостойкость сооружения, использование компьютерного проектирования не может привести к реальной оптимизации проекта фундаментов и основания.

В задачах сейсмостойкости сооружений их основание рассматривается как источник колебаний сооружения и одновременно как один из элементов самого сооружения, прочность которого должна быть обеспечена и при сейсмических нагрузках. При этом сами сейсмические нагрузки на фундамент сооружения желательно определять путем решения задачи о взаимодействии фундамента и окружающей грунтовой среды, испытывающей собственные колебания. Автор считает, что для расчета такого взаимодействия упругих моделей грунтовой среды недостаточно.

В результате произведенного анализа уточнены задачи диссертационного исследования

Во второй главе рассматривается предельный анализ пластических систем в расчетах фундаментов и оснований по первой группе предельных состояний применительно к задаче взаимодействия сооружения на свайном фундаменте с поверхностными сейсмическими волнами.

Оригинальные и глубокие идеи предельного анализа были высказаны

A.A. Гвоздевым еще в 30-е годы прошлого века. В настоящее время предельный анализ представляет собой эффективно работающую и в значительной степени завершенную область механики и прикладной математики. В области оснований и фундаментов указанный метод развивает

B.П. Дыба.

В соответствии с современной концепцией пластического разрушения грунтов проводится обзор условий предельного состояния грунтов. Описывается применяемая далее модель идеального жесткопластического тела.

Пусть по основанию в виде слоя грунта на скальном полупространстве проходит поверхностная сейсмическая волна. Собственные колебания основания вынуждают колебаться сооружение на свайном фундаменте (рис.1). При этом возникают силы инерции (момент инерции М относительно заделки сваи-стойки в грунт), действующие со стороны свайного фундамента на окружающий грунт. Если эти силы не приводят к появлению пластических областей вокруг свай, то система «сооружение - основание» находится в упругом или «жестком» состоянии. При достижении моментом инерции предельного значения вокруг сваи появится область пластического течения.

Несущая способность может быть оценена сверху и снизу на основании экстремальных свойств предельных состояний текучести.

Для задачи, представленной на рис.1, в диссертационной работе конкретизируются формулировки теорем A.A. Гвоздева. Показывается, что источником нижних оценок предельного значения момента инерции М» являются статически допустимые поля напряжений (для которых выполняются условия равновесия и условие на функцию текучести f\p(J)<,Q) в теле фундамента и во всем основании. Показывается, что по

заданному кинематически допустимому полю скоростей, удовлетворяющему нормальному закону текучести, определяются верхние оценки предельного значения момента инерции М* по формуле

(1)

а у у

Рис. 1 Схема сооружения на сваях-стойках.

Вычисляя нижние и верхние оценки, получаем «коридор», куда должно попадать неизвестное значение предельного момента.

В третьей главе развиваются методы оценки сейсмостойкости сооружений на спайных фундаментах расчетом по первому предельному состоянию.

Анализируются сейсмические воздействия на систему «сооружение-основание». Указывается, что для сооружений, не попавших в самый эпицентр землетрясения, самыми опасными являются поверхностные сейсмические волны, медленнее других теряющие свою энергию с расстоянием. Поверхностные волны являются смесью волн Лява и волн

Релея. Для типичных оснований Черноморского побережья, представленных слоем дисперсного грунта на скальном основании, волны Лява являютя собственными колебаниями

Автор считает, что расчет взаимодействия сейсмических волн в грунтовой среде с фундаментом и сооружением позволит, в некоторых условиях, более точно найти силы действующие на фундамент, амплитуду и частоту колебаний фундамента.

Инженерно- геологическое строение грунтового основания, тип выбранного фундамента, статистические данные о расстояниях до возможных эпицентров землетрясений позволяют конкретизировать и уточнить расчет на сейсмостойкость оснований и фундаментов.

На черноморском побережье, в ряде районов, применяются сваи -стойки, прорезающие слой просадочных грунтов и опирающиеся на скальное основание. Расстояния до эпицентров зарегистрированных землетрясений достаточно большие. Следовательно, наибольшую опасность для зданий и сооружений, в этом случае, представляют поверхностные L - волны, в частности волны Лява, что определяется строением основания. Параметры волны Лява определяются экспериментально или по характеристикам слоя грунта и подстилающего скального полупространства.

Исследование взаимодействия волны Лява и свайного фундамента позволяет более точно рассчитать сейсмостойкость сооружения. Рассмотрим движение массы т, опирающейся на сваю - стойку.

Скорость частиц грунта в волне Лява определяется выражением (2):

V} = A sin (aqx г - у )sin (cqt ), (2)

где А - произвольная постоянная, величины а, у, с, q зависят от упругих характеристик слоя грунта и подстилающей скалы, а также от толщины слоя грунтаН.

Будем считать приближенно зависимость V3 от х2 на отрезке [-Н, 0] линейной, т.е.

УЪ = -Ak^ún {cqí)f (3)

где к - -sia(aqH + yr)+ sin у/ .

В этом случае расчетная модель выглядит так (рис.2.):

х2

Рис.2. Расчетная модель

Исходя из формулы (3) можно считать, что грунтовая среда поворачивается вокруг т.О (рис.2) с угловой скоростью

<йх = -~5т(с<7/))ХаК) ЧТО Уз = .

Под воздействием внешних сил свая- стойка будет поворачиваться вокруг начала координат с угловой скоростью б), следовательно, точки сваи будут иметь линейную скорость

Гс=1Ь-Х2

Тогда скорость грунтовой среды относительно сваи определится по формуле К -Уз -У." Ч - ¿>)*2 *8ш(с?<)-*>]Х2 .

Рассмотрим поле скоростей в пластическом грунте, обтекающем сваю. Выберем слой грунта, толщиной <1х2, перпендикулярный оси х2.

Экстремальные принципы предельных состояний текучести говорят, что по любому кинематически допустимому полю скоростей в пластической системе, соответствующему ассоциированному (нормальному) закону течения, находятся предельные нагрузки, не меньшие действительных.

Рассмотрим простейшее кусочно-постоянное поле скоростей (рис 3.), образованное скольжением недеформированных блоков друг относительно друга. Вне движущихся блоков поле скоростей нулевое, т.е. в данном случае считаем, что свая двигается со скоростью У0 в пластическом грунте.

Такое иоле скоростей не противоречит нормальному закону течения для среды, обладающей только сцеплением, для глин, скальных пород. Приближенно этот прием можно применить и для супесчаных грунтов, обладающих трением, учитывая внутреннее трение повышенным коэффициентом сцепления..

Рис.3. Кусочно-постоянное поле скоростей.

и

Построим диаграмму относительных скоростей (рис.4.), считая, что свая с некоторой ромбовидной областью (блок А) двигается с единичной скоростью.

Рис.4 Диаграмма скоростей.

Обозначим Мтутр- мощность внутренних сил пластического деформирования системы, которая равна сумме произведений величины сцепления грунта сг на площади поверхностей скольжения и на величину относительной скорости между блоками. Тогда дифференциал этой величины выразится следующей формулой

dMMymp = SRf(a)V0c,.dx2, (4)

где R- радиус поперечного сечения сваи,

/(«)= 1 + + 1

cosa 2sina sina(cosa)

Из уравнения /'(«)= 0 найдем значение угла a = 0,632 радиан или а = 36,2" градусов, при котором наши верхние оценки нагрузок на сваю будут наилучшими (наименьшими) для выбранного множества возможных полей скоростей. При значении a = 0,632 функция /(а) = 37,5.

