автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Взаимодействие двухслойного основания и фундаментов при статических и динамических нагрузках

005058295

На правах рукописи

Джаро Мохаммед Н.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХСЛОЙНОГО ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТОВ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ

НАГРУЗКАХ

Специальность 05.23.02 — Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

Москва-2013

005058295

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Тер- Мартиросян Завей Григорьевич

Официальные оппоненты: Шейнин Владимир Исаакович,

доктор технических наук, профессор, ОАО «НИЦ"Строительство» заведующий лабораторией геомеханики подземных сооружений Научно-исследовательского, проектно-изыскательского и конструкторско-технологического института оснований и подземных сооружений (НИИОСП) им. Н.М. Герсеванова,

Джипчвелашвили Гурам Автандилович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры Сопротивления материалов

Ведущая организация: ОАО «ФУНДАМЕНТПРОЕКТ», Москва

Защита состоится «24» мая 2013 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.08 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337,г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «ЯЗ. » АуЛ^^*/^ 2013 г.

Ученый секретарь --^-' ,

диссертационного совета Знаменский Владимир Валерианович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Проектирование, строительство и эксплуатация фундаментов под машины с динамическими нагрузками связано с количественной оценкой амплитуды и частоты колебания системы «фундамент-основание», а также предельно допустимых осадок, кренов и прогибов фундаментов, если такие ограничения вызываются условиями технологии производства или работы машин. Однако в нормативных документах основное внимание уделяется первому вопросу. Причиной такого положения является недостаточная изученность вопроса по определению дополнительных остаточных осадок, кренов и прогибов фундаментов при динамических нагрузках, в том числе импульсных и вибрационных.

При проектировании промышленных и гражданских сооружении (ПГС) в сейсмических районах нормативные документы предусматривают расчет сейсмостойкости оснований, фундаментов и подземной части ПГС, то есть по первой группе предельных состояний, а деформации (сейсмоосадки, сейсмосдвиги, крены) при этом не определяются и не ограничиваются. Такое положение также связано с недостаточной изученностью вопроса по возникновению дополнительных напряжений и деформаций в грунте, которые приводят к дополнительным остаточным осадкам и кренам фундаментов и ПГС в целом.

Опыт эксплуатации зданий и сооружений подверженных динамическим

воздействиям показывает, что в некоторых случаях негативные явления

связаны с возникновениям и накоплением необратимых остаточных

перемещений в грунтах оснований, и соответственно, в конструкциях

подземной и надземной частей зданий и сооружений. При этом сооружения не

теряют свою пригодность для их эксплуатации. Поэтому количественная

оценка дополнительных перемещений оснований и фундаментов ПГС при

динамических нагрузках является актуальной задачей строительства.

-з-

Целью настоящей работы является изучение и совершенствование методов количественной оценки взаимодействия системы «основание-фундамент-сооружение» при динамических нагрузках различного происхождения и длительности воздействия, в том числе, прогнозирование остаточных деформаций и перемещений грунтов оснований и фундаментов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Составлен обзор и анализ современных методов количественной оценки НДС системы «основание-фундамент», в том числе с использованием современных нелинейных моделей грунтовой среды при статических и динамических воздействиях.

2. Дано теоретическое обоснование возникновения и накопления остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде при циклических и вибрационных воздействиях, с учетом разномодульности при нагрузке и разгрузке, упрочения и реологических свойств грунтов.

3. Предложена методика определения коэффициентов жесткости и вязкости грунтов основания вокруг сваи, необходимых для решения задач колебания системы «свая-окружающий грунт».

4. Предложена и обоснована новая модель многослойного и весомого основания со многими степенями свободы. Дана сравнительная оценка колебания фундамента с учетом этой модели, рассчитанного с помощью программы МаШСАБ и рассчитанный на эквивалентной модели с помощью программы Р1ах1з.

5. Предложена модифицированная расчетная модель системы колебания одиночной сваи в грунте, на основе модели О. А. Савинова, и дана сравнительная оценка колебания этой системы аналитическим и численным методами.

6. Определены коэффициенты равномерного упругого и вязкого свойства грунта вокруг сваи.

