автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Взаимодействие мембранных фундаментов зданий малой и средней этажности с грунтовым основанием

На правах рукописи

ЕПИФАНЦЕВА Лариса Рафаиловна

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕМБРАННЫХ ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ ЭТАЖНОСТИ С ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

05.23.02 — Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ¡5 ИАЙ

Тюмень 2013

005058767

Работа выполнена в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре «Строительные конструкции» (ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ»).

Научный руководитель: ПРОНОЗИН Яков Александрович

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: ГОТМАН Наталья Залмаиовна

доктор технических наук, профессор, ГУП БашНИИстрой, г. Уфа, заведующая лабораторией спец. фундаментов и подземных сооружений ОО и Ф

КОНЮШКОВ Владимир Викторович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный архитектурно-

строительный университет, доцент кафедры «Геотехника»

Ведущая организация: ООО НПО «Фундаментстройаркос»

г. Тюмень

Защита диссертации состоится «30» мая 2013г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.272.01 при Тюменском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 625001, г.Тюмень, ул. Луначарского, 2, конференц-зал.

тел. / факс 8 (3452) 43-39-27. Email: pronozin@tgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тюменского государственного архитектурно-строительного университета». Автореферат размещен на сайте университета.

Автореферат разослан «26» апреля 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Я.А. Пронозин

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В настоящее время основной фактор повышения эффективности в работе строительных компаний - это сокращение себестоимости строительства и уменьшение сроков возведения зданий. В осуществлении этой задачи значительная роль отводится строительству фундаментов, так как оно составляет до 15-25% стоимости всего строительства, а затраты труда и времени соответственно до 40 и 25%. Для снижения материалоёмкости подземной части зданий в условиях сильносжимаемых грунтовых оснований, сложенных пылевато-глинистыми грунтами, возникает необходимость проведения исследований по разработке и внедрению в серийное производство более экономичных фундаментов. Эффективным путем для решения этой задачи является применение новых конструктивных форм и прогрессивных материалов. Рациональными вариантами повышения эффективности строительства фундаментов для зданий малой и средней этажности следует считать системы, обладающие традиционными элементами технологии устройства и вовлечения в работу максимального объема грунтового основания. Для малой и средней этажности зданий (до 5 и до 9 этажей соответственно) с регулярным расположением несущих стен, это может достигаться применением мембранных фундаментов, представляющих собой сочетание продольных и поперечных ленточных фундаментов, на которые опирается здание, объединенных мембранами. Роль мембраны - управляемое вовлечение в работу всего массива грунта под зданием.

Таким образом, изучение взаимодействия мембранных фундаментов с использованием современных композиционных материалов на основе фибры (КМФ) с грунтовым основанием является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования

Существует ряд альтернатив традиционным видам фундаментов мелкого заложения, например, ленточные прерывистые фундаменты, благодаря которым повышается эффективность выполнения нулевого цикла работ. Большой вклад в развитие таких фундаментов внесли отечественные ученые: В.Г. Березанцев, М.И. Горбуновым-Посадов, Е.А. Сорочан, С.И. Евтушенко.

В условиях слабых сильносжимаемых фунтов для повышения эффективности изучаются и применяются фундаменты мелкого заложения в виде железобетонных оболочек. Как показали исследования, выполненные А.Н. Тетиором, А.Г. Литвиненко, К. Сечи, А.П. Малышкиным, Я.А. Пронозиным, К. Dierks, N. P. Kurian, С. S. Mohan, Р. С. Varghese, и др., благодаря фундаментам-оболочкам достигается экономия строительных материалов и снижение стоимости без потери прочностных свойств.

Экспериментальную работу фундаментов с криволинейной формой на грунтовом основании изучали К.Сечи, О.С. Порошин, Р.В. Мельников, R. L. Nicholls и М. V. Izadi Т. S. Iyer и N. R. Rao, N. P. Kurian и S. R. Jeyachandran.

Вопросы исследования работы фундаментов с криволинейной формой, работающих преимущественно на растяжение, не изучались, в силу низкой трещиностойкости и возможной коррозии стальной, что и являлось сдерживающим фактором их развития. В настоящее время одним из возможных вариантов преодоления этой проблемы является применение композиционных материалов с фиброй.

Обобщая опыт многих отечественных и зарубежных исследователей и инженеров, занимавшихся вопросами эффективных форм фундаментов мелкого заложения, необходимо отметить ряд преимуществ фундаментов с криволинейной поверхностью по отношению к традиционным, а именно:

- по отношению к фундаментам с плоской подошвой - снижение внутренних усилий в фундаменте и более равномерное их распределение;

- благодаря криволинейной поверхности подошвы фундаментов в сравнении с плоскими фундаментами достигается экономия строительных материалов и снижение стоимости без потери прочностных свойств;

- криволинейная подошва гибких фундаментов позволяет снижать осадки и повысить несущую способность основания.

В результате моделирования фундаментов зданий от ленточных типовых размеров (рис. 1 - I вариант) с ростом их ширины (рис. 1 - II вариант) вплоть до их объединения в плитный (рис. 1 - III вариант) установлено, что наиболее рациональным на слабых сильносжимаемых грунтах (Е<7МПа, R<1 50кПа) является неравномерное нагружение грунтового основания (рис. 1 - IV вариант).

Средняя расчетная осадка неравномерно нагруженного фундамента меньше осадок равномерно нагруженного на 56%. При неравномерном нагружении участки с большими контактными давлениями имеют малую ширину b и, следовательно, малую глубину сжимаемой толщи. Оставшаяся пролетная часть имеет сравнительно небольшое давление, что также уменьшает глубину сжимаемой толщи. Разница глубин сжимаемых толщ составляет 14% в пользу варианта IV (рис. 1). Неравномерное нагружение основания за счет пригруза между ленточными фундаментами увеличивает расчетное сопротивление грунта R под лентами.

При наличии в верхней части геологического разреза плотных и прочных грунтов, подстилаемых слабыми сильносжимаемыми грунтами, расчетное значение осадки неравномерно нагруженного основания по отношению к равномерно нагруженному основанию еще более снижается, так как уровень максимальных напряжений концентрируется в толще плотных и прочных грунтов. При этом варианты загружения основания I и II (рис. 1) в условиях слабых сильносжимаемых грунтов не могут быть применимы из условия непревышения среднего давления расчетного сопротивления p<R.

БООкПа

I - ленточны 0 фундамент 500кПа

БООкПа

1 2 1

fififlü ,т;г)о 6ПО0

250кПа

■ ленточный фундамент 250кПо

250кПа

Li^oo

45Р0

J.1S00 J.

II! - плитный фундамент _ЮОкПа_

jtm'HHHHWIItn

L_1ВООО_I

IV - неравномерно нагруженный фундамент 200кПа 200кПа ГООкПа

1 75кПо 2 75кПа R1

1 . i i .3, , |

60!Ш ■ Т^ОЭ 600D L

\750

Рисунок 1. Схема нагружения грунтового основания

На основе выявленных закономерностей деформирования фунтового основания при различном законе распределения контактных давлений была сформулирована идея создания мембранного фундамента, который во взаимодействии с основанием формирует заданное нагружение грунтового массива с целью обеспечения нормируемых параметров, а именно осадки и ее неравномерности.

На основании проведенного литературного обзора по проблемам строительства на слабых сильносжимаемых основаниях и предложенного направления по повышению эффективности фундаментостроения были сформулированы цель и задачи исследования.