Интегрируя (4) по длине сваи, получим мощность внутренних сил пластического деформирования грунтовой среды

М,„утр =37,5c,.R ¡V0dx2

М,

eiiymp

■■ 37,Se rR

H

-.н

А и ■

<0 +--ASin

И

м]

(5)

Обозначим неизвестный искомый момент действующий на сваю как Мс, тогда мощность внешних сил, действующих на пластический грунт, определится по формуле

л . . . .

(6)

Из равенства выражений (5) и (6) найдем верхнюю оценку величины Мс, при этом превышение нагрузки, действующей на сваю идет в запас расчета. Учтем, что момент Мс противодействует движению сваи совместно с

М.

,„еш = Мс(а>+ '' ksmicc/l}) п

грунтом, двигающимся мимо нее с относительной скоростью У0, с помощью знака:

Мс = а> + ук 8т(сд(^7,5 (7)

Уравнение колебаний модели строительной конструкции вокруг начала координат выглядит так

Л,й> = -А/е (8)

где 1хГ момент инерции строительной системы относительно оси Ох1, а величина Мс выражается формулой (7).

Грунт вокруг сваи при сейсмическом воздействии может находиться в одном из трех состояний в зависимости от амплитуды сейсмических ускорений:

а) в «жестком» состоянии, когда величина момента от инерционных сил не достигает величины М„ грунт не разрушается, и сооружение колеблется по закону грунтовой среды, т.е. = <й;

б) в «жестко-пластическом», когда в некоторые отрезки времени момент от инерционных сил достигает предельной величины Мс и вокруг сваи образуется ноле течения грунта, а в остальное время грунт вокруг сваи находится в состоянии «а»;

в) в «пластическом», когда в любой отрезок времени вокруг сваи пластическое течение грунта.

Представляется очевидным, что демпфирование сейсмических колебаний свайным фундаментом может проявиться преимущественно в состоянии «б» и «в».

Вернемся к односвайной модели на рис.2.

Ак

Угловая скорость грунтовой среды =

Отсюда, угловое ускорение грунтовой среды ¿»„ - - со

Н

Тогда Лк*^ наибольшее значение углового ускорения.

Н

Следовательно, % J - наибольший момент инерции сооружения, Н

если оно двигается вместе с грунтом.

Из формулы (7) величина предельного момента сопротивления

грунта + тогда

/Л/с/=18,75сгЛЯ , т.к. + ^Ьт(с^)| = ±1

Следовательно, состояние системы «жесткое» будет при условии, что наибольший момент инерции не превышает предельного момента сопротивления.

Аксг г цг

-У.J <18,75с, Я

Н

<

т.к. J = тН2, то тНг < 18,75с^"* | : шН2 Н

и получаем, что в рамках рассматриваемой модели состояние грунтовой среды «а» определяется условием :

Щсч 18.75 с, Я

г<9>

Условие (9) перепишем в виде

АЩсцт 18.75#с,7?

<1

(Ю)

где правая безразмерная часть, обозначенная А, является критерием.

Но величине критерия А можно судить о появлении пластических областей в околосвайной грунтовой среде в результате взаимодействия сооружения на свайном основании с собственными поверхностными сейсмическими колебаниями грунтового основания.

Если Д<1, то состояние грунтовой среды, с точки зрения развиваемой модели, «жесткое». Пластические эффекты, в том числе и демпфирование, проявляются слабо. В этом случае взаимодействие сооружения и сейсмической волны следует изучать с помощью упругих моделей.

Если А>1, то состояние грунтовой среды пластическое или жестко-пластическое. В этом случае с помощью развиваемой в данной главе модели взаимодействия можно рассчитать уменьшение амплитуд колебаний скоростей и ускорений фундамента по сравнению с аналогичными величинами для грунтового основания.

Рассмотрим сооружение массой т опирающееся на п свай-стоек, которые прорезают слой относительно слабых грунтов и передают нагрузку на скальное основание (рис.5).

Сооружение массой ш

Т 41 ч^

„кальное основание1

Предельные изгибающие моменты

Грунт

Рис 5 Сооружение на сваях-стойках

Так как длина сейсмической поверхностной волны много больше размеров сооружения, можно считать, что сейсмическая волна вокруг каждой колонны находится в одной и той же фазе. Это позволяет рассматривать одно уравнение колебаний для всего здания.

В отличие от расчетной схемы на рисунке 2 для кинематической допустимости горизонтальных колебаний жестких свай необходимо появление пластических шарниров в местах заделки железобетонных свай в ростверк. В пластическом шарнире величина предельного изгибающего момента М,|р вычисляется по формуле

где а, -предел текучести рабочей арматуры, площадь рабочей арматуры, И- расстояние от оси арматуры до центра сжатой области. Момент М„р противодействует повороту сваи вокруг т.О в любом направлении и,

следовательно, имеет знак противоположный знаку угловой скорости ¿>. Тогда уравнение колебаний запишется следующим образом

в>~ -а-ящп

где

( \

СО

\ /

18,7 5сгШ2п а= '

. (И) (12)

Ь = -

Атсд вш {у/ )//

(13)

ист7-5аЛ

'х\

(14)

В формулах (12, 13, 14) 1Х| - момент инерции сооружения относительно оси х1.

Относительное движение материальной «точки» можно рассматривать как абсолютное движение, если к действующим на точку силам присоединить переносную и кориолисову силы инерции. Движение неинерциальной системы с началом в т.О (рис.2) является поступательным. Поэтому кориолисова сила нулевая, а переносная сила инерции дает момент, который при делении на и представляется слагаемым уравнения (11), содержащим параметр (13).

Момент сил инерции относительно т.О будет равен ФН, тогда вместо уравнения (8) получим следующее уравнение колебаний:

Задаваясь параметрами, решаем уравнение колебаний в системе МаЛсас!, используя стандартные встроенные программы для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, получаем зависимости

угловых скоростей колебаний, ускорений, горизонтальных скоростей сооружения и грунта поверхности.

Анализируя полученные зависимости, видим, что амплитуды скоростей сооружения примерно в два, а амплитуды ускорений сооружения в четыре раза меньше соответствующих амплитуд собственных колебаний грунтовой среды. Это говорит о демпфирующих свойствах свайного основания.

а)

Зависимость угловой скорости колебаний от времени:

У(1>

б)

Зависимость углового ускорения от времени:

2

-2

О

2

4

В)

Сравнение горизонтальных скоростей сооружения и фунта поверхности

02

-0 2

0

2

4

Рис.6. Пример расчета колебаний в среде МаШСАО

Судить о демпфирующих свойствах свайного основания можно по отношению наибольшей амплитуде угловой скорости свай к наибольшей амплитуде угловой скорости слоя фунта. Это отношение следует вычислять на промежутке времени ^ = 6—14 сек, что соответствует длительности зарегистрированных на черноморском побережье землетрясениях.

При заданных параметрах сейсмической волны процесс взаимодействия зависит от следующих величин: Д (10), а (12), Ь (13).5 (14) и

При значении критерия Д >1 в около свайном грунте появятся зоны пластического течения.

Ускорение а зависит от отношения моментов сил, действующих на сооружение со стороны грунтовой среды, к моменту инерции сооружения.

Ускорение в характеризуется отношением предельных изгибающих моментов в заделке свай в ростверк к моменту инерции сооружения.

Ускорение Ь характеризуется отношением моментов, возникающих от переносных сил инерции, к моменту инерции сооружения, т.е. учитывает волновой процесс в скальном основании.

Пусть х - отношение наибольшей амплитуде угловой скорости свай к амплитуде угловой скорости слоя грунта. Число х является характеристикой величины демпфирования сейсмических колебаний слоя грунта свайным фундаментом. Амплитуда колебаний угловых скоростей здания будут

1

меньше амплитуды колебаний угловых скоростей слоя грунта в — раз.

