автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Взаимодействие стержневых систем с грунтовым основанием

Введение.

Глава I.

Обзор предшествующих исследований.

1.1. Стержневые системы.

1.2. Взаимодействие стержневых систем с грунтовым основанием.

1.2.1. Взаимодействие конструкций с упруго деформирующимся грунтовым основанием.

1.2.2. Взаимодействие конструкций с упругопластиче-ски деформирующимся грунтовым основанием.

1.2.3. Экспериментальные исследования по взаимодействию конструкций с грунтовым основанием.

Глава II.

Постановка задачи исследования.

Глава III.

Построение решений для балки на винклеровом основании при частичной потере контакта.

Глава IV.

Исходные материалы для построения модели взаимодействия фундаментов с грунтовым основанием. IVЛ. Введение.

IV.2. Построение модели зависимости между вертикальным усилием, действующим на конструкцию и осадкой.

IV.3. Построение модели зависимости между горизонтальным усилием, действующим на конструкцию и горизонтальным смещением.

IV.4. Построение модели зависимости между изгибающим моментом, действующим на фундамент и креном.

Глава V.

Построение общей модели взаимодействия стержневых систем с упругопластическим грунтовым основанием.

V I. Алгоритм для статического расчета стержневых систем.

V.2. Программа вычислений с помощью ЭВМ. 127 V.3. Численные примеры.

В настоящее время в большинстве случаев проектирование надземных конструкций зданий и сооружений и фундаментов ведется, как правило, отдельно. Вначале производится расчет надземной части, определяются усилия, передаваемые на фундаменты, и далее проектируются фундаменты. Между тем реальное поведение частей здания является результатом взаимодействия надземных конструкций, фундамента и грунтового основания. Обеспечение прочности и устойчивости зданий и сооружений в значительной мере определяется учетом их взаимодействия с грунтовым основанием. Роль основания существенна как в случае относительно стабильных условий работы сооружения, гак и особенно в экстремальных ситуациях, таких как землетрясение, просадочные грунты, значительные знакопеременные и перемещающиеся нагрузки. Знакопеременные или перемещающиеся нагрузки на конструкции имеют место при монтаже, а также в таких объектах, как склады, зернохранилища, другие производственные сооружения.

Особые значение для оценки напряженно-деформированного состояния конструкций приобретает учет упругопластического характера поведения грунтового основания. Все штамповые испытания грунтовых оснований обнаруживают различие законов деформирования при нагрузке и разгрузке. Поэтому здания, конструкции которых подвержены переменным или перемещающимся нагрузкам, следует рассчитывать, принимая во внимание упругопластический характер деформирования основания. Это означает, что опирание несущих колонн на фундамент нельзя не только рассматривать как защемление, но и зависимость между усилием на фундамент и его смещением нельзя считать однозначной при увеличении (процесс нагрузки) и при уменьшении (процесс разгрузки) усилия, передаваемого колонной на фундамент.

На международной конференции по теме «Взаимодействие конструкции с грунтовым основанием в городском гражданском строительстве» (Дармштадт,

Германия, с 8 ого по 9 ой октябре, 1998) участники единодушно поддерживали следующую резолюцию, предложенную в письменной форме профессором, доктором (инж.) Ролфом Датзенбачом, и которая читается следующим образом [79]:

1. Взаимодействие конструкции с грунтовым основанием имеет значительное влияние на безопасность, ремонтные работы и стоимость монтажных работ конструкций, например, туннелей, глубоких котлованов и оснований.

2. Исследовательская работа о взаимодействии конструкций с грунтовым основанием - это необходимая часть исследований, относящихся к окружающей среде в городском гражданском строительстве.

3. Взаимодействие конструкций с грунтовым основанием должно быть принято во внимание на любой стадии проекта, строительства и текущего контроля.

4. Взаимодействие конструкций с грунтовым основанием должно быть центральным элементом в образовании инженеров - строителей, специализирующихся в области геомеханики и конструкций.

5. В сложных ситуациях со взаимодействием конструкций с грунтовым основанием мы не можем полагаться только на теоретические вычисления; для совершенствования теоретического анализа нужен текущий контроль над натурным объектом. Издержки для текущего контроля - это часть стоимости монтажных работ и обычно реально экономят много денег.

6. Взаимодействие конструкций с грунтовым основанием не только физическое явление, но ведет к плодотворному взаимодействию между инженерами -строителями, которые имеют компетенцию, с одной стороны, в геомеханике и, с другой стороны, в проектировании зданий и сооружений. Оба должны работать вместе как группа, только такое взаимодействие обеспечит успех.

В свете изложенного можно заключить, что существует необходимость в разработке методики учета взаимодействия конструкции с грунтовым основанием и совершенствование этой методики представляет собой весьма актуальную задачу и имеет как теоретический, так и практический интерес.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа предшествующих исследований сформулирована задача о взаимодействии стержневой системы с грунтовым основанием при различной истории нагружения.

2. С использованием экспериментальных результатов выявлены закономерности смещений и поворотов фундаментов на грунтовом основании в зависимости от истории нагружения фундаментов.

3. Экспериментальные зависимости между вертикальной силой и осадкой фундамента и между горизонтальной силой и горизонтальным смещением получены автором на основе собственных экспериментов в лаборатории кафедры СКС РУДН.

4. Экспериментальные зависимости между моментом, действующим на фундамент, и его креном получены в лаборатории кафедры СКС РУДН Аназтазом Хабияремие и использованы автором диссертации.