7. Исследованы НДС двухслойного основания, взаимодействующего с подземной и надземной частями сооружения конечной жесткости и массы при

-4-

сейсмическом воздействии численным методом (МКЭ) с использованием программного комплекса Р1ах1з-2с1. Определены амплитудно-частотные характеристики зданий разной этажности, а также остаточные перемещения.

8. На основе анализа выполненных исследований НДС оснований и фундаментов даны рекомендации по использованию полученных решений при проектировании и строительстве зданий и сооружений при динамических воздействиях.

Научная новизна работы

1.Дано обоснование процесса возникновения и накопления остаточных деформаций и перемещений в грунтовом массиве при статическом, циклическом и динамическом воздействиях.

2. Предложена новая модифицированная модель Винклеровского основания с двумя коэффициентами постели при нагрузке и разгрузке, и учетом их изменения (упрочнения) в зависимости от количества циклов. Показано, что в этом случае существенно меняются частота, амплитуда и время затухания свобдных колебаний «системы», причем затухание свободных колебаний наблюдается без учета вязкого сопротивления грунта.

3. Предложена новая расчетная модель системы «весомое многослойное основание- заглубленный фундамент» с несколькими степенями свободы. Дан анализ этой модели на основе решения примеров задач о колебаниях такой системы численными и аналитическими методами. Подтверждено, что учет весомости основания исключает возможность возникновения резонанса.

4. Дана количественная оценка НДС системы «свая- окружающий грунт» с учетом коэффициентов жесткости и вязкого сопротивления грунтов вокруг сваи и жесткости грунта под нижним ее концом при циклическом и импульсном воздействиях на основе расчетной модели О. А. Савинова.

5. Дана количественная оценка НДС системы «двухслойное основание-сооружение» при сейсмическом воздействии с учетом конечной жесткости здания, его этажности и массы, в том числе для определения остаточных деформаций и частоты собственных колебаний здания с учетом жесткости двухслойного основания.

6. Показано, что частота и амплитуда колебаний зданий на двухслойном основании существенно зависят от этажности и массы здания, жесткостей слоев основания и их соотношения, причем с увеличением этажности зданий и жесткости основания частота собственных колебаний здания в первом случае уменьшается, а во втором увеличивается.

Научная ценность работы заключается:

1. В построении новых контактных моделей грунтов под нижним концом и вокруг сваи, а также расчетной модели многослойного весомого основания фундаментов и в их использовании при количественной оценке колебании систем «основание-фундамент» при динамических воздействиях.

2. В исследовании влияния сейсмического воздействия на НДС двухслойного основания с учетом его взаимодействия со зданиями конечной жесткости и разной этажности. Показано, что частота и амплитуда колебаний а также остаточные перемещения существенно зависят от жесткости двухслойного основания и этажности зданий.

Практическое значение работы

Полученные в работе результаты исследований позволяют:

1. Совершенствовать контактные модели фунтовой среды для расчетов колебания систем «основание- фундамент», «основание- свая», учитывающие неодинаковое сопротивление грунта при нагружении и разгрузке, и их изменения (упрочнение) в зависимости от количества циклов;

2. Разработать новые упрощенные методы количественной оценки колебания системы «основание-фундамент» путем построения новых расчетных моделей весомого многослойного основания а также контактных моделей;

3. Обеспечить надежную, длительную и безопасную эксплуатацию зданий и сооружений, находящихся под воздействием динамических нагрузок.

Достоверность результатов исследований заключается в том, что они

основываются на анализе современных экспериментальных и теоретических

исследований свойств грунтов при статическом, циклическом, вибрационном и

динамическом воздействиях, а также на теоретических исследованиях по

-б-

количественной оценке дополнительных остаточных деформаций и напряжений в грунтовой среде, на основе современных методов нелинейной механики грунтов.