Для условий основного примера, приведенного в диссертации, (3.4), зависимость х от величины а представлена на рис. 7.

а

Рис 7 Зависимость отношения амплитуд х от величины параметра а

Зависимость отношения амплитуд угловых скоростей свай и слоя фунта от параметра б, зависящего от предельного изгибающего момента сваи, представлена на рис.8

Из графиков, представленных на рисунках 8 и 9, видно, что свойство демпфирования проявляется у свайного фундамента в интервале значений параметров: а < 0,9 и 0,05<8<0,60.

2

1.5

X 1 0.5

° 0 0.2 0.4 0.6 0.8

Рис.8. Зависимость отношения амплитуд % от величины параметра е.

Из рисунков 7 и 8 следует, что далеко не при всех сочетаниях значений параметров свойство демпфирования проявляется.

Если бы можно было представить балльность сейсмической площадки как некоторую непрерывную величину, то в случае /</ следует сказать, что балльность строительной площадки уменьшилась в результате устройства свайного фундамента, умножившись на величину %

Изложенный в диссертации метод расчета колебаний фундамента при сейсмическом воздействии, с теоретической точки зрения, обязан давать насколько завышенную величину амплитуды колебаний фундамента. Это вытекает из того, что величина силы, действующей на сваи со стороны грунтовой среды, определяется по кинематически допустимому полю скоростей и является на основании соответствующей теоремы Гвоздева верхней оценкой. Следовательно, расчет колебаний фундамента, изложенный в данной работе, производится с некоторым неизвестным запасом. Амплитуды истинных колебаний (под которыми сейчас понимаются амплитуды точного решения для жесткопластической системы) будут меньше расчетных.

Кроме того, в результате первых колебаний реальный грунт в окрестности свай становится неоднородным. Где-то плотность его увеличивается, а в области, где в разные моменты времени находится свая, разуплотняется, вплоть до образования пустот. Следовательно величина силы, действующей со стороны грунта на сваю, с каждым периодом колебаний уменьшается и нагружение свай становится не таким жестким, т.е. напряжения не меняются скачками. Это тоже идет в запас расчета.

В сейсмических зонах здания сооружаются с относительно более массивными первыми этажами и более легкими верхними. Это позволяет уменьшить расстояние центра тяжести до поверхности грунта И. Для

жестких зданий эту величину при вычислении моментов инерции в развиваемом методе расчета следует прибавлять к величине Н.

Если пренебречь гибкостью зданий нельзя и требуется расчет конструкций при различных формах колебаний, то результаты расчетов по предлагаемому методу можно использовать для обоснованного уменьшения сейсмического коэффициента в традиционных нормативных расчетах на сейсмические воздействия. Это полностью соответствует мнению Н.А.Цытовича и В.Г.Березанцева : «По видимому, в ряде случаев при заделке концов свай в плотные грунты и надежном закреплении их голов в прочных ростверках существенную помощь в работе на сейсмические воздействия могут оказать свайные фундаменты».

В четвертой главе обсуждается вопрос о месте разработанной методики среди строительных правил проектирования в сейсмических районах, даются рекомендации по проектированию и расчету сейсмостойких фундаментов на сваях- стойках.

В частности, большое внимание уделяется буроинъекционным сваям. В диссертации развиваются идеи Ставницера Л.Р., Шадунца К.Ш., по применению свай данной конструкции в Краснодарском крае.

Разработанная в диссертации методика позволяет оценить параметры взаимодействия сооружения и грунтового основания в пластической стадии для случая свайного фундамента

Для того, чтобы ограничить колебания зданий при землетрясениях, применяется демпфирование. Демпфирующие устройства основаны на поглощении избыточной энергии в результате пластической деформации. Энергия поглощается также в областях пластического течения грунта примыкающих к фундаменту. Ясно, что вопросы демпфирования не могут бьггь решены в рамках упругих моделей сооружения и грунтового основания.

С помощью пластической модели в данной диссертационной работе решается вопрос о возможном ограничении колебаний здания по сравнению с колебаниями грунтовой среды для самого перспективного с точки зрения демпфирования фундамента на сваях — стойках.

Разработанная методика позволяет определить по прочностным характеристикам грунта, бетона, арматуры, по моменту инерции сооружения появляются ли зоны пластического течения грунта в около свайном пространстве. При наличии пластических зон проявляется эффект демпфирования. Полученные в диссертации решения позволяют определить отношение амплитуд скоростей фундамента и окружающего грунта.

Новая методика не противоречит действующим правилам расчета на сейсмостойкость, но дополняет их, позволяя в ряде случаев обоснованно снижать сейсмическую нагрузку на строительные конструкции здания Актуальность методики подчеркивается тем, что вне всяких расчетов нормы ряда стран рекомендуют принимать сейсмические нагрузки при свайных фундаментах на 20% больше, чем при ленточных фундаментах, и на 10% больше, чем при фундаментах в виде сплошной плиты

Можно ли, не проводя численного эксперимента, определить, обладает или нет свайный фундамент демпфирующим свойством? Каков критерий появления в около свайном грунте зон пластического течения, в которых диссипируется сейсмическая энергия, наличие которых и вызывает эффект демпфирования?

На эти вопросы следует ответить положительно. Можно указать такой критерий, зависящий от параметров сейсмического воздействия, прочностных свойств грунта и железобетона, от массы сооружения и мощности слоя грунта.

В пункте 3.3 для односвайной модели сооружения, взаимодействующей с поверхностной волной, выведен критерий Д появления зон пластического течения фунта вокруг сваи:

А\к\сдт

= \i.l5HcpR' (15>

где Щ- амплитуда горизонтальных скоростей поверхности грунта, с-фазовая скорость поверхностной волны Лява, я - частота поверхностной волны Лява, т - масса сооружения, Н - расстояние от точки опоры сваи на скалу до центра масс сооружения, сг - сцепление грунта, Л - диаметр поперечного сечения сваи.

Значение Д>1 означает, что наибольший момент инерции модели сооружения относительно точки опоры сваи больше предельного момента сопротивления грунтовой среды. В этом случае появляются зоны пластического течения грунта. В примере 3.2 значение критерия Д=4,26>1 и расчеты показывают кратное уменьшение амплитуды колебаний сооружения по сравнению с колебаниями грунта.

При Д<1 момент инерции модели сооружения ни в один промежуток времени не превышает предельный момент сопротивления грунтовой среды. Грунтовая среда не разрушается, взаимодействие модели сооружения с окружающей средой, совершающей свободные собственные колебания, может быть исследовано с помощью упругих моделей.

Для сооружений на сваях-стойках (рис.5) критерий (15) модифицируется по следующим причинам. С одной стороны, увеличение числа свай увеличивает общий момент сопротивления грунтовой среды, что служит уменьшению величины Д. С другой стороны, из кинематических соображений следует, что движение сооружения предполагает образование пластических шарниров в местах заделки свай в ростверк. Число и место пластических шарниров может изменится при возможной жесткой заделке свай в скальное основание. Предельные изгибающие моменты в пластических шарнирах, как и моменты сил инерции, препятствуют движению грунтовой среды, увеличивая, следовательно, величину Д.

С учетом этого формула для вычисления критерия Д изменится т.о.: Ак\сд + ¿Я

А=—-¿г— (16>

По величине критерия А можно судить о появлении пластических областей в околосвайной грунтовой среде в результате взаимодействия сооружения на свайном основании с собственными поверхностными сейсмическими колебаниями грунтового основания.