Цель и задачи исследования: Цель исследования: выявление

закономерностей взаимодействия грунтовых оснований, сложенных преимущественно пылевато-глинистыми грунтами, с мембранными фундаментами на основе результатов экспериментально-теоретических исследований и разработка методики их расчета.

Объект исследования: грунтовые основания сложенные преимущественно пылевато-глинистыми грунтами, нагруженные фундаментами мелкого заложения, состоящими из ленточных фундаментов, объединенных несущими мембранами.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние грунтового основания и мембранных фундаментов в процессе их силового взаимодействия.

Цель исследования предполагает необходимость решения следующих задач:

1. Разработать новый вид фундаментов мелкого заложения, эффективно вовлекающих в работу грунтовый массив под сооружением и снижающих его осадку при строительстве на пылевато-глинистых грунтах.

2. Выявить область рационального применения фундаментов мелкого заложения, состоящих из ленточных фундаментов, объединенных мембранами;

3. Исследовать долговечность КМФ в качестве несущих мембран.

4. Разработать и численно реализовать метод расчета мембранного фундамента на грунтовом основании, моделируемом гипотезой Винклера.

5. Выявить влияние жесткостных, геометрических, конструктивных параметров мембранного фундамента на осадки его элементов и работу системы «грунтовое основание - мембранный фундамент» на основе теоретических исследований.

6. Определить особенности напряженно-деформированного состояния естественного грунтового основания, нагруженного мембранными фундаментами экспериментальным путем.

Научная новизна исследования

1. Разработан мембранный фундамент, обеспечивающий по отношению к ленточным фундаментам снижение средней осадки и неравномерности осадок и более полное использование несущей способности основания.

2. Исследованы изменения прочностных характеристик КМФ от воздействия химических компонентов, характерных для грунтов юга Тюменской области; доказана возможность использования КМФ в качестве несущих мембран в исследуемых фундаментах, контактирующих с грунтовым основанием.

3. Разработан и численно реализован метод расчета мембранного фундамента на грунтовом основании, моделируемом коэффициентом постели, основанный на лапласовом давлении нити на криволинейную поверхность.

4. Выявлены особенности и закономерности взаимодействия грунтового основания с мембранным фундаментом в зависимости от его жесткостных, геометрических и конструктивных параметров.

5. Экспериментальным путем подтверждена эффективность мембраны в составе ленточных фундаментов.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в экономической эффективности возведения фундаментов мелкого заложения, зданий средней этажности на сильносжимаемом грунтовом основании. Разработанный метод расчета мембранных фундаментов на глинистых грунтах обеспечивает надежность проектных решений. Результаты исследований реализованы:

в проекте строительства трех 3-х этажных жилых домов в г. Новый Уренгой в квартале улиц Крайняя-Тундровая-Сибирская и в г. Тюмени в районе улиц А.Сахарова — Просторная - Лебяжья;

в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете (ТюмГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности 270102 -«Промышленное и гражданское строительство»;

- в региональном конкурсе студенческих научных работ (г. Тюмень, 2012г.).

Методология и методы исследований

Методы исследования:

1. Экспериментальные лабораторные исследования влияния химических компонентов, содержащихся в грунтовой среде, характерных для юга Тюменской области, на КМФ.

2. Теоретические исследования взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием на основе предложенного метода расчета, выявление закономерностей влияния параметров мембранного фундамента на его взаимодействие с грунтовым основанием.

3. Экспериментальные полевые исследования на крупномасштабных моделях мембранного фундамента для подтверждения применимости разработанного метода расчета и эффективности мембранных фундаментов.

4. Анализ данных экспериментальных полевых наблюдений за осадками мембранного фундамента и НДС грунтового основания.

5. Сравнение полученных результатов с результатами численного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

конструкция мембранного фундамента;

область рационального применения мембранных фундаментов; результаты лабораторных исследований влияния химических компонентов, содержащихся в грунтовой среде, на КМФ;

метод расчета взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием;

закономерности влияния параметров мембранного фундамента на его взаимодействие с грунтовым основанием;

результаты экспериментальных исследований взаимодействия глинистого основания с мембранным фундаментом. Сопоставление полученных результатов в авторской программе и ПК Plaxis 8.2.

Степень достоверности и апробации результатов

Достоверность результатов обеспечивается:

выполнением экспериментальных исследований с помощью современных апробированных контрольно-измерительных цифровых комплексов, тарированных первичных преобразователей и поверенных приборов;

применением классической модели механики грунтов, сопоставлением результатов с известными теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов;

сопоставлением результатов численных и аналитических решений с данными натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на VI, VII, VIII, IX научных конференциях молодых ученых и соискателей ТюмГАСУ (г. Тюмень, 2010,2011), на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2010, 2011, 2012), на Международной научной конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (г. Волгоград, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции «Стратегия инновационного развития, строительства и освоения районов Крайнего севера» (ООО НПО Фундаментстройаркос, г. Тюмень, 2011), на Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (г. Пермь, 2011), на Международной научно-практической конференции по

инженерному мерзлотоведению (ООО НПО Фундаментстройаркос, г. Тюмень, 2011), на Всероссийской научно-практической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (ЮРГТУ НПИ г. Новочеркасск, 2012), на Всероссийской научно-практической конференции «Геотехника: Теория и практика» (СПб РАСУ г. Санкт-Петербург, 2013). Основные результаты работы изложены в 12 научных статьях, 2 из которых в изданиях перечня ВАК. По результатам работы получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 193 страницы машинописного текста, 78 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 170 наименований.

Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели научной работы, ее научной новизне, установленной практической значимости, диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения, пункту 3 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструкций и способов устройства подземных сооружений промышленного и гражданского назначении»; пункту 5 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструкций и способов устройства оснований и фундаментов в особых инженерно-геологических условиях: на слабых, насыпных, просадочных, засоленных, набухающих, закарстованных, вечномерзлых, пучинистых и других грунтах».

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ Разработан мембранный фундамент, обеспечивающий по отношению к ленточным фундаментам снижение средней осадки и неравномерности осадок и более полное использование несущей способности основания.

Рисунок 2.

Поперечное

сечение

мембранного

фундамента

Мембранный фундамент (рис. 2) представляет собой сплошную несущую мембрану 1, уложенную на основание с криволинейной поверхностью 3 и железобетонный опорный контур 2 в виде продольных и поперечных ленточных фундаментов, для зданий каркасного и бескаркасного типа. В местах примыкания мембраны к подошве продольных ленточных фундаментов проложена разрезанная вдоль труба 4, которая укладывается при устройстве опалубки ленточных фундаментов. Основание мембранного фундамента 3 может быть искусственным или

естественным. Мембрана выполняется из высокопрочного материала, стойкого к агрессивным средам.

Нагрузка на мембранный фундамент от вышележащих конструкций передается через продольные ленточные фундаменты. При осадке лент несущая мембрана натягивается и вовлекает в работу грунтовое основание, заключенное между ленточными фундаментами, тем самым трансформируя его в усилие растяжения. Ленточный фундамент, воспринимающий усилия сжатия и изгибающие моменты, выполняется монолитным железобетонным.

Исследованы изменения прочностных характеристик КМФ от воздействия химических компонентов, характерных для грунтов юга Тюменской области; доказана возможность использования КМФ в качестве несущих мембран в исследуемых фундаментах, контактирующих с грунтовым основанием.