Личный вклад соискателя заключается в том, что им разработаны новые контактные модели грунтового основания с учётом разномодульности и упрочнения грунтов при нагружении и разгрузке, а также изменения вязкого сопротивления грунтов основания во времени, которые были использованы при решении задач по взаимодействию фундаментов со сжимаемым грунтовым основанием при свободных и вынужденных колебаниях. Кроме того, им предложена новая модель весомого многослойного основания с несколькими степенями свободы с учётом указанных выше свойств. Дана количественная оценка влияния этих свойств на амплитудно-частотные характеристики колебания системы «основание-фундамент», в том числе остаточных перемещений. Рассмотрены задачи об НДС двухслойного основания взаимодействующего со зданиями конечной жесткости и различной этажности.

На защиту выносятся:

1. Результаты аналитического и численного решения задач по количественной оценке НДС двухслойного основания фундаментов при статическом и динамическом воздействиях с учетом нелинейных и реологических свойств грунтов.

2. Результаты расчета колебания системы «основание- фундамент» на основе новой модели, учитывающей весомость основания с двумя и более степенями свободы.

3. Результаты расчета колебания системы «двухслойное основание- свая» с учетом коэффициентов жесткости грунта под нижним концом и вокруг сваи, определенных по новой методике.

4. Результаты расчетов НДС двухслойного основания при сейсмическом воздействии с учетом конечной жесткости зданий и сооружений, взаимодействующих с ним.

5. Выводы и рекомендации.

Публикации

Результаты диссертации изложены в 6 опубликованных работах, 4 из них опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и библиографического списка, включающего 144 наименования. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, включающего 4 таблицы и 69 рисунков.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Тер-Мартиросяну Завену Григорьевичу за постоянное внимание и помощь при выполнении настоящей работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится обзор и анализ современных проблем взаимодействия оснований и фундаментов при статическом и динамическом воздействиях, в том числе вопросов изучения и количественного прогнозирования НДС и колебания системы «основание- фундамент», «основание- свая».

Отмечается, что одной из важных проблем проектирования, строительства и эксплуатация зданий и сооружений является количественная оценка НДС системы «основание-фундамент» при динамических воздействиях, в том числе прогноз остаточных напряжений и деформаций необходимый для обеспечения их устойчивости и нормальных условий эксплуатации.

Динамические воздействия, вызванные различными причинами, проявляется в виде дополнительных нагрузок на грунты основания и вызывают в них дополнительные напряжения и необратимые (остаточные) деформации. В конечном итоге эти деформации приводят к дополнительным осадком и кренам

-8-

фундаментов сооружений, а также дополнительным напряжениям и деформациям в конструкциям их подземных и надземных частей.

Известно, что объектом исследований динамики грунтов является массив грунта неоднородного состава и строения, вмещающий подземную часть здания или сооружения. Под воздействием статических и динамических нагрузок в таком массиве возникает неоднородное и сложное НДС, которое меняется в пространстве и во времени. Достоверная количественная оценка НДС в таком массиве связана с достоверной оценкой физико- механических свойств грунтов, выбором адекватнаой геомеханической модели массива, учетом конструктивных особенностей подземных частей здания или сооружения, интенсивностью и характером динамического воздействия (импульсное, циклическое, вибрационное и сейсмическое).

Методам количественной оценки НДС массивов грунтов, взаимодействующих с подземными частями зданий и сооружений посвящены работы Баркана Д.Д., Вознесенского Е.А., Ильичёва В. А., Зарецкого Ю.К., Красникова Н.Д., Рассказова JI.H., Ставницера JI.P., Савинова O.A., Тер-Мартиросяна З.Г., Уздина A.M., Шейнина В.И, Шехтер О. Я., Рейснера, Ишихара К., Кокса А, Сида Н.Б и др.

В конце первой главы излагаются выводы и приводятся формулировки цели и задач исследований.

Вторая глава посвящена описанию современных нелинейных и реологических моделей грунтовой среды, необходимых для решения задач по количественной оценке НДС массивов грунтов при статическом и динамическом воздействиях численными методами, в том числе для оценки остаточных деформаций и напряжений.

Отмечается, что отличительной особенностью грунтовой среды является ее свойство неодинаково реагировать на нагружающие и разгружающие напряжения при объемных изменениях и формоизменениях.