Если Д>1, то состояние грунтовой среды б) «пластическое» или в) «жестко-пластаческое». В этом случае с помощью развиваемой в данной главе модели взаимодействия можно рассчитать по предлагаемой методике уменьшение амплитуд колебаний скоростей и ускорений фундамента по сравнению с аналогичными величинами для грунтового основания.

В примере 3.4 значения критерия (16) равно Д=2,73>1. Вычисления в примере 3.4 показывают, что амплитуды колебаний сооружения примерно в два раза меньше амплитуд колебаний грунтовой среды.

В просчитанных примерах момент инерции сооружения вычислялся по формуле

J = тН2,

т.е. условно принималось, что центр масс сооружения находится на поверхности грунта. Пусть h - высота центра масс над поверхностью фунта, тогда момент инерции сооружения будет равен

J = m(H + h)2.

В этом случае выражение критерия А (формула 4.4) можно расписать в

виде:

_ A\k\cqm(H + К)2 + ncrTSahaH

U.15crRH2n (17)

где A\k \ амплитуда скоростей поверхности грунта , С - фазовая скорость поверхностной сейсмической волны, q - частота поверхностной сейсмической волны, т — масса сооружения, Н — толщина слоя грунта, прорезываемого сваями, h — высота центра масс сооружения над поверхностью грунта, п - число свай, - предел текучести арматуры, Sa -площадь рабочей арматуры, ha - расстояние от арматуры до центра сжатой зоны бетона, Сг - сцепление грунта, R - диаметр поперечного сечения сваи.

Из формулы (17) ясно, что при повышении центра тяжести, величина критерия А увеличивается, следовательно, эффект демпфирования усиливается.

При значениях критерия А, несколько превышающих 1, момент инерции сооружения вместе с предельными изгибающими моментами в пластических шарнирах в отдельные моменты времени не превышает предельного момента сопротивления грунта.

То есть, с точки зрения жестко - пластического анализа, пластические области будут то появляться (скорости сооружения и

грунта различны), то пропадать (в эти моменты скорости сооружения и окружающего грунта совпадают).

Автор рекомендует включить разработанную методику в действующие строительные правила расчета сооружений на сейсмические нагрузки следующим образом.

Расчетные значения сейсмических нагрузок в выбранном направлении, приложенные в точке к и соответствующие ¡-му тону собственных колебаний здания (сооружения) определяются в соответствии со строительными правилами по формуле:

я,* = , (18)

где к! - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и сооружений; к2 - коэффициент, учитывающий особенности конструктивных решений зданий и сооружений; кф - коэффициент, учитывающий демпфирующие свойства конструкций; р, - коэффициент динамичности, соответствующий 1 -му тону собственных колебаний здания (сооружения); г|1)с - коэффициент, зависящий от формы перемещений здания при его собственных колебаниях по ¡-му тону; (Зк - вес здания, отнесенный к точке к; А - коэффициент сейсмического воздействия.

Нормативные значения максимальных амплитуд А в долях ускорения силы тяжести принимаются 0,1; 0,2; или 0,4 для 7, 8 или 9 баллов соответственно.

При расчете здания, оборудованного системой сейсмоизоляции, в качестве расчетного значения коэффициента А в формуле (4.2) принимается наибольшее ускорение Ав верхнего элемента сейсмозащиты (опоры, пояса и др.), жестко связанного с вышерасположенным зданием. Сейсмоизолирующая способность сейсмозащиты оценивается отношением

А

А ' (19>

где А„ - наибольшая амплитуда ускорений нижнего элемента сейсмозащиты. Значения Ан принимается равным коэффициенту сейсмического воздействия А.

Автор диссертации считает, что в условиях, оговоренных в главе 3, демпфирующее свойство свайного фундамента играет ту же сейсмоизолирующую роль, что и сейсмозащита. Причем сейсмоизолирующая способность оценивается по аналогии с отношением (15) величиной % (пункт 3.6). Если свайный фундамент обладает демпфирующим свойством, т е. Х<1, то в формулу расчетных значений сейсмических нагрузок (14) вместо коэффициента сейсмического воздействия А следует ставить величину произведения %Л.

В четвертой главе также обсуждаются проблемы оптимизации проекта фундамента и основания в сейсмоактивных районах.

При многокритериальной оптимизации проекта фундамента и основания критерии качества с различных сторон характеризуют качество

проекта (чем меньше значение критерия качества, тем лучше). При этом требования критериев качества должны противоречить и противоречат друг другу. При согласовании противоречивых требований при возможно меньших значениях критериев качества и появляется оптимальный проект.

К обычным критериям качества, применяемым в ПК АПОФЕОС (критерию «давление», критерию «прочность», критерию «осадка», критерию «стоимость»), при сейсмостойком проектировании следует добавлять критерий «сейсмическая прочность» и критерий «резонанс».

В качестве критерия «резонанс» можно предложить следующее. Ограничения на период собственных колебаний сооружения Т1 по сравнению с периодом колебаний грунтовой толщи То, введенные строительными правилами:

Т]>1,5То и Т1<То, можно трансформировать в критерий

(20)

1.257Ь

где Т1 - период первой формы свободных колебаний сооружения, а Т0 -период колебаний грунтовой толщи.

Рекомендуемые значения критерия (4.1) должны быть меньше 4. При Фр<4 неравенство Т(>1,5То и неравенство Т]<Т0 удовлетворяются.

Дальнейшее уменьшение величины Фр показывает, что период колебаний сооружения Т1 удаляется от запрещенного отрезка [ То; 1,5Т], что улучшает проект с точки зрения предотвращения резонансных явлений. Т

Обозначим X =—, тогда критерий Фр будет являться функцией То

одной переменной X, представленной на рисунке 9 1

ФА*)-

|ДГ-1Д5|

10

Фр(1) = 4 Фр(1,5) =

ФРРО

J

1\ 1,5) 2 4 6

Запрещений строительными правилами отрезок.

Рис.9

Вне его

т,

->1,5

ИЛИ

т „

(1

Чем дальше от запрещенного отрезка, тем меньше значение Фр, тем лучше проектный вариант с точки зрения резонансных явлений.

Критерий «сейсмическая прочность» в отличие от критерия «прочность» вычисляется на особые сочетания нагрузок с учетом сейсмического воздействия. Величина критерия «сейсмическая прочность» зависит и от отношения амплитуд % (пункт 3.6).

Для определения критерия «резонанс» нужно знать величину периода первой формы свободных колебаний сооружения Ть зависящую от геометрических размеров сооружения, распределения масс, упругих г свойств материалов. Критерий «сейсмическая прочность» должен показывать не только степень использования прочности фундамента, но и степень использования прочности основных несущих конструкций сооружения

В данной главе обсуждаются также особенности конструирования сейсмостойких фундаментов.

В последнем параграфе главы представлены программные модули в системе \4athCAD по расчету взаимодействия сооружения на свайном фундаменте с поверхностными сейсмическими волнами, реализующие разработанную методику.

В заключении показывается, что диссертация представляет собой исследование органично связанное целью и методами, и делаются следующие выводы.

1. Исследованы результаты инженерно - геологических изысканий типичных строительных площадок, проведен обзор и сравнение применяемых решений оснований и фундаментов сооружений на черноморском побережье. В связи с повышением районного балла сейсмичности выяснена актуальность конструирования и расчета сейсмостойких фундаментов.

2. По результатам наблюдений и литературным источникам показаны сравнительные преимущества и эффективность сплошных фундаментных плит и фундаментов на сваях стойках в сейсмостойком строительстве в городах черноморского побережья.