Обзор ИГИ по югу Тюменской области позволил выявить максимальные значения показателей агрессивности.

Изменения прочностных характеристик исследовались у двух композиционных материалов: 1 вид КМФ - углеродное волокно марки MBrace Fib компании BASF; 2 вид КМФ - геосетка марки ССП 30x30/2,5 марки Нефтегаз ГРУНТСЕТ (рис.3).

В результате исследований установлено, что предел длительной прочности геосетки ниже на 40% предела кратковременной ее прочности на разрыв. С учетом одновременного воздействия усилий растяжения при воздействии агрессивной среды грунтовых вод необходимо снижать расчетные показатели прочностных характеристик геосетки до 50% от первоначальных.

Концентрации солей, преобладающие на территории юга Тюменской области, не являются агрессивной средой для углеродных волокон. Однако, с учетом одновременного действия максимальной концентрации агрессивной среды и усилий растяжения наблюдается незначительное снижение прочности, поэтому расчетные показатели прочностных характеристик рекомендуется принимать 75% от первоначальных.

Разработан и численно реализован метод расчета мембранного фундамента на грунтовом основании, моделируемом коэффициентом постели, основанный на лапласовом давлении нити на криволинейную поверхность.

На рисунке 4 представлена расчетная схема среднего пролета мембранного фундамента в условиях плоской деформации.

Рисунок 3. Испытание образцов:

разрыв углеродного волокна (слева); разрыв геосетки (права)

Рисунок 4. Расчетная схема мембранного фундамента Данная расчетная схема содержит следующие обозначения: Ф„(х) - уравнение срединной поверхности мембраны до деформирования, учитывающая стрелу подъема/;

Фк(х) - уравнение срединной поверхности мембраны после деформирования;

р(х) - интенсивность давления мембраны (Лапласово давление - давление нити на

N

криволинейную поверхность, р = —-, где N — усилие натяжения нити, Я - радиус

к

кривизны поверхности);

д(х) - реактивный отпор грунта под мембраной;

Р2/2 — половина погонной нагрузки на средний ленточный фундамент в силу симметрии задачи;

0,гр - погонный реактивный отпор грунта под ленточным фундаментом; \ч(х) = Фк(х) - Ф„(х) - перемещение (осадка) мембраны; \vfaj = осадка края мембраны;

<р„, /рк - начальный и конечный углы между горизонталью и касательной к несущей мембране в месте сопряжения с опорным контуром; а - полуширина мембраны;

Ь2/2 - полуширина среднего ленточного фундамента в силу симметрии задачи; Щх) - растягивающая, продольная сила в несущей мембране в точке с координатой х.

Дифференциальное уравнение деформирования мембраны в пренебрежении ее изгибной жесткостью на грунтовом основании, моделируемом гипотезой Винклера-Фусса, имеет вид:

■N(x)

d20H d w dx2 + dx2

■k(x)w{x) = 0 (1)

где N(x) - в общем случае переменное по длине усилие в мембране, зависящее от коэффициента трения Я.

Необходимо найти решение уравнения (1) при следующих граничных условиях:

dw _

1) ~г (") - U - угол поворота в середине мембраны равен нулю; ах

„г • г ✓<аН)„(а) dwia)-, , , , ч „

2) Na s\n[arctg(—-j— + + кфЬ\\'{а) = Рпа, _ баланс сил в узле

сопряжения мембраны и ленточного фундамента (условно b = bJ2 - полуширина среднего ленточного фундамента в силу симметрии задачи).

В связи с тем, что в дифференциальное уравнение (1) входит неизвестная продольная сила N, возникающая в мембране, для ее отыскания предлагается методика, суть которой заключается в необходимости уравнивания удлинений, рассчитанных двумя способами:

[ д¡сш NLn где: А£ст"-удлинение несущей мембраны, соответствующее

■j АиЕи ' (2) силовому воздействию (определяется из закона Гука);

UeOM = L^ - L ", iSL'i'"" - удлинение, соответствующее изменению геометрии

мембраны в процессе деформирования; LH — полудлина участка мембраны, лежащей на грунтовом основании, до деформирования;

LK — полудлина участка мембраны, лежащей на грунтовом основании, после деформирования;

Ач = ¿>м' I м-п- ^ площадь поперечного сечения мембраны шириной 1 м.п.;

8М - толщина мембраны;

Ем - модуль упругости мембраны;

N=const - усилие растяжения в мембране.

Все эти удлинения могут быть найдены при известном законе изменения w(x).

В силу характерных свойств грунтового основания были использованы различные варианты закономерностей изменения коэффициента постели к(х), входящего в уравнение (1):

- постоянный коэффициент постели:

к(х)=ко, (3)

- экспериментальное определение коэффициента постели;

-закон распределения коэффициента постели под мембраной, который определяется зависимостью, полученной из решения о взаимодействии штампа с упругим полупространством по теории упругости (нелинейное распределение коэффициента постели):

к(х) = -

2*0

а а а+х

Базовое значение коэффициента постели в центре оболочки к0:

ттЕ,п

к* —

0 4(ЫрУ

(5)

где : \',р - коэффициент Пуассона грунта; Егр — модуль деформации фунта.

В силу переменности величин, определяющих взаимодействие мембраны с грунтовым основанием, получение аналитического выражения для осадки мембраны м>(х) затруднительно. Поэтому для отыскания решения уравнения (1) использован численный подход на основе метода конечных разностей, позволяющего свести решение дифференциального уравнения к решению системы линейных уравнений относительно неизвестного значения функции осадки у>(х).

ОММА

Для осуществления этого подхода отрезок [0;а] разбит на п равных интервалов (рис. 5), где Ь=а/п - длина каждого интервала. Ввиду того, что отрезок а разбит на п интервалов, количество точек разбиения равно /=«+1, где / - номер Рисунок 5. Разбиение отрезка а на и (количество) точек разбиения; интервалов принадлежит интервалу [0;и].

Таким образом, дифференциальное уравнение (1) и два его граничных условия заменено системой линейных уравнений (6), состоящей из п+1 уравнения с п+1 неизвестными и1,:

■»V, - =0; / = 0

\ ~ +(к,1г2 + 2Ы, И - Л>'+| =М,Ф21к1- / = 1 + (п -1)

(6)

; / = „

клЬ

где: среднее уравнение системы линейных уравнений (6) - конечно-разностный аналог дифференциального уравнения (1) для внутренних точек отрезка [0;а] (рис. 5), то есть для номеров точек г=\-Цп-1)~, крайние уравнения системы линейных уравнений (6) - конечно-разностный аналог двух граничных условий дифференциального уравнения (1), при /=0 и /=«. Т.к. матрица этой системы 3-диагональна, то для ее решения использован модифицированный метод Гаусса -метод прогонки.

Весь предложенный алгоритм решения дифференциального уравнения уравнения деформирования мембраны на грунтовом основании (1) реализован на

языке Паскаль в среде Delphi в виде программы для ЭВМ. Данная программа применяется для расчета мембранного фундамента, лежащего на грунтовом основании, моделируемом гипотезой Винклера-Фусса, и загруженного по ленточному фундаменту. Расчетом определяется осадка мембранного фундамента, включая ленточный фундамент, реактивные давления под подошвой мембраны и ленточного фундамента, усилие натяжения мембраны. Расчет производится в автоматическом режиме при вводе необходимых исходных данных по конструкции фундамента, нагрузкам на него и свойствам грунтового основания. Все искомые величины определяются на основании численного решения дифференциального уравнения (1) относительно осадки w.