На основании решения упруго-пластической задачи показывается, что модуль общей деформации песчаного грунта Е0 в условиях компрессионного

-9-

сжатия зависит от модуля упругой разгрузки Ее, коэффициентов Пуассона при нагрузке г>0 и разгрузке ие (ис< и0), угла внутреннего трения ф и может быть определен по формуле

Е Д'[(1 + у0)Г^-(1-2У0)>/3]

0 + + (21)

Анализ этого уравнения показал что, при известном угле внутреннего трения отношение Ее/Е0 колеблется в пределах от 3-х до 6-ти, что соответствует рекомендованным значениям нормативных документов.

Из анализа компрессионных и штамповых испытаний, выполненных многими исследователями, в том числе, в МГСУ следует, что при циклическом воздействии грунты, упрочняются с ростом количества циклов (Ы) и эту зависимость можно определить по формуле

е(и) = £:1(1+1п^) (2.2)

где £1- деформация после первого цикла

Такая зависимость получается аналитическим решением если считать что модули деформации при нагрузке и рагрузке растут прямо пропорционально количества циклов ¡, т.е. Ео(0= Ео1л, Ее(1)= Ее]Л

Действительно, если считать, что за один цикл нагрузки и разгрузки накапливается деформация равная

---Б^т)' (2.3)

о/ Ь,

то за N циклов будет накапливаться деформация, которая определяется по формуле

В диссертации показывается, что для практических расчетов сумма этого ряда может быть определена по формуле

У ! = 1+1лЛГ (2.5)

Из сравнения (2.2) и (2.5) видим, что они совпадают, и что логарифмическая зависимость (2.2) обусловлена изменением модулей деформации пропорционально количеству циклов.

В диссертации эта зависимость используется для построения новых моделей грунтовой среды на основе модели Кельвина- Фойгта (рис.2.1). Аналогичным образом можно рассуждать при рассмотрении зависимости осадки основания под штампом, т.е. получаем

5и(^)=51(1 + 1пЛГ) (2.6)

Очевидно, что учет этих факторов окажет существенное влияния на характер свободного и вынужденного колебаний системы «основание-фундамент», в том числе, на амплитуду и частоту колебании, на время затухания колебаний и на накопление остаточных перемещений. В диссертации на основе модифицированной модели Кельвина- Фойгта рис.(2.1) определяют коэффициенты жесткости грунтов основания и соответствующие коэффициенты равномерного сжатия и сдвига.

Т(1)

-ЛЛЛЛЛЛЛг- тм Э г л

—1кг Л®1*

т"

X "ч ** X X X

а) б)

Рис.2.1. Модифицированные реологические модели Кельвина- Фойгта для

грунтовой среды при сжатии (а) и сдвиге (б).

Расчеты колебания системы «основание-фундамент» выполненные на

основе реологических уравнений и составленные на основе моделей (а) и (б)

(рис. 2.1) показали, что при определенных сочетаниях параметров Е„(М)<

Ер(Ы)<, г)(Ы), т* и а* при статическом, импульсном и циклическом нагружении и

последующей разгрузке они приводят к остаточным деформациям, что не

наблюдается в основной модели Фойгта.

- и-

Контактные модели грунтового основания с учетом упрочнения и неодинокого сопротивления грунта при нагружении и разгрузке

Известно, что существует зависимость между модулем деформации грунта и коэффициентами упругого равномерного сжатия основания в виде:

где Е- модуль деформации, Ьо- параметр, А- площадь подошвы фундамент, А0= 10 м2.

По аналоги с (2.3) можно ввести коэффициенты равномерного уплотнения и разуплотнения грунтов основания, пологая, что динамическое воздействие является дополнительным к статическому и, следовательно, на контакте фундамента с основанием не возникают растягивающие напряжения. В таком случае коэффициенты равномерного уплотнения и разуплотнения будут характеризоваться модулями общей линейной деформации Е0 и упругой разгрузки Ее, причем Е0< Ее (Е0= Ен, Ее = Ер).