3. Поставлена задача об исследовании взаимодействия свайного фундамента с поверхностными сейсмическими волнами с учетом появления зон пластического течения в около свайном фунтовом основании и пластических шарниров в свайном фундаменте.

4. При решении задачи о взаимодействии сейсмических волн со свайными фундаментами впервые применены методы предельного анализа.

5. Выведено уравнение колебаний сооружения на сваях стойках при прохождении волны Лява.

6. Выведен критерий А, по значениям которого можно судить об образовании пластических зон вокруг свай при сейсмических нафузках и о проявлении демпфирующих свойств свайного фундамента.

7. На основе численных расчетов оценены демпфирующие свойства системы «железобетонный свайный фундамент - грунтовое основание».

8. Предложены дополнительные критерии качества при параметрической оптимизации сейсмостойких фундаментов.

IS- 4 5 4 5

¿QUkA

9. В программной среде MathCAD Pro написаны программы вычисления процесса колебаний сооружений на сваях - стойках.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Солодовник Н.В., Дыба В.П. Выбор оптимального варианта конструкции фундамента в грунтовых условиях Новороссийска.- В сб.: Актуальные проблемы строительства: Материалы 53-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, апр. 2004г.-Новочеркасск:ЮРГТУ, 2004.-С.67-73 (лично автором 4 стр.).

2. Солодовник Н.В., Дыба В.П. Взаимодействие сейсмической волны Лява с сооружением на свайном фундаменте // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спецвыпуск.-С.34- 40 (лично автором 4 стр.).

3. Дыба В.П., Солодовник Н.В. Жестко- пластический анализ взаимодействия поверхностных сейсмических волн со свайными фундаментами// Численно-аналитические методы: Сборник научных трудов/ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т,- 2005.-С.11 - 15 (лично автором 2 стр.).

4. Солодовник Н.В. Диагностические модели на этапе проектирования строительных объектов в задачах снижения сейсмического риска. //Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений. Материалы V Международной научно технической конференции. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2005г. С. 43-48.

5. Солодовник Н.В., Сусоев A.M. Влияние типов фундаментов на сейсмобезопасность зданий в геологических условиях г. Новороссийска. // Сб. трудов профессорам - преподавательского состава КубГТУ,2005г. (лично автором 5 стр.).

6. Солодовник Н.В. Оценка сейсмостойкости фундаментов на сваях -стойках расчетом по первому предельному состоянию. // Международная конференция «Вычислительная механика деформируемого твердого тела». Материалы конференции. Московский государственный университет путей сообщения. Москва, 2006 г.

Подписано в печать 14.02.2006 г. (Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Уч. неч. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 47-3425.

Южпо-Российский государственный технический университет (НПИ) Центр оперативной полиграфии ЮРГТУ(НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, тел. 55-222

I

I

Аннотация.

Оглавление.

Введение.

1. Проблема выбора оптимального варианта конструкции фундамента в грунтовых условиях Новороссийска.

1.1. Обзор и критический анализ практики проектирования и строительства оснований и фундаментов в г. Новороссийске.

1.2. Современные методы оптимизации проектных вариантов фундаментов и оснований.

2. Предельный анализ пластических систем в расчетах фундаментов и оснований по первой группе предельных состояний.

2.1.Условия предельного состояния грунтовой среды.

2.2.Верхние и нижние оценки несущей способности системы "фундамент - грунтовое основание".

3. Оценка сейсмостойкости фундаментов на сваях-стойках расчетом по первому предельному состоянию.

3.1. Сейсмические воздействия на систему «сооружение- основание».

3.2. О расчетах оснований и фундаментов сооружений на сейсмическое воздействие.

3.3. Моделирование взаимодействия волны Лява и сооружения на свайном фундаменте.56.

3.4. Решение уравнения колебаний.

3.5. Расчет свайных фундаментов на сейсмическое воздействие.

3.6. Анализ результатов расчетов свайных фундаментов на сейсмическое воздействие.

3.7. Распространение результатов на произвольные поверхностные волны.

4. Рекомендации по проектированию и расчету сейсмостойких фундаментов на сваях- стойках.

4.1. О месте разработанной методики среди строительных правил проектирования в сейсмических районах

4.2.Особенности проектирования сейсмостойких фундаментов.

4.2.1. О критериях качества сейсмостойких фундаментов.

4.2.2. Рекомендации по определению расчетных значений

Щ сейсмических нагрузок.

4.2.3. Критерий образования пластических зон вокруг свай при сейсмических нагрузках.

4.2.4. Рекомендации по применению и конструированию сейсмостойких фундаментов.

4.3. Программные модули по расчету фундаментов на сейсмостойкость

Прогноз сейсмической опасности уже многие годы остается весьма актуальным, с одной стороны, а с другой - трудноразрешимым. Задача осложнена отсутствием достаточной статической информации о возможных сейсмических воздействиях, существенно нелинейным поведением конструкций в окрестностях критических отказов, большим объемом вычислений для надежной оценки показателей риска.

Строителями рассматриваются различные модели, имеющие целью реализовать задачи учета особенностей зданий и сооружений, как сложных объектов. Предлагается подход к оценке их состояния, анализу поведения, достоверности прогнозирования предельных состояний, а также управления напряженно - деформированным состоянием конструкций, что позволяет решать задачи обеспечения устойчивости и надежности строительных объектов в сейсмически опасных регионах.

Опыт строительства, накопленные экспериментальные данные показывают на необходимость рассмотрения совместной работы зданий с их грунтами. Этого требуют и нормы. Однако, требования остаются чисто декларативными.

В современных условиях заказчики зачастую относятся к процессу проектирования не достаточно серьезно, рассматривая работу проектировщиков по обеспечению строительных норм как досадную необходимость для прохождения экспертизы. И само проектирование (особенно в провинциальных городах и небольших проектных организациях) отстает от современных научных разработок. Из - за большой стоимости программных комплексов и информационных материалов проектировщики не имеют возможности их приобретать, и проектирование держится исключительно на сложившихся традициях.

Увеличение сейсмичности района черноморского побережья до 8 баллов, участившиеся случаи небольших землетрясений за последние годы, заставляет пересмотреть сложившиеся традиции городского фундаментостроения, делает актуальной оценку сейсмостойкости сооружений, их фундаментов и оснований.

Анализ наблюдений за сооружениями г. Новороссийска, исследование дефектов зданий, подвергшихся сейсмическому воздействию, позволили выявить сейсмостойкие типы фундаментов в инженерно - геологических условиях черноморского побережья. К сейсмостойким типам фундаментов отнесены фундаментные плиты и фундаменты на сваях - стойках.

Нормативные документы утверждают, что сейсмостойкость сооружений, их фундаментов и оснований оценивается расчетом по первой группе предельных состояний на особое сочетание нагрузок, включающее сейсмические.

Естественным, органичным инструментом для расчета строительных конструкций по первой группе предельных состояний (Ultimate Limit States согласно Европейским правилам геотехнического проектирования) является предельный анализ, превратившийся в настоящее время в хорошо разработанный математический аппарат. Согласно предельному анализу статически допустимому полю напряжений, построенному и в основании, и в теле фундамента, соответствуют нагрузки, не превышающие предельные, а построенному кинематически допустимому полю скоростей, удовлетворяющему нормальному закону текучести, соответствуют нагрузки, не меньшие предельных.

Верхние слои грунта изменяют параметры приходящих из глубин сейсмических волн, вносят дополнительную податливость по сравнению с расчетной схемой, в которой фундаменты считаются жесткозаделанными, что влияет на частоты и амплитуды колебаний сооружений. Наибольших отличий в колебаниях сооружения и грунтовой среды следует ожидать в 6 случае фундаментов на сваях стойках, прорезающих верхние слои грунта и опирающихся на скальное основание, что характерно для инженерно -геологических условий черноморского побережья.