Выявлены особенности и закономерности взаимодействия грунтового основания с мембранным фундаментом в зависимости от его жесткостных, геометрических и конструктивных параметров. Наибольшее влияние на взаимодействие грунтового основания с мембранным фундаментом оказывают осевая жесткость силовой мембраны £„-Д„, стрела подъема мембраны / и коэффициент трения Я между мембраной и основанием.

Снижение осевой жесткости мембраны в шесть раз - с 6-107Н до осадка ленточного фундамента увеличивается в пределах 15% (рис. 6). При дальнейшем снижении осевой жесткости происходит резкое увеличение осадки ленточного фундамента, при этом осадка центра мембраны снижается практически до нуля.

Таким образом, при уменьшении жесткости ниже порогового значения, между ЕЛ1- Ам и осадкой

Ем-Ail, 1-10Е+7 Н 3 4

A t 1 . I . 1 I ■ \ t -,-1-1-

V 1 осадка

1 f-.. у мембраны по

1 ' 1 оси симметрии

• пороговое

t значение

и-- 1 •

1 1 , - i_ ■ \ осадка

jf\ ленточного

/ 1 фундамента

О 5 10 I15

25 30 35 40

Рисунок 6. Изменение осадки элементов мембранного фундамента от осевой жесткости мембраны Ем-Ам соответствующего пределу линейной зависимости ленточного фундамента, роль мембраны резко снижается, и основание мембранного фундамента принимает характер работы основания ленточного фундамента без мембраны.

В зависимости от стрелы подъема меняется осадка мембраны (рис. 7). Для интервала от / = 1/60(1) = 0,05м до f 1/5(1) =0,бм, т.е., параметрам, соответствующим пологой оболочке, наблюдается большее вовлечение грунта в работу при увеличении стрелы подъема мембраны, что определяется большей осадкой в центре мембраны и меньшей осадкой края мембраны, а следовательно, и ленточного фундамента.

На интервале стрелы подъема 1/10(1)^1/5(1) (рис. 8) натяжение мембраны максимально и практически равномерно по всему пролету. Установлено, что

коэффициент трения X, между мембраной и основанием существенно влияет на взаимодействие мембранного фундамента с грунтовым основанием (рис.9).

О 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5 1

кран мемораиы

Рисунок 8. Графики изменения продольной силы в мембране с различной величиной стрелы подъема

>.=0,005

/-0,19

Рисунок 7. Графики изменения осадки мембраны с различной величиной стрелы подъема

При уменьшении коэффициента трения наблюдается более равномерное распределение усилий растяжения в мембране, что способствует большему вовлечению в работу грунтового основания в пролетной части.

Таким образом, оптимальное значение коэффициента трения при /.=0. Распор, возникающий от действия усилий растяжения в мембране, в центральных пролетах компенсируется соседними пролетами.

В крайних пролетах распор ввиду отсутствия соседнего пролета может привести к смещению ленточных фундаментов (рис. 10 а), а также к их повороту на <р (рис. 10 б). Таким образом, крайний пролет многоволнового мембранного фундамента является "некомпенсированным".

Дифференциальное уравнение изгиба ленточного фундамента в горизонтальном направлении (рис. 10 а):

90

-.60

/=о,з

/.=0,5

0.3

5 0.9 1.2 1.5

Рисунок 9. Графики изменения продольной силы в мембране с различной величиной коэффициента трения

Граничные условия:

+ .Ь = 0 (7) где В — расстояние между

4У

4м

поперечными ленточными фундаментами.

Возможное кручение крайнего ленточного фундамента (рис. 10) от усилия в мембране исключается смещением оси фундамента с линии действия внешней нагрузки Р или воспринимается крутильной жёсткостью участка продольного ленточного

фундамента, закрепленного между поперечными ленточными фундаментами и противодействующими моментами, составляющими суммарный момент = М р + М+ МТ1ф - М „ от внешней внецентренной нагрузки Р

(вышележащие конструкции), от неравномерного распределения сил отпора основания Яр2 в силу поворота ленты, от сил трения по контактной поверхности ленточного фундамента ттф, от продольных сил N вследствие натяжения мембраны.

а)

Поперечный ленточный I фундамент

Л'соф

Продольный ленточный фундамент

Йй.

е, /

(3

"1г

б) Рисунок 10.

Расчетная схема работы

«некомпенсированн ого» крайнего

ленточного фундамента при расчете: а) на изгиб; б) на возможное кручение

Экспериментальным путем подтверждена эффективность мембраны в составе ленточных фундаментов. На площадке грунтовое основание представлено на глубине до 6 м суглинками от полутвердой до тугопластичной консистенции. Исследуемым объектом на экспериментальной площадке являлся мембранный фундамент (рис. 11 а) с габаритными размерами в плане 3,7x1,8 м, ширина ленточных фундаментов - 0,25 м, пролет мембраны — 1,3 м, стрела подъема - 0,16 м, что составляет 1/8 от пролета мембраны.

В качестве мембранного элемента использовалась ткань в виде шести слоев геосинтетической сетки ССП 30/30-2,5(300), с размером ячейки 2,5x2,5 мм. Параметры мембранного

фундамента принимались на основе анализа результатов теоретического исследования, проведенного ранее, в зависимости от его жесткостных, геометрических и конструктивных параметров. Также на площадке были изготовлены жесткая монолитная железобетонная плита и ленточный фундамент без мембраны с аналогичными габаритами мембранного фундамента. Измеряемыми величинами являлись: осадка ленточного фундамента, осадки мембранной части, послойные перемещения грунтового основания - при помощи поверенных прогибомеров 6ПАО; горизонтальные деформации ленточного

Рисунок 11. Мембранный фундамент: а) общий вид; б)под нагрузкой

фундамента — индикаторами часового типа ИЧ-10, контактные вертикальные и горизонтальные давления под ленточным фундаментом, контактные давления под мембраной, вертикальные компоненты напряженного состояния основания -тарированными односторонними мессдозами мембранного типа, подключенными к тензометрической аппаратуре. Регистрирующей аппаратурой для тензорезисторов являлся цифровой преобразователь Field Point (National Instruments) с оригинальным виртуальным прибором, разработанным в программной среде LabVIEW установленной на ПК. Данная программа позволяет в реальном времени отслеживать значения давлений для каждой мессдозы путем автоматического перевода поступающих изменений сопротивления по индивидуальной тарировочной

зависимости.

65

,250

5 ступень Рп = 117,12 кПа

u -I

ico 4 200-1 300 J

Нагрузка на

мембранный фундамент передавалась ступенями через продольные

ленточные фундаменты. Первая ступень нагружения соответствовала среднему давлению под подошвой мембранного фундамента, равному 0,012 МПа (4 блока ФБС 24.6.6), последующие 9 - по 0,021 МПа (по 7 блоков). Общая нагрузка от

ленточный фундамент

Рисунок 12. Контактные давления под мембранным фундаментом,кПа

фундаментных блоков составила 1340 кН (67 блоков) (рис. 11 б), что соответствовало среднему давлению рср=0,201 МПа под подошвой мембранного фундамента, практически равному расчетному сопротивлению грунта основания Я = 0,203 МПа.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что с ростом нагрузки контактные давления под центром мембраны

увеличиваются. Это

приводит к снижению роста давления под ленточным фундаментом по отношению

юо'7» 80 60 40 20 0

Рср.кПа

0 50 100 150 200

Рисунок 13. Соотношение реактивного отпора грунта воспринимаемым мембраной и ленточным фундаментом при внешней нагрузке

к среднему давлению (рис. 12). Под мембраной эпюра контактных давлений принимает форму, близкую к параболической.