Таким образом можно говорить о коэффициентах равномерного уплотнения и разуплотнения грунта при нагрузке и разгрузке, т.е. С"<. С/. Кроме того, можно говорить об их изменении в зависимости от количества циклов N. т.е. СДЫ)< С/(1\[). Если учитывать, что Ы=ТЛ, где 1- время Т=2л/со - период времени за один цикл, то можно считать, что эти коэффициенты зависят от времени, т.е. С/ф, СДО-

В третьей главе рассматривается аналитическое решение уравнения колебания фундамента с учетом С2"0), С/О) и г|(Ч), с помощью программы МаЛСАЭ.

Далее в диссертации приводится обоснование возможности определения коэффициента равномерного упругого и вязкого сдвига грунтов вокруг сваи т.е. Сх и т)х на основе известного (Тер-Мартиросян З.Г.2009) решения статической задачи о взаимодействии сваи с упруго- вязким грунтовым массивом, которые имеют вид:

(2.7)

7,1 2аЩЬ/а)

(2.8)

где О- модуль сдвига, г|- вязкость грунта, а- радиус сваи, Ь=(3^6)а- зона влияния сваи.

Третья глава посвящена постановке и решению задач по количественной оценке колебания системы «фундамент-основание» с учетом нелинейных и реологических свойств грунтов и весомости основания аналитическим и численным методами. Аналитические решения получены на основе новых расчетных схем систем «фундамент-основание» и «свая-основание» с использованием контактных моделей, предложенных в главе 2. Численные решения для эквивалентных задач «фундамент-естественное основание» получены с помощью программного комплекса ГЧахЬ. Сравнение результатов этих решений показало их удовлетворительную сходимость. Показывается, что упрочнение и разномодульность грунтов основания, а также другие факторы оказывают существенное влияние на свободные и вынужденные колебания системы «фундамент- основание». Рассмотрим некоторые из них.

3.1. Свободные колебания фундамента

В этом случае дифференциальное уравнение колебания с учетом характеристик упрочнения грунта к{1) и гцЧ) и трения / в общем случае записывается в виде:

гп2 "+кер'г +г/еа'г '+/ =0

(3.1)

где т- масса фундамента/- трение, а и (3- параметры упрочнения.

Time(s)

Рис. 3.1. Графики свободных колебаний фундамента на винклеровском основании с начальной скоростью 0,1м/с без учета трения и упрочнения (zl); с учетом трения и упрочнения (Р=0,01) (z2); то же ((3=0,3) (z3), рассчитанные по (3.1). Примечание: во всех случаях г)=0.

3.2. Свободные колебания фундамента после импульсного воздействия с учетом неупругого сопротивления

В этом случае дифференциальное уравнение колебания записывается в виде:

mz" л+кг +T]e°"z^+f - p0sm(at)

(3.2)

| Zl(l)-Q.[

1 £W •a -

I

1/

w

Time(s)

Рис. 3.2. Графики колебания фундамента на винклеровском основании при к=сопБ, а=0 (г1); а=0,1 (г2) и а=0,2 (гЗ); при импульсном воздействии по (3.2).

3.3. Колебания системы заглубленного фундамента и основания под штамповочным молотом

В этом случае при наличии вибропоглоицающих элементов конечной жесткости между машиной и фундаментом, колебание машины и фундамента следует рассматривать в отдельности. Возникает колебание системы с двумя степенями свободы (рис 3.3).

Ы.

Рис.3.3. Схематическое представление колебания системы «молот- прокладка-фундамент-основание» (а) и соответствующая расчетная схема (б).

Динамическое равновесие такой схемы можно представить системой из двух уравнений

m2z {'+к zep' z 2 + к 2ер' {z 2~z ,) + П2еа' z \+Т1геа\г 2-г l')+fsign(z 2-z /) = 0

(3.3)

Решение системы (3.3) полученное с помощью программы МатЬСАЭ для двух случаев, представлено на (рис 3.4).

Time(s)

Рис.3.4. Графики колебаний системы, полученные на основании решения уравнения (3.3) с помощью МаШСАЭ без учета упрочнения и вязкого сопротивления (г1и г2) и с учетом упрочнения и вязкого сопротивления и трения/(гЗ и /4) при периодическом воздействии.