Следовательно, актуальным является решение задачи о взаимодействии фундаментов на сваях - стойках с сейсмическими волнами, которое позволит указать параметры колебаний сооружения по заданным параметрам сейсмической волны.

Как правило, для решения задачи о взаимодействия сооружения с сейсмической волной используют упругую модель среды.

Однако, решение задачи о взаимодействии в рамках модели упругой среды не может ответить на вопросы о параметра сейсмического воздействия, при которых в около свайной грунтовой среде появляются пластические зоны, о возможных демпфирующих свойствах свайного фундамента, о влиянии пластических шарниров железобетонного свайного фундамента на процесс взаимодействия сооружения и сейсмической волны нагружения. Ответ на поставленные вопросы дает жестко- пластический анализ системы «железобетонный свайных фундамент - грунтовое основание», представленный в данной диссертационной работе.

Цель диссертационной работы:

В связи с повышением сейсмической опасности в районах черноморского побережья России повысить надежность проектирования зданий на свайных фундаментах в сейсмических районах Краснодарского края путем совершенствования методов расчета взаимодействия сооружений с сейсмическими волнами.

Решить задачу о взаимодействии поверхностных сейсмических волн с фундаментами методом предельного анализа.

Оценить демпфирующие свойства системы « железобетонный свайный фундамент - грунтовая среда»

Дать рекомендации по проектированию и расчету сейсмостойких фундаментов. Научная новизна работы:

1. Указаны оптимальные сейсмостойкие фундаменты для грунтовых условий черноморского побережья.

2. При решении задачи о взаимодействии сейсмических волн со свайными фундаментами впервые применены методы предельного анализа.

3. Получено уравнение колебаний сооружения на сваях- стойках с высоким ростверком.

4. На основе численных расчетов оценены демпфирующие свойства системы «железобетонный свайный фундамент - грунтовая среда» при сейсмическом воздействии.

Достоверность новых результатов обеспечивается использованием реальной базы данных о влиянии землетрясений на здания с различными типами фундаментов; применением общепризнанных фундаментальных методов принципов механики сплошной среды, получением решений дифференциального уравнения колебаний с помощью стандартных программных средств в системе MathCAD.

Практическая ценность работы

Полученный в работе критерий позволяет определить по параметрам сейсмического воздействия, по характеристикам грунтовой среды и сооружения появление пластических зон вокруг свай- стоек. В этом случае разработанная методика позволяет определить параметры колебаний фундамента, отличные от параметров колебаний окружающей грунтовой среды. Рассчитанное уменьшение амплитуды колебаний ростверка относительно амплитуды колебаний околосвайной грунтовой среды позволяет обоснованно снижать расчетную сейсмическую нагрузку на строительные конструкции здания.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях ЮРГТУ(НПИ) (2002-2005г.), на международной конференции, посвященной памяти проф. Дурова И.С. (Новочеркасск, 2004), на Международной конференции «Вычислительная механика деформируемого твердого тела» в Московском государственном университете путей сообщения ,январь, 2006 г.

Внедрение результатов

Результаты исследований переданы для апробации на практике в проектный институт ОАО «Новоросгражданпроект» г. Новороссийска.

По материалам диссертационных исследований написан и читается студентам специальности ПГС специальный курс.

На защиту выносятся:

У.Анализ проектных решений фундаментов в сейсмических районах черноморского побережья.

2.Применение предельного анализа при расчете свайных фундаментов на сейсмические воздействия по первому предельному состоянию.

3. Решение задачи о взаимодействии сооружений на свайных фундаментах с поверхностными сейсмическими волнами.

4. Критерий состояния около свайного грунта при сейсмических нагрузках.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 6 опубликованных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 105 наименований. Полный объем диссертации - 159 страницы, включая 27 рисунков, графики, 2 таблицы и 7 приложений .

ВЫВОДЫ

1. Исследованы результаты инженерно - геологических изысканий типичных строительных площадок, проведен обзор и сравнение применяемых решений оснований и фундаментов сооружений на черноморском побережье. В связи с повышением районного балла сейсмичности выяснена актуальность конструирования и расчета сейсмостойких фундаментов.

2. По результатам наблюдений и литературным источникам показаны сравнительные преимущества и эффективность сплошных фундаментных плит и фундаментов на сваях стойках в сейсмостойком строительстве в городах черноморского побережья. щ 3. Поставлена задача об исследовании взаимодействия свайного фундамента с поверхностными сейсмическими волнами с учетом появления зон пластического течения в около свайном грунтовом основании и пластических шарниров в свайном фундаменте.

• 4. При решении задачи о взаимодействии сейсмических волн со свайными фундаментами впервые применены методы предельного анализа.

5. Выведено уравнение колебаний сооружения на сваях стойках при прохождении волны Лява. ф 6. Выведен критерий А, по значениям которого можно судить об образовании пластических зон вокруг свай при сейсмических нагрузках и о проявлении демпфирующих свойств свайного фундамента.

7. На основе численных расчетов оценены демпфирующие свойства

• системы «железобетонный свайный фундамент - грунтовое основание».

8. Предложены дополнительные критерии качества при параметрической оптимизации сейсмостойких фундаментов.

9. В программной среде MathCAD Pro написаны программы вычисления процесса колебаний сооружений на сваях - стойках.

Заключение

Повышение балла сейсмичности на черноморском побережье России до 8 баллов (см. приложение II) и увеличившаяся в последнее время сейсмическая активность региона поставили перед региональным фундаментостроением новые задачи. В том числе проблему выбора типа оптимальных сейсмостойких фундаментов для инженерно - геологических условий черноморского побережья и проблему расчета фундаментов и сооружений на сейсмические нагрузки.

Эти проблемы и стали предметом исследования диссертационной работы.

В первой главе проводится обзор и критический анализ практики проектирования, строительства и эксплуатации оснований и фундаментов в г.Новороссийске [56]. Рассматриваются современные методы оптимизации проектных вариантов фундаментов и оснований [57]. Ставится задача приложения методов оптимизации к сейсмостойкому строительству.

Во второй главе рассматриваются вопросы приложения методов предельного анализа к расчету фундаментов и оснований по первой группе предельных состояний. Теоремы Гвоздева А.А. формулируются применительно к фундамету на сваях- стойках.

В третьей главе ставится и решается задача о взаимодействии поверхностной волны Лява и сооружения на свайном фундаменте в рамках жестко - пластической модели грунтовой среды [58]. Выявляется и численно оценивается эффект демпфирования колебаний грунта свайным фундаментом. Проводится анализ результатов расчетов свайных фундаментов на сейсмическое воздействие.

В четвертой главе даны рекомендации по проектированию и расчету сейсмостойких фундаментов на сваях. Предлагается методика приложения полученных в диссертации решений для корректировки расчетных значения сейсмических нагрузок. Выводится критерий, по значению которого можно судить об образовании пластических зон вокруг свай при сейсмических нагрузках и, следовательно, об эффекте демпфирования. Обсуждаются вопросы оптимизации параметров сейсмостойких фундаментов. Предлагаются критерии качества сейсмостойких фундаментов.

Таким образом, диссертация представляет собой исследование, органично связанное целью и методами.

По результатам диссертационного исследования можно сделать следующие выводы.

1. Дыба В. П, Луценко А. К. Применение экспертной системы в компьютерном проектировании оснований и фундаментов //Механика грунтов и фундаментостроение: Тр. Рос. конф. по механике грунтов и фундаментостроению: В 4-х ч.-СПб, 1995.-Ч.2-С.292-297.