В процессе нагружения соотношение нагрузки, воспринимаемой основанием под ленточным фундаментом и мембраной, меняется (рис. 13). При натяжении мембраны возникает усилие распора, направленное внутрь фундамента, обжимающее грунтовое основание под мембраной в горизонтальном направлении.

На начальных ступенях восприятие распора происходит за счет изгибной жесткости ленточных фундаментов и силами трения на контакте «ленточный фундамент - основание», при увеличении нагрузки продольные ленточные фундаменты прогибаются в горизонтальной плоскости и вовлекают в работу грунт в

Максимальная осадка

мембранного фундамента при рср=201,1 кПа - осадка ленточной части - 38,4 мм. Минимальная осадка мембранного фундамента при рср=201,1 кПа - осадка середины мембраны - 5,4 мм. Средняя по площади осадка мембранного фундамента

составила 16,7 мм (рис.14).

При среднем давлении рср=33,03 кПа (1 ступень) происходит обжатие грунта под ленточной частью мембранного фундамента и натяжение силовой мембраны. При £>,,,=54,05 кПа (2 ступень) происходит начальное обжатие грунта мембраной, конструкция "приспосабливается" под внешнюю нагрузку. При рср=75,08 кПа (3 ступень) мембрана полностью включается в работу и передает 30% внешней нагрузки на основание. При этом осадки мембранной части увеличиваются от центра к краю (рис.

14).

При сопоставлении эпюры контактных давлений (рис.12) со схемой деформирования мембраны (рис. 14), видно, что точкам с большими перемещениями соответствуют большие контактные давления, несмотря на то, что данная зависимость не является линейной. Неравномерность осадки противоположных продольных ребер незначительна и составляет 5-7% на различных ступенях нагрузки. Наибольшая интенсивность приращения деформаций характерна для последней (десятой) ступени нагружения при рср=201,2 кПа.

В результате испытаний установлено, что при максимальной нагрузке 1340кН (Рср=201,2 кПа) ленточная часть мембранного фундамента имеет осадку 38,4 мм (рис.

15), что на 60% превышает осадку плитного фундамента, и на 58% меньше осадки ленточного фундамента. Вовлекаемый в работу грунт под мембраной существенно снижает осадки ленточной части фундамента.

области вертикальных внутренних граней лент.

Р ср, кПа

0 50 100 150 200

фундамента, мм

С увеличением нагрузки рост осадки ленточного фундамента по отношению к ленточной части мембранного фундамента возрастает с 1,7 до 2,54 раза.

Среднее давление под

о ю 20

£40 50 60 70 80 90 100

200

продольная лента мембранного фундамента

ленточный фундамент

Д58%

плитный фундамент

подошвой ленточного

фундамента на всех ступенях нагружения в 2,54 раза превышает среднее давление под мембранным выходит за расчетного грунта под

Рисунок 15. Осадки плитного, ленточного и продольной ленты мембранного фундамента, мм

плитным и фундаментом и пределы сопротивления подошвой.

Изолинии вертикальных перемещений и напряжений для точек грунта в активной зоне основания мембранного фундамента, определенных с помощью глубинных марок и мессдоз, построены при помощи геоинформационной системы Golden Software Surfer 8 (рис. 16).

Уже на первых ступенях нагружения наблюдаются перемещения массива грунта под мембраной (рис.16 а, б). Однако эти перемещения имеют незначительную величину под центром мембраны и неравномерны по пролету. В месте сопряжения мембраны с ленточным фундаментом возникают ярко выраженные максимумы перемещений, на начальных ступенях достающие глубины почти 0,6b= 1 м, где b -ширина мембранного фундамента. Перемещения под центром мембраны в 0,5 мм зафиксированы на максимальной глубине 1,8 м от контактной зоны. Полное затухание перемещений в грунте наблюдается на глубине 2,4 м, что соответствует 1,46.

а) б) в)

1»=33,03 Kiln ,

-500 -1000 -1500

-2000

/i

30 '0-

кПа мм

0

-500 -1000 • 1500 -2000 -2500

'о_____

кПа мм

кПа

-1500-1000-500 500 1000 1501 -1500-1000 -500 О 500 1000 1501 -1500-1000 -500 О 500 1000 1500

Рисунок 16. Изолинии вертикальных напряжений (слева) и перемещений (справа) Напряжения, возникающие в грунте под мембраной (рис. 16), неравномерны с убыванием по кривизне, в силу неравномерности возникающих контактных напряжений. Пиковые напряжения, возникающие под ленточной частью и мембраной

вблизи лент, оказываются смещенными к оси симметрии ввиду формирования уплотненного фунтового ядра под мембраной. Глубина выравнивания напряжений в основании начинается с 3 ступени на глубине 0,8-1,0 м.

Зависимость глубины сжимаемой толщи Нс от среднего давления рср носит нелинейный характер, при этом приращениям внешней нагрузки при больших давлениях соответствуют меньшие приращения глубины сжимаемой толщи, это, возможно, связано с влиянием собственного веса грунта. При среднем давлении под подошвой мембранного фундамента, близком к R, глубина сжимаемой толщи не превышает 1,46=2,4 м. Значение глубины сжимаемой толщи, рассчитанное по СП, равно Нс Сп= 4,8 м, что в 2 раза больше экспериментальных значений.

Сопоставление экспериментальных данных с теоретическим прогнозом взаимодействия мембранного фундамента с фунтовым основанием было выполнено в оригинальном программном продукте, созданном в среде Delphi и в профамме Plaxis. Все расчеты и сопоставления рассмотрены для последней ступени нагружения при рср=20 ' Л кПа.

Экспериментальные и теоретические значения осадок поперечного сечения мембранного фундамента при различных способах задания коэффициента постели фунта под мембраной и ленточной частью представлены на рисунке 17. Изменение коэффициента постели к(х) под мембраной рассматривалось в следующих вариантах: 1 - экспериментальные данные; 2 - по зависимости, полученной из решения о взаимодействии штампа с упругим полупространством по теории упругости, по логарифмической функции (нелинейное распределение коэффициента постели); 3 - из расчета средней экспериментальной осадки и среднего давления под мембранным фундаментом (//jt^=const). При среднем давлении рср = 201 кПа и средней осадке и-=16,7 мм (вычисленной по результатам полевого эксперимента);

4 — из расчета средней осадки фундамента шириной 6=1,8 м при среднем давлении рср = 201 к Па по методу

послойного суммирования при среднем модуле деформации грунта, определенной по СП (£(x)=const).

Ближе к экспериментальным значениям оказался характер кривой осадки по к(х), полученной из решения о взаимодействии штампа с упругим полупространством по логарифмической функции (2) (рис. 17). Это подтверждает известное решение о седловидности эпюры под относительно небольшими штампами различной жесткости при давлениях, не превышающих расчетное сопротивление грунта R.