3.4. Колебание фундамента на весомом основании Анализ упруго-инерционной модели Е.Рейснера и О.Я.Шехтер показал, что амплитуда колебания фундамента нигде не обращается в бесконечность. Этот случай представляет интерес как с точки зрения амплитуды колебания, так и с точки зрения возникновения остаточных осадок основания.

В диссертации рассмотрена колебания заглубленного фундамента на многослойном весомом, упруго-вязком основании с учетом трения фундамента по грунту. В работе расчетную схему колебания заглубленного фундамента на многослойном весомом основании предлагается представить в виде (рис.3.5).

Рис.3.5. Расчетная схема колебания заглубленного фундамента на многослойном основании.

Эта схема аналогична расчетным схемам предложенным ранее разными авторами для моделирования упруго-инерционного однородного основания в виде призматического столба грунта, конечного трапецеидального массива и конуса, на которые передается нагрузка, причем решение этих схем рассматривается на основе волновой теории.

Р0 Б! ПОЛ

т,

Фундамент

В диссертации показывается, что существует зависимость между углом распределения напряжений А, и коэффициентом затухания напряжений основании <т2 по глубине а(2г/Ь,1/Ь) в виде:

,8Л = Ь(-1-а) (3.4)

2 а2а

где, Ь и 1- ширина и длина прямоугольного фундамента, соответственно;

Za- нижняя граница сжимаемой толщи основания, определяемая на основании статической задачи из условия о2р=0,2аге при Ь<10м и о2р=0,5 ащ при Ь>10.

Рассмотрим пример для двухслойного основания 111+1ь по схеме (рис.3.5) с тремя степенями свободы. Система дифференциальных уравнений вынужденных колебаний в этом случае имеет вид:

-г2) + 7,(2/-г2")+2') = Р0 втвУ т2г2"+к2(г2-г3)-к[(2]-г2) + ?]2(г2-г;)-^(г]-г2) = 0 (3 5

-zз) + ?7зzз'-^2(z2'-zз,) = О

где

к. =кер',?11 =пеа1

Рис. 3.6. Графики колебаний системы «фундамент- двухслойное основание» с тремя степенями свободы, построенные с помощью программы МаЛСАО с учетом упрочнения, фундамент (г1), первой слой(г2), и второй слой(гЗ).

Видно, что в этом случае возникает остаточная осадка фундамента. Эта задача решена также в упругой постановке по (3.5) и по программе Р1ах1з.

Сравнение показало их удовлетворительное совпадение, что является обоснованием достоверности предложенной схемы (рис.3.5). 3.5. Колебания системы«свая- двухслойное основание» В этом случае жесткость кх и вязкость г|х окружающего грунта определяются по формуле (2.8), а под нижним концом сваи по обычной формуле k2=Cz.A, где А- площадь поперечного сечения сваи.

mnPz "+кхщ,е/*г + rjea'z =p0sm(at) (3.6)

Рис. 3.7. Расчетная схема колебания системы «свая-однородное основание» (а) и эквивалентная расчетная схема (б) по O.A. Савинову.

Как показали экспериментальные и аналитические исследования O.A. Савинова, при вертикальных колебаниях свайных фундаментов сваи и грунта в межсвайном пространстве в имеющем практическое значение частотном диапазоне ведут себя так единый опирающийся на грунт на уровне нижних концов свай массив. Это позволило ему принять для расчета простейшую расчетную схему вида (рис. 3.7) с одной степенью свободы.

k:np=(kz+k/')v (3.7)

где К2и Kz6- определяются по О.А.Савинову, в зависимости от коэффициента у

Как отмечает O.A. Савинов, предложенная им расчетная схема была

подвергнута различными автором экспериментальной проверке, которые

подтвердили возможность его практического использования. Кроме того, в

диссертации приводится сравнительная оценка колебания системы «свая-

однородное основание» в упругой постановке полученное на основе

-18-

tV-

■Ы

^-ж~

а)

б)

модифицирований расчетной схемы O.A. Савинова (рис.3.7) и на основе численного решения с помощью программного комплекса Plaxis. Она показала

Т и)1с(ч)

Рис.3.8. Графики колебания системы «свая-двухслойное основание», полученные на основе решения уравнения (3.6), с одной степенью свободы с помощью программы МаШСАО при импульсной нагрузке с учетом упрочнения и трения (г1)и без учета упрочнения и трения (г2).