2. Пособие «proFEt 2.0», ЕВРОСОФТ, Москва, 1999.

3. Пособие «STARK ES Версия 2.14», ЕВРОСОФТ, Москва, 2000.

4. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М., Наука, 1981.

5. Макаров И. М. и др. Теория выбора и принятия решения. М., Наука,1981.

6. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М., Мир, 1971.

7. Андерсон М. С., Арман Ж.-JI., Арора Дж. С. и др. Новые направления оптимизации в строительном проектировании. Пер. с англ., М: Стройиздат, 1989. 587 с.

8. Stadler W. Preference optimality in multi-criteria control and programming problems //Nonlinear Anal. Theory Methods, Appl., 1980. V. 4,1 1, p. 51-65.

9. Leitmann G. Some problems of scalar and vector- valued optimization in linear viscoelasticity //JOTA, 1977, v. 23, 4, p. 93-99.

10. Baier H. Mathematische Programmierung zur Optimierung von Tragwerken insbesondere bej mehrtaehen Zielen. Dissertation D 17, 1978, Darmstadt.

11. M.Koski J. Trus Optimization with Vector Criterion. -Tampere University of Technology, Publications 6, 1979, Tampere, Finland.

12. Koski J., Silvennoinen R. Pareto optima of isostatic trusses // Сотр. Meth. Appl. Mech. Engrg., 1982, v.31, p.265-279

13. A.Osyczka A. An appoch to multi- criterion optimization for structural design //Proceedings, Jnt'l Symposium on Optimum Structural Design, 1981, Tucson, Arizona.

14. Соболь И.М. О наилучших равномерно распределенных последовательностях. -Усп. матем.наук., 1977, 32, № 2, с.231-232.

15. Соболь И. М, Статников Р. Б. ЛП-поиск и задачи оптимального конструирования.-В кн.: Проблемы случайного поиска. Рига: Зинатне, 1972, № 1, с.117-135.

16. Соболь И. М., Статников Р. Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М., Наука, 1981. 110 с.

17. Мурзенко Ю. Н., Дыба В. П., Луценко А. К. Применение технологии экспертных систем в начальной стадии проектирования оснований и фундаментов //Материалы международной научно-практической конференции: Тезисы докладов Ростов н/Д : РГСУ, 1997.С 69.

18. Дыба В. П, Луценко А. К. Применение экспертной системы в компьютерном проектировании оснований и фундаментов //Механика грунтов и фундаментостроение: Тр. Рос. конф. по механике грунтов и фундаментостроению: В 4-х ч.-СПб, 1995.-Ч.2-С.292-297

19. Соболь И.М. Многомерные квадратурные формулы и функции Хаара. М.: Наука, 1969. 288 с.

20. Ильичев В.А. и dp .Европейские правила геотехнического проектирования. //Основания, фундаменты и механика грунтов.-2003.-№1,-С. 25-29.

21. Каменярж Я.А Предельный анализ пластических тел и конструкций.- М.: Наука. Физматлит, 1997.-512с.

22. Дыба В.П. Оценки несущей способности системы «фундамент- грунтовое основание» и оптимизация проектных решений: Дис.докт. техн. наук.-Новочеркасск, 1997.-308с.2%.3арецкий Ю.К. Лекции по современной механике грунтов.-Изд. РГУ, 1989. 608 с.

23. ЭйбиДж. А. Землетрясения: Пер. с англ.-М.:Недра,1982.-264с.

24. Основания, фундаменты и подземные сооружения /М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Кругов и др.; Под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова.-М.: Стройиздат, 1985.-480с.-(Справочник проектировщика).

25. Амензаде Ю.А. Теория упругости. Изд. 3-е, доп. М.,»Высшая школа»,1976.-272с.

26. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия /М.Ф.Барштейн, Н.М. Бородачев, Л.Х.Блюмина и др.; Под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Бабичева.-М.: Стройиздат, 1981.-215с.-(Справочник проектировщика).

27. Ш. Окамото. Сейсмостойкость инженерных сооружений: Пер. с англ.- М.: Стройиздат, 1980.-341с.

28. Основания и фундаменты. Краткий курс. Под ред. Н.А.Цытовича. М.: «Высш. школа», 1970.-384с.

29. Гвоздев А.А. Определение величины разрушающей нагрузки для систем, претерпевающих пластическое деформации //Труды конференции по пластическим деформациям.- М.; JI.: Изд-во АН СССР, 1938.С.19-30.

30. Саваренский Е.Ф. Сейсмические волны. М.: Наука, 1972. 305с.

31. Рекомендации по сейсмическому районированию (РСМ).- В кн.: Влияние грунтов на интенсивность сейсмических колебаний. М., Наука, 1973, с.6-.

32. СП 50-102-2003, Проектирование и устройство свайных фундаментов -М: 2004.

33. СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты М.: Госстрой России, 1986.

34. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах. М.:Госстрой России, 2000

35. СП 50-101-2004.- Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. М.: Госстрой России, 2005.

36. Мурзенко Ю.Н., Луценко А.К. Изучение сдвиговых деформаций грунтового основания под шероховатым жестким штампом. Современные проблемы фундаментостроения.:Сб. тр. Междунар. Науч.-техн. конф. в 4-х ч. Волгоград: ВолгГАСА,2001.ч.З,4. С. 66-69.

37. Инструкция по определению расчетной сейсмической нагрузки для зданий и сооружений.-М.: Стройиздат, 1962.-42с.

38. Ньюмарк Н., Розенблюэт Э. Основы сейсмостойкого строительства. Сокр. пер. с англ./Под ред. Я.М. Айзенберга.- М.: Стройиздат, 1980.-344с.

39. Поляков С.В., Сафаргалиев С.Н. Сейсмостойкость зданий с несущими кирпичными стенами.- Алма-Ата: Казахстан, 1978.-188с.

40. СНРА II-2.02.-94. Сейсмостойкое строительство. Нормы проектирования.-Ереван: Госархитектура РА, 1995.-30с.

41. Ободовский А.А. Проектирование свайных фундаментов.- М.: Стройиздат, 1977.-112 с.

42. Руководство по проектированию свайных фундаментов.- М.: Стройиздат, 1980.-150 с.

43. Дыба В.П., Скибин Г.М. Верхние оценки несущей способности ленточных фундаментов.- Основания, фундаменты и механика грунтов, 1997.-№6.-С.2-6.

44. Баркан Д.Д. Динамика оснований и фундаментов.- М.: Стройвоенмориздат, 1948.- 410 с.

45. Савинов О.А. Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет.-Л.: 1964.-346 с.

46. Ильичев В.А. К оценке коэффициента демпфирования основания фундаментов, совершающих вертикальные колебания.- Основания, фундаменты и механика грунтов, 1981.-№5.-С.15-18.

47. Дыба В.П., Устинова О.Е. Расчет гибких железобетонных фундаментов по первому предельному состоянию.- В сб.: Информационные технологии проектирования и исследование оснований и фундаментов. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 1999, с. 99-106.

48. Синицин А.П. Расчет системы «Рама- фундамент-основание» методом сбалансированного риска.- В межвуз. сб.: Взаимодействие сплошных фундаментных плит с грунтовым массивом. Новочеркасск: НПИ, 1982, с. 12-20.

49. Солодовник H.B., Дыба В.П. Взаимодействие сейсмической волны Лява ссооружением на свайном фундаменте // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спецвыпуск.-С.34-40.