X, м

Рисунок 17. Экспериментальные и теоретические осадки мембранного фундамента

По абсолютным значениям осадки ленточного фундамента и центра мембраны при всех выбранных вариантах распределения к(х) близки между собой, однако существенно отличаются в приопорной зоне, что свидетельствует о значимости адекватного назначения среднего коэффициента постели и меньшей значимости функции его распределения. Разница между теоретическими и экспериментальными значениями осадок в центре не превышает 4%. Разница между теоретическими и экспериментальными значениями осадок ленточной части находится в пределах 6%.

Больший разброс теоретических и экспериментальных значений осадок в зоне сопряжения мембраны с ленточным фундаментом (около 30%) связан с влиянием резкого перехода в значениях жесткости продольного ленточного фундамента и мембраны, а также значительным боковым давлением продольного ленточного фундамента на грунт в силу появления горизонтальных усилий распора.

Выполненный теоретический расчет в программе Plaxis 8.2 дает схожее очертание изолиний напряжений и деформаций, полученных в ходе эксперимента. Расчетные изолинии, также как и теоретические, стягиваются к центру площади нагружения. Теоретические контактные давления под мембраной, как и экспериментальные, распределяются неравномерно, однако под ленточной частью расчетные значения контактных давлений превышают экспериментальные на 23%.

Проведенные исследования позволили разработать рекомендации по применению, проектированию и расчету мембранных фундаментов. Данные фундаменты рациональны в качестве альтернативы плитным и ленточным фундаментам для каркасных и бескаркасных зданий средней этажности, с относительно регулярной сеткой колонн или несущих стен при среднем давлении на основание до 150 кПа, и в случаях разнонагруженности участков здания; при грунтовых условиях со значительной толщей слабых пылевато-глинистых грунтов с малым значением расчетного сопротивления R « 150 кПа , малым модулем деформации Е м 1МПа; при малой мощности плотных фунтов ниже уровня устройства фундаментов, подстилаемых слабыми пылевато-глинистыми грунтами с малым значением расчетного сопротивления Д < 150кПа , малым модулем деформации Е<7МПа. Основными параметрами являются осевая жесткость мембраны, стрела подъема мембраны и коэффициент трения между мембраной и основанием

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан мембранный фундамент, представляющий собой сплошную несущую мембрану, уложенную на основание с криволинейной поверхностью, и железобетонный опорный контур в виде продольных и поперечных ленточных фундаментов. Силовая мембрана, выполненная из высокопрочного материала, укладывается поверх криволинейного основания и фиксируется продольными ленточными фундаментами. При осадках ленточных фундаментов мембрана за счет

осевой жесткости натягивается и вовлекает в работу грунтовое основание в пролете между ленточными фундаментами.

2. Обоснована область рационального применения мембранных фундаментов для зданий малой и средней этажности на сильносжимаемых основаниях большой мощности, а также залегания относительно прочных грунтов малой мощности подстилаемых слабыми грунтами.

3. Выявлено, что при концентрации агрессивных сред, характерных для юга Тюменской области, расчетную прочность углеродного волокна рекомендуется принимать равной 75% от первоначальной, а расчетную прочность геосетки на основе стекловолокна - 50% от первоначальной.

4. Разработан и численно реализован метод расчета мембранных фундаментов на грунтовом основании, моделируемом коэффициентом постели, основанный на решении дифференциального уравнения, учитывающего лапласово давление нити на криволинейную поверхность. Численная реализация выполняется в оригинальном программном продукте, созданном в среде Delphi на языке Паскаль.

5. На основании численного решения предложенного дифференциального уравнения выявлены закономерности взаимодействия грунтового основания с мембранным фундаментом. Так, изменением осевой жесткости мембраны Км-Ам, стрелы подъема мембраны/и коэффициента трения X можно уменьшить абсолютные осадки до 60% и более, что позволяет говорить о создании фундаментов с управляемыми свойствами регулирования осадок и их неравномерностью.

6. Разработан метод расчета ленточного фундамента "некомпенсированного" пролета многоволновых мембранных фундаментов на возможное кручение и изгиб в горизонтальной плоскости на основе решения дифференциального уравнения, учитывающего изгибную жесткость участка продольного ленточного фундамента, находящегося между поперечными ленточными фундаментами; усилие натяжения мембраны и силы трения по контактной поверхности.

7. В результате проведенных комплексных экспериментальных исследований взаимодействия мембранных фундаментов с фунтами естественного сложения установлено, что с ростом нафузки контактные давления под центром мембраны увеличиваются, что приводит к снижению роста давления под лентами по отношению к среднему давлению. Вовлекаемый в работу фунт под мембраной на 58% снижает осадки ленточной части мембранного фундамента по отношению к ленточному фундаменту без мембраны. Установлено, что на суглинках полутвердой и тугопластичной консистенции, нафузка, передаваемая через мембрану, составляет 48% от общей нагрузки. При среднем давлении под мембранным фундаментом, равном R, Нс составила 1,46=2,4 м, что в 2,4 раза меньше глубины сжимаемой толщи, рассчитанной по СП (Яс, СП=5,76 м).

8. Достоверность разработанного метода расчета мембранных фундаментов, реализованного в оригинальной программе в среде Delphi, подтверждена

сопоставлением с результатами экспериментальных данных и численным расчетом в ПК Plaxis 8.2. Установлено, что с использованием переменного коэффициента постели, оригинальная программа позволяет с достаточно высокой точностью, до 10%, прогнозировать его взаимодействие с глинистым грунтом основания под нагрузкой. Результаты численного моделирования, полученные в Plaxis с использованием расчетного модуля деформации грунта, оказываются завышенными по сравнению с фактическими осадками мембранного фундамента более чем на 20%.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Чикишев, В.М. Экспериментальные исследования влияния поверхности нагружения на деформации глинистого основания / В.М. Чикишев, Я.А. Пронозин, Р.В. Мельников, Л.Р. Епифанцева // Вестник ТГАСУ - Томск, 2010г. - №2. С.200-204.

2. Епифанцева, Л.Р. Экспериментальные исследования взаимодействия мембранного фундамента с глинистым основанием / Л.Р. Епифанцева // Вестник СпбГАСУ - Санкт-Петербург, 2013г. - №3(36). С.65-68.

В других изданиях:

3. Пронозин, Я.А. Влияние конструктивной формы мембранных фундаментов на его взаимодействивие с грунтовым основанием / Я.А. Пронозин, Л.Р. Епифанцева // Сборник трудов всероссийского научно-технического семинара: Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции. - Новосибирск, 2011г. С. 142-147.

4. Пронозин, Я.А. Экспериментальные исследования взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием / Я.А. Пронозин, Л.Р. Епифанцева // Всероссийская научно-практическая конференция Молодых ученых и специалистов, посвященная ХХ-летию создания ООО НПО «Фундаментстройаркос»: Стратегия инновационного развития, строительства и Освоения районов Крайнего севера.-Тюмень, 2011г. С.131-134.

5. Пронозин, Я.А. Применение мембранных фундаментов в условиях криолитозоны / Я.А. Пронозин, Я.А., Л.Р. Епифанцева, О.С.Порошин // Международная конференция: Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства. — Пермь, 2011 г. С. 326-332.

6. Пронозин, Я.А. Расчетное моделирование взаимодействия мембранного фундамента на грунтовом основании / Я.А. Пронозин, Л.Р. Епифанцева // Всероссийская научно-практическая конференция: Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении. - Новочеркасск, 2012г. С.256-263.