Четвертая глава посвящена исследованию НДС двухслойного основания, взаимодействующего с сооружением конечной жесткости и массы при статическом и сейсмическом воздействиях.

Рис 4.1 Расчетная схема двухслойного основания, взаимодействующего со зданием конечной жесткости при сейсмическом воздействии согласно акселерограмме (рис 4.2).

Рассмотрение такой расчетной схемы обусловлено инженерно-геологическими условиями в районе города Мосула на севере Ирака. Основанием сооружений в этом районе служат толща глинистых грунтов мощностью 20м, под которыми залегают песчаные грунты мощностью 15м. Ниже залегают каменные скальные породы.

Сводная таблица физико-механических свойств грунтов в районе г. Мосула в Ираке представлена ниже.

Н0. игэ Наименование грунта Толщина слоев Удельны вес кН/м3 Модуль деф.Е МПа Угло внутр. трения Сцепление кПа

1 глина 20 18 15-20 15 50

2 песок 15 20 20-25 30 5

3 Скала - 25 300-400 - Ясж=30 мПа

Ускорение(м/с2)

время(с)

Рис.4.2. Акселерограмма землетрясения, принятая за основу для расчета НДС

двухслойного основания.

Расчеты НДС системы «сооружения-двухслойное основание» выполнялись с использованием программного комплекса Р1ах1з-2с1 для зданий высотой 42м

-20-

(12 этажей), 63м (18 этажей) и 84м (24 этажа), с учетом упругих и упругопластических свойств грунтов при статическом и сейсмическом воздействиях.

В результате обработки расчетов были построены изолинии компонентов перемещений ихх , иуу, нормальных и касательных напряжений ахх ауу> оху> а также изолиний коэффициентов относительной прочности к=т/ т*<1, где тих* действующее и предельное значения касательных напряжений в рассматриваемой точке.

Е

<т к -«

шттшштшшштшмшшшт

1|

Рис 4.3. Изолинии остаточных горизонтальных перемещений (после затухания свободных колебаний) двухслойного основания, взаимодействующего с сооружением конечной жёсткости при горизонтальном сейсмическом воздействии а) Н=42 м ятах=8 см; б) Н=84 м зтах=25 см с учетом упруго-пластической модели грунтов.

Как и следовало ожидать, перемещения в упругой и упруго-пластической постановках отличаются по величине и по форме, особенно с ростом этажности, т. е. массы сооружения.

Во втором случае возникают значительные дополнительные остаточные напряжения и перемещения в основании сооружении (рис.4.3). С ростом этажности эта разница увеличивается. Вместе с тем имеет место удовлетворительное совпадение частот собственных колебаний зданий одинаковой этажности. Кроме того, напряжения стхх и стуу отличаются несущественно.

¡ИМ/Л/), Ал/

ШШР

ЩЩ\Мм \ZWN~~~

Рис.4.4. Графики зависимости горизонтальных перемещений во времени на верхней точке здания А (рис.4.1) сооружений при горизонтальном сейсмическом воздействии с учетом упруго-пластической модели грунта.

В диссертации анализированы результаты расчетов НДС двухслойного основания при сейсмическом воздействии с учетом изменения этажности и модуля деформации верхнего слоя от 15МПа до 45МПа. С ростом модуля деформации время затухания горизонтальных перемещений уменьшается, а частота колебаний увеличивается, следовательно меняется и период колебаний здания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор и анализ задач по теме диссертации показали, что методы количественной оценки НДС оснований и фундаментов при статическом,

циклическом и динамическом воздействиях, в том числе остаточных

-22-

деформаций, требуют совершенствования путем учета разномодульности грунтов при нагрузке и разгрузке, их упрочнения и изменения вязкости во времени.