50. Абовский Н.П., Абросимов П.С., Бабанин В.Б., Ланкин Ю.П., Смолянинова Л.Г. Автоматическое управление конструкциями с помощью нейронных сетей.- Красноярск: КрасГАСА, 1996.- 88 с.

51. Аведьян Э.Д. Алгоритмы настройки многослойных нейронных сетей // Автоматика и телемеханика, 1995, № 4, С. 106-118.

52. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость.- СПб.: Наука, 1998.- 255 с.

53. Гареева Н.Б., Гончаров Б.В. Новый метод расчета оснований фундамен тов по данным зондирования // Изв.вузов. Нефть и Газ 2003. - № 5.

54. Егупов К.В. Пространственный расчет зданий по комплексной схеме // Комплексный расчет зданий и сооружений с применением ЭВМ. Киев,: КИСИ,1978.- С.106-110.

55. Курзанов A.M. Идентификация расчётной модели бегущих в здании сейсмических поперечных волн //Промышленное и гражданское строительство. 1997. - №4.

56. Ланкин Ю.П. Самоадаптирующиеся нейронные сети./ Препринт ТО N3.-Красноярск: Институт биофизики СО РАН, Теоротдел, 1997.- 21 с.

57. Назаров Ю.П. Совершенствование программных средств для расчета сооружений на динамические воздействия // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2002. - №1. - С. 11-12.

58. Нейрокомпьютеры и интеллектуальные роботы / Амосов Н.М., Байдык Т.Н., Гольцев А.Д. и др.; ред. Амосова Н.М.-Киев: Наукова думка, 1991.-272 с.

59. Неугодников А., Рубцов И., Егоров Ф. Крыжановский А., Поспелов В. Концепция мониторинга строительных конструкций на базе волоконно-оптических датчиков // Новый Уральский строитель. 2004. - № 10.

60. Разработка эталонных решений для аттестации программных средств длярасчета системы грунт фундамент - сооружение при динамическом воздействии. Отчет // НИИ механики и прикладной математики РГУ. Ростов, 1991.

61. Хайретдинов М.С. Методы распределённой обработки вибросейсмических сигналов. // Материалы межд. научно-техн. конф. «Информационные системы и технологии», НГТУ, Новосибирск, 2000, с.607-612.

62. Ясунов П.А., Салиев А.Ф. Исследование эффектов взаимодействия сооружения с грунтом по данным инженерно сейсмометрических служб.// IV Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству. Москва, 2001.

63. Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Взаимодействие зданий и оснований:методы расчета и их применение при проектировании. // Реконструкция городов и геотехническое строительство. №7, СПб.: 2003 2004

64. Гамбург Ю.А., Ржевский В.А., Черных В.В. Инструментальные данные, полученные на станции ИСС №1 г. Ташкента. // Инструментальные данные станций инженерно сейсмометрической службы. - М.: Стройиздат, 1976, вып.1.

65. Карапетян Б.К. Колебание сооружений, возведенных в Армении.

66. Ереван : Изд. Айастан, 1967. 75. Атабекян Р. А., Об учете природного давления грунта на интенсивность сейсмического воздействия. // МАНЭБ, Вестник №7, 1999

67. Тамразян А.Г., Атабекян Р.А. Влияние давления под фундаментами на интенсивность сейсмических воздействий. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №4, 2003 г.

68. Turnbull W.I. Construction Problems Experienced with Loess Soils "Highway research Record", № 212, Washington, 1968.

69. Григорян А.А. О некоторых особенностях проектирования свайных фундаментов в грунтовых условиях 2 типа по просадочности. // Механика грунтов, № 1, 2005 г.

70. СНКК 22-301-2000 «Строительство в сейсмических районах

71. Краснодарского края», Департамент по строительству и архитектуре Краснодарского края, Краснодар, 20001.

72. Я.М. Айзенберг. «Уроки последних разрушительных землетрясений. Совершенствование антисейсмического проектирования и строительства». Проблемный доклад. М.: ВНИИНТПИ, 2000

73. Я.М. Айзенберг, «Развитие концепций и норм аентисейсмического проектирования», М.: ВНИИНТПИ.

74. М. Накопил, «Фундаменты многоэтажных зданий и сооружений в сейсмических условиях и сильно сжимаемых грунтах основания», Материалы IV Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию, М.: ПОЛТЕКС.

75. М.Л. Холмянский., «Сейсмические колебания слоя грунта со случайными параметрами», Материалы IV Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию, М.: ПОЛТЕКС

76. А.И. Мартемьянов. «Проектирование и строительство зданий и сооружений в сейсмических районах». -М.:: Стройиздат, 1985.

77. Рекомендации по расчету, проектированию и устройству свайныхфундаментов нового типа в г. Москве. -М.: Москомархитектура, 1997

78. К.Ш. Шадунц, М.Б. Мариничев «Плитные фундаменты многоэтажных зданий на просадочных грунтах» //»Жилищное строительство», №11, 2003, с 16-18

79. К.Ш. Шадунц, М.Б. Мариничев, В.В. Угрипов. «Проектированиефундаментов зданий в сложных условиях городской застройки.» // «Основания и фундаменты: теория и практика.» Межвузовский сб. трудов, Санкт Петербург, 2004, с 59 - 67.

80. В.М. Улицкий. «Геотехнические проблемы реконструкции исторических городов» // «Реконструкция городов и геотехническое строительство», Юбилейное издание, №7, с 13 31

81. К.Ш. Шадунц. Расчеты сейсмостойкости реконструируемых зданий»//

82. Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений.» №6, 2003, с 3-5.

83. К.Ш. Шадунц, М.Б. Мариничев. «К расчету зданий и сооружений насложных неравномерно сжимаемых оснований.» // «Основания, фундаменты и механика грунтов.» №2, 2003, с 7-10.

84. Л.И. Гельдфанд. «К защите зданий от обрушения при авариях иземлетрясениях» // «Жилищное строительство», №8,1998, с 9-13

85. С.Б. Смирнов. «О новых принципах эффективной сейсмозащитызданий»//Жилищное строительство, №10, 1997 с 12-13.

86. P.O. Бакиров, Ф.В. Лой. «Динамический расчет и оптимальное проектирование подземных сооружений». М: Стройиздат, 2002.

87. Тяпин А.Г. «Влияние дискретизации грунта по горизонтали на параметры обобщенных грунтовых пружин в расчетах сейсмической реакции сооружения»//« Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений.», 2005, №2

88. Заалишвили В.Б., Туаева Ж.Д. Харебов А.К. «Современная концепция динамических моделей грунтовых оснований», // «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений.» 2005, №1

89. Уздин A.M., Долгая А.А. «Расчет элементов и оптимизация параметров сейсмоизолирующих фундаментов.» -М., ВНИИНТПИ, !997, 76с.

90. Елисеев О.Н., Уздин A.M. «Сейсмостойкое строительство. Учебник. -С-Пб, Изд. ПВВИСУ, 1997, 371с.

91. Аубакиров А.Т. «Особенности задания сейсмического воздействия для обоснования проекта сейсмоизолирующих фундаментов.», // Известия ВНИИГ,1989, т. 212, с102 109.

92. Рекомендации по применению буроинъекционных свай / НИИОСП им. Герсеванова, М. 2005

93. А.Г. Тяпин «Асимптотический подход к расчету динамического взаимодействия сооружения с основанием как механизм сочетания различных методов расчета».

94. Айзенберг Я.М. «Некоторые проблемы обеспечения сейсмической надежности современных ответственных и сложных сооружений».// Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений., 2005, № 4.

95. Шишков Ю.А. « Повышение сейсмостойкости зданий при строительстве на слабых грунтах.» .VI Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (с международным участием); Материалы конференции; вып. 1