7. Pronozin, Ya.A. Experimental and theoretical researches on interaction between the membrane foundation and ground bed / Ya.A. Pronozin, A.D. Gerber, L.R. Epifantseva, O.S. Poroshin, // 5th European Geosynthetics Congress. Volume 3. Erosion control and coastal works & Building construction. - Valencia (Spain), 2012 P.95-97.

8. Pronozin, Ya.A Application of membrane foundation on soft soil / Ya.A. Pronozin, A.D. Gerber, O.S. Poroshin, L.R. Epifantseva // 5th European Geosynthetics Congress. Volume 3. Erosion control and coastal works & Building construction. - Valencia (Spain), 2012. P.92-94.

9. Пронозин, Я.А. Экспериментальные исследования взаимодействия мембранного фундамента с глинистым основанием / Я.А. Пронозин, JI.P. Епифанцева // Сб. тр. Науч.-техн. конф.: Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции. - Санкт-Петербург: 2013г. С.42-47.

Патенты

Положительное решение о выдаче патента на изобретение. Заявка №2012107033/03(010704) от 27.02.2012 / Фундамент / Пронозин Я.А., Порошин О.С., Епифанцева JI.P, Наумкина Ю.В., Степанов М.А.

Изд. лицензия № 02884 от 26.09.2000. Подписано в печать 23.04.2013. Формат 60x90/ 16. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,44. Тираж 130 экз. Заказ № 782.

РИО ТюмГАСУ, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2

ФГБОУ ВПО

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

04201360292

На правах рукописи

ЕПИФАНЦЕВА Лариса Рафаиловна

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕМБРАННЫХ ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ ЭТАЖНОСТИ С ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

05.23.02-0снования и фундаменты, подземные сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент

Пронозин Яков Александрович

Тюмень 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................5

1. ЭФФЕКТИВНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ФИБРЫ (КМФ). ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................14

1.1 Практика использорания фундаментов мелкого заложения в Тюменской области.............................................................................................14

1.2 Классификация фундаментов мелкого заложения...................................15

1.3 Теоретические исследования работы оснований и способы совершенствования расчета оснований фундаментов в практике проектирования..........................25

1.4 Обзор экспериментальных исследований работы грунтовых оснований......28

1.5 Композиционные материалы (КМФ). Классификация, свойства..................32

1.6 Взаимодействия фундаментов мелкого заложения с сильносжимаемыми грунтовыми основаниями......................................................................37

1.7 Мембранные фундаменты мелкого заложения.......................................43

1.8 Выводы и задачи исследований..........................................................47

2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЮГА ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ. АГРЕССИВНОСТЬ ГРУНТОВЫХ ВОД. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КМФ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ МЕМБРАН........49

2.1 Инженерно-геологические особенности юга Тюменской области...............49

2.1.1 Геологические условия юга Тюменской области...................................49

2.1.2 Гидрогеологические условия юга Тюменской области...........................51

2.2 Исследование долговечности КМФ в качестве мембран в строительстве.......55

2.2.1 Постановка задачи. Программа эксперимента......................................57

2.2.2 Изучение динамики развития деформаций во времени и характера разрушения КМФ в первоначальном состоянии..........................................61

2.2.3 Исследование влияния искусственной агрессивной грунтовой среды на прочностные характеристики КМФ.........................................................65

2.3 Выводы по главе 2 .........................................................................78

3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА МЕМБРАННЫХ ФУНДАМЕНТОВ..........................80

3.1 Общие положения...........................................................................81

3.2 Расчетные модели мембранных фундаментов. Дифференциальное уравнение деформирования мембраны...................................................................82

3.3 Методика решения дифференциального уравнения взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием....................................92

3.3.1 Способ определения неизвестной силы N дифференциального уравнения взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием...............92

3.3.2 Законы распределения коэффициента постели к(х) под мембраной...........93

3.4 Численная реализация метода и автоматизированный способ расчета взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием...............96

3.5 Влияние распределения коэффициента постели на взаимодействие мембранного фундамента с грунтовым основанием..................................105

3.6 Влияние осевой жесткости мембраны на взаимодействие мембранного фундамента с грунтовым основанием.....................................................108

3.7 Влияние стрелы подъема и характера начальной кривизны на взаимодействие мембранного фундамента с грунтовым основанием...................................112

3.8 Влияние коэффициента трения на взаимодействие мембранного фундамента с грунтовым основанием........................................................................117

3.9 Понятие «некомпенсированного» пролета..........................................121

3.10 Выводы по главе 3........................................................................128

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕМБРАННОГО ФУНДАМЕНТА С ГРУНТОВЫМ

ОСНОВАНИЕМ................................................................................130

4.1 Экспериментальные исследования взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием........................................................................130

4.1.1 Задачи экспериментов. Экспериментальная площадка..........................130

4.1.2 Крупномасштабные модели мембранного фундамента. Приборы и оборудование....................................................................................133

4.1.3 Программа и порядок проведения экспериментов................................142

4.2 Результаты экспериментальных исследований......................................146

4.2.1 Контактные давления под мембранным фундаментом........................146

4.2.2 Осадки и деформации мембранного фундамента..............................150

4.2.3 Напряженно-деформированное состояние грунтового основания мембранного фундамента....................................................................155

4.3 Сопоставление экспериментальных и теоретических данных..................160

4.3.1 Оценка использования различных коэффициентов постели..................160

4.3.2 Результаты численного моделирования с использованием упруго пластической модели в программе Plaxis.......................................165

4.3.3 Анализ применимости предложенной методики расчета и программы Plaxis для прогноза осадок и деформаций мембранного фундамента на грунтовом основании........................................................................................168

4.3.4 Анализ применимости предложенной методики расчета и программы Plaxis для прогноза НДС грунтового основания, нагруженного мембранным

фундаментом....................................................................................171

Выводы по главе 4..............................................................................174

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................................................................176

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................178

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................197

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность задачи

Важнейшим показателем прогресса строительства является повышение производительности труда, а следовательно, ускорение ввода в эксплуатацию зданий и сооружений.

Темпы развития жилищного строительства по югу Тюменской области постоянно растут. Доля ввода малоэтажного жилья в 2011 году составила 41,1%, что на 2,4% выше аналогичного показателя в 2010 году.

В настоящее время основной фактор для повышения эффективности в работе строительных компаний - это сокращение себестоимости строительства и уменьшение сроков возведения зданий. В осуществлении этой задачи значительная роль отводится строительству фундаментов, так как стоимость фундамента составляет до 15-25% стоимости всего строительства, а затраты труда и времени соответственно до 40 и 25%. Для снижения материалоёмкости подземной части зданий в условиях слабых сильносжимаемых грунтовых оснований возникает необходимость проведения исследований по разработке и внедрению в серийное производство более экономичных фундаментов.

Поэтому разработка и внедрение прогрессивных конструкций фундаментов мелкого заложения являются актуальными и требуют проведения экспериментальных и теоретических исследований.

В связи с этим актуальной задачей является повышение эффективности фундаментостроения, т.е. снижение материальных и трудовых затрат, повышение надежности, уменьшение сроков строительства, снижение ущерба для окружающей среды. Эффективным путем для решения этой задачи является применение новых конструктивных форм и прогрессивных материалов.