2. Обзор и анализ результатов экспериментальных исследований грунтов при циклическом и вибрационном воздействиях, выполненных за последние десятилетия, в том числе в МГСУ показали, что:

а) при компрессионных и трехосных испытаниях возникают и накапливаются остаточные деформации, которые растут, пропорционально логарифму от количества циклов;

б) модули деформации при нагрузке и разгрузке отличаются в несколько раз Е„<ЕР, причем с ростом количества циклов они увеличиваются пропорционально количеству циклов n (E(n)=Ei.n), что и обуславливает развитие остаточных перемещений;

в) учет изменения модуля нагрузки пропорционально количеству циклов в аналитическом решении компрессионной задачи приводит к логарифмической зависимости деформации от количества циклов, указанной в пункте (б), т.е. Е(п)= £](1+1п п), что соответствует результатам экспериментальных исследований;

г) в решениях динамических задач взаимодействия системы-фундамент-основание на основе контактной модели Винклера учет разных коэффициентов постели грунтов основания при нагрузке и разгрузке,т.е. CZH< С/, и их упрочнение приводит к результатам, которые существенно отличается от классического случая, когда CZH=CZP. В частности, свободные колебания при CZH(N)< C/(N) без учета вязкого сопротивления имеют затухающий характер.

3. Основными и определяющими факторами, влияющим на возникновение и накопление остаточных перемещений при колебании фундаментов, являются изменяющиеся во времени вязкость грунтов основания и трение по боковой поверхности фундамента.

4. Примеры решения задач о колебании системы «фундамент-основание» на основе предложенной расчетной модели многослойного весомого основания с

-23-

несколькими степенями свободы и их сравнение с результатами решения задачи на основе программы Р1ах1я показали их удовлетворительную сходимость.

5. Учет трения заглубленного фундамента по фунту в предложенной модели (пункт 4) оказывает существенное влияние на характеристики колебания фундамента, в том числе на амплитуду и на накопление остаточной осадки фундамента.

6. Выполненные расчеты НДС двухслойного основания, взаимодействующего со зданиями различной высоты и конечной жесткости показали, что учет упруго-пластических свойств грунтов приводит к возникновению остаточных напряжений и перемещений. Вместе с тем, в этом случае частота собственных колебаний зданий несущественно отличается от результатов решения в упругой постановке.

7. С ростом высоты (массы) зданий растет и влияния сейсмической нагрузки на НДС грунта основания. Возникают дополнительные напряжения и деформации на контактной зоне фундамент-основание, которые приводят к дополнительным остаточным перемещениям и напряжениям, а также к образованию локальных зон предельного равновесия.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Тер-Мартиросян З.Г., Джаро Мохаммед Н., Колебания системы машина-фундамент-основание с двумя степенью свободы- М., Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», 6/2011, сс. 318-324.

2. Тер-Мартиросян З.Г., Джаро Мохаммед Н., Взаимодействие заглубленного фундамента со сжимаемым весомым основанием при динамических нагрузках— М., Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», 8/2011, сс. 89-94.

3. Тер-Мартиросян З.Г., Джаро Мохаммед Н., Колебания заглубленного массивного фундамента на многослойном весомом основании- М., Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», 4/2012, сс.116-120.

4. Тер-Мартиросян З.Г., Джаро Мохаммед Н., Взаимодействие сооружений конечной жесткости с двухслойным основанием при сейсмических нагрузках— М., Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», 4/2012, сс.121-125.

5. Джаро Мохаммед Н. Остаточные деформации и напряжения в двухслойном основании при сейсмическом воздействии, - М., Сборник научных трудов XXIII Международной межвузовской научно-практической конференции молодых учёных, докторантов и аспирантов «Геотехнические проблемы строительства сооружений повышенной ответственности», сс.775-781, 14-21.04.2010 Москва.

6. Мирный А.Ю., Джаро Мохаммед Н. Определение угла внутреннего трения в компрессионном приборе, - М., Сборник научных трудов XXX Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Геотехнические проблемы строительства сооружений повышенной ответственности», сс.638-641, 25-27.04.2012 Москва.

Подписано в печать: 19.04.2013 Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 863 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Рождественка, д. 5/7, стр. 1 (495) 623-93-06; www.reglet.ru