Рациональными вариантами повышения эффективности строительства фундаментов для зданий малой и средней этажности следует считать системы, обладающие традиционными элементами технологии устройства и вовлечения в работу максимального объема грунтового основания. Для зданий малоэтажного

строительства с частым расположением несущих поперечных стен это может достигаться применением мембранных фундаментов, представляющих собой сочетание продольных и поперечных ленточных фундаментов, на которые опирается здание, объединенных мембранами. Роль мембраны - управление вовлечением в работу всего массива грунта под зданием.

В мембранных фундаментах используются криволинейные поверхности, характерные для пространственных конструкций, выпуклостью вверх в направлении действия реактивного отпора грунта; силовая сплошная гибкая мембрана из высокопрочных композиционных материалов на основе фибры (КМФ) и опорный контур в виде системы перекрестных балок ленточного фундамента.

Их большая эффективность обусловлена следующими факторами:

по отношению к ленточным фундаментам:

- устройство мембраны в составе фундаментов приводит к увеличению несущей способности основания за счет вовлечения в работу грунта, находящегося между ленточными фундаментами;

- мембранные фундаменты работают на меньших осадках, обладают свойством перераспределения внутренних усилий в ленточных фундаментах, приспосабливаемости к внешним нагрузкам и повышенным уровнем надежности;

- за счет мембраны снижаются контактные давления под ленточными фундаментами;

- давление мембраны на грунт в пролетной части создает дополнительный пригруз, увеличивающий расчетное сопротивление основания ленточных фундаментов.

По отношению к традиционным видам плитных фундаментов:

- уменьшается глубина сжимаемой толщи;

- значительно снижается ресурсоемкость и стоимость;

создается возможность активного управления осадками и их неравномерностью под определенными силовыми полями нагружения.

По результатам работы получено положительное решение о выдаче патента на изобретение. Проведены экспериментальные исследования долговечности КМФ в грунтовой среде и взаимодействия крупномасштабных моделей мембранных фундаментов с глинистым основанием, а также разработаны рекомендации по их расчёту и конструированию, внедренные в практику проектирования.

Таким образом, изучение взаимодействием мембранных фундаментов на основе использования современных композиционных материалов с грунтовым основанием является актуальной задачей.

Объект исследования: грунтовые основания, сложенные преимущественно пылевато-глинистыми грунтами, нагруженные фундаментами мелкого заложения, состоящими из ленточных фундаментов, объединенных несущими мембранами.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние грунтового основания и мембранных фундаментов в процессе их силового взаимодействия.

Цель диссертационной работы: выявление закономерностей взаимодействия грунтовых оснований, сложенных преимущественно пылевато-глинистыми грунтами, с мембранными фундаментами на основе результатов экспериментально-теоретических исследований и разработка методики их расчета.

Цель исследования предполагает необходимость решения следующих задач:

- разработать новый вид фундаментов мелкого заложения, эффективно вовлекающих в работу грунтовый массив под сооружением и снижающих его осадку при строительстве на пылевато-глинистых грунтах;

- выявить область рационального применения фундаментов мелкого заложения, состоящих из ленточных фундаментов, объединенных мембранами;

- исследовать долговечность КМФ в качестве несущих мембран;

- разработать и численно реализовать метод расчета мембранного фундамента на грунтовом основании, моделируемом гипотезой Винклера;

- выявить влияние жесткостных, геометрических, конструктивных параметров мембранного фундамента на осадки его элементов и работу системы «грунтовое основание - мембранный фундамент» на основе теоретических исследований;

- определить особенности напряженно-деформированного состояния естественного грунтового основания нагруженного мембранными фундаментами экспериментальным путем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан мембранный фундамент, обеспечивающий по отношению к ленточным фундаментам снижение средней осадки и неравномерности осадок и более полное использование несущей способности основания;

- исследованы изменения прочностных характеристик КМФ от воздействия химических компонентов, характерных для грунтов юга Тюменской области; доказана возможность использования КМФ в качестве несущих мембран в исследуемых фундаментах, контактирующих с грунтовым основанием;

- разработан и численно реализован метод расчета мембранного фундамента на грунтовом основании, моделируемом коэффициентом постели, основанный на лапласовом давлении нити на криволинейную поверхность;

- выявлены особенности и закономерности взаимодействия грунтового основания с мембранным фундаментом в зависимости от его жесткостных, геометрических и конструктивных параметров;

- экспериментальным путем подтверждена эффективность мембраны в составе ленточных фундаментов.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в экономической эффективности возведения фундаментов мелкого заложения, зданий средней этажности на грунтовом основании. Разработанный метод расчета мембранных фундаментов на глинистых грунтах обеспечивает надежность проектных решений. Результаты исследований реализованы:

- в проекте строительства трех 3-х этажных жилых домов в г. Новый Уренгой в квартале улиц Крайняя-Тундровая-Сибирская и в г. Тюмени в районе улиц А.Сахарова - Просторная - Лебяжья;

- в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете (ТюмГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности 270102 -«Промышленное и гражданское строительство»;

- в региональном конкурсе студенческих научных работ (г. Тюмень, 2012г.).

Методология и методы исследований

Методы исследования:

- экспериментальные лабораторные исследования влияния химических компонентов, содержащихся в грунтовой среде, характерных для юга Тюменской области, на КМФ;

- теоретические исследования взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием на основе предложенного метода расчета, выявление закономерностей влияния параметров мембранного фундамента на его взаимодействие с грунтовым основанием;

- экспериментальные полевые исследования на крупномасштабных моделях мембранного фундамента для подтверждения применимости разработанного метода расчета и эффективности мембранных фундаментов;

- анализ данных экспериментальных полевых наблюдений за осадками мембранного фундамента и НДС грунтового основания;

сравнение полученных результатов с результатами численного моделирования.

Степень достоверности и апробации результатов

Достоверность результатов обеспечивается:

- выполнением экспериментальных исследований с помощью современных апробированных контрольно-измерительных цифровых комплексов, тарированных первичных преобразователей и поверенных приборов;

- применением классической модели механики грунтов, сопоставлением результатов с известными теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов;

- сопоставлением результатов численных и аналитических решений с данными натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири" (г. Тюмень 2010, 2011, 2012), на IX, X научной конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ (г. Тюмень 2010, 2011), на V Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (г. Волгоград 2010), на Всероссийской научно-практической конференции «Стратегия инновационного развития, строительства и Освоения районов Крайнего севера» (ООО НПО Фундаментстройаркос, г. Тюмень, 2011), на Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (г. Пермь, 2011), на Международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению (ООО НПО Фундаментстройаркос, г. Тюмень, 2011), на Всероссийской научно-практической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (ЮРГТУ НПИ г. Новочеркасск, 2012), на Всероссийской научно-практической конференции «Геотехника: Теория и практика» (СПб ГАСУ г. Санкт-Петербург, 2013). Основные результаты работы изложены в 16 научных статьях, 2 из которых в изданиях перечня ВАК.

Личный вклад автора состоит:

- в подготовке экспериментальной базы для проведения исследований;

- в проведении и получении результатов лабораторных и натурных экспериментальных исследований, их анализе и обобщении;

- в разработке метода расчета взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием.

Положения, выносимые на защиту:

- конструкция мембранного фундамента;

- область рационального применения мембранных фундаментов;

результаты лабораторных исследований влияния химических компонентов, содержащихся в грунтовой среде, на КМФ;

- метод расчета взаимодействия мембранного фундамента с грунтовым основанием;

- закономерности влияния параметров мембранного фундамента на его взаимодействие с грунтовым основанием;

- результ