5. Разработана расчетная модель взаимодействия каркасного здания с упругопла-стическим грунтом основания.

6. Составлены алгоритмы и программы для ЭВМ, реализующие расчет взаимодействия каркасного здания с упругопластическим грунтом основания при произвольной истории нагружения.

7. Выполнены численные эксперименты по предложенной расчетной схеме. Установлено принципиальное отличие результатов расчета по упругопластической модели грунта от расчетов по традиционным методам.

8. Из исследований установлены следующие главные выводы: а) В процессе циклического нагружения происходит перераспределение внутренних усилий и изгибающих моментов на фундаменты и элементы каркаса, б) Многократное циклическое воздействие приводит к увеличению общего смещения и крена фундамента. в) По мере увеличения числа циклов остаточные смещения постепенно затухают. г) Изменение внутренних усилий и изгибающих моментов при одном и том же значении внешних сил с ростом числа циклов постепенно затухает.

9. Результаты выполненных исследований составляют основу для практических рекомендаций по проектированию каркасных зданий, подверженных переменным нагрузкам.

10. Отдельное исследование посвящено взаимодействию балки с винклеровым основанием для случая частной потери контакта между балкой и грунтом. Составлены для этого алгоритм и программа для ЭВМ. Установлена зависимость максимальной осадки и максимального контактного давления от места расположения внешнего сосредоточенного усилия, которая имеет важное значение при проектировании ленточных фундаментов с тем, чтобы обеспечить допустимое по прочности давление на грунт основания.

1. Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений. - М., Стройиздат, 1973.

2. Абелев М.Ю. Основы проектирования и строительства на просадочных макропористых грунтах. -М., Стройгодат, 1979.

3. Абелев М.Ю., Рязанов Н.С. Натурные исследования распределения напряжения в основании круглых жестких штампов на водонасыщенных глинистых грунтах. Сб. трудов «Строительство на слабых грунтах». Рига, 1970.

4. Абрамов Л.Т. Исследования распределения напряжений в грунтах от статической нагрузки. О.Ф. иМ.Г., 1968.

5. Алейников С.М., Иконин С.В. Контактная задача с управляющими параметрами для жесткого штампа на упругом слое переменной толщины. О.Ф. и М.Г., 1994, № 3, С. 2-5.

6. Амшеюс И.Ю., Аликонис А.А. Страгис В.И., Груодис Р.Ю. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния основания при циклической нагрузке. В кн. Современные проблемы нелинейной механики грунтов. Челябинск, 1985, С. 36-37.

7. Анастаз Хабияремие. Взаимодействие фундамента ветроагрегата с грунтом основания. М., 1995.

8. Багеров JI.A. Доброхотов С.Ю. Аналитические и численные методы решения уравнения балки. М., 1982.

9. Барвашов В.А. Комбинированные модели грунтового основания. О.Ф. и М.Г., 1976, № 1.

10. Барвашов В.А., Федоровский В.Г. Трехпараметрическая модель грунтового основания и свайного шля, учитывающая необратимые структурные деформации грунта. О.Ф. и М.Г., 1978, № 4, С. 17-20.

11. Бойко В.Н. Аноиа И.А. К вопросу о назначении коэффициента постели при расчете жестких аэродромных покрытий. О.Ф. и М.Г., 1993, № 4, С. 16-18.

12. Басаков С.В. расчет балок и плит на упругом основании с учетом разрыва сплошности и ползучести упругого основания. О.Ф. и М.Г., 1993, № 2, С. 5-7.

13. Власов В.З. Строительная механика тонкостенных пространственных систем. Госстойиздат, - М, 1949.

14. Вронский А.В., Ильиных В.А. Яковлев С.И. Влияние многократно повторенной на осадку и крен заглубленного фундамента. Труды НИИОСПа, выпуск 86,-М., 1986.

15. Вялов С.С. Осадка и контактные давления нелинейно-деформированного основания при полосовой нагрузке. О.Ф. и М.Г., 1977, № 6.

16. Герсеванов Н.М. Функциональные прерыватели в строительной механике и их применение к расчету ленточных фундаментов. Сб. ВНИИОС № 1,1933.

17. Гильман Я.Д., Ананьев В.П. Строительные свойства лессовых грунтов и проектирование оснований фундаментов. Ростов-на-Дону, 1971.

18. Гитин Д.И. Пространственная контактная задача для абсолютно жесткого штампа на водонасышенном основании. О.Ф. иМ.Г., 1994, № 1, С. 2-5.

19. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А. Расчет конструкций на упругом основании. -М., Стройиздат, 1973.

20. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. -М., Стройиздат, 1984, С. 678.

21. Дидух Б.И. Упругопластическое деформирование грунтов. М., УДН, 1987. -С. 135 - 153.

22. Дидух Б.И. Методические указания по выполнению статического расчета стержневых систем с помощью ЭВМ. М., УДН 1986. - С. 44.

23. Дидух Б.И. Механика грунтов. Учебное пособие. М., УДН, 1990.

24. Дидух Б.И. Упругопластическое деформирование грунтов. Монография, -М., УДН, 1987.

25. Дидух Б.И. Методические указания к выполнению расчетов по механике грунтов с помощью ЭВМ. -М., РУДН, 1990.

26. Дидух Б.И. Аналитическое решение задачи контактного взаимодействия балки с упругопластическим основанием. расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений. Сб. научных трудов. - М., изд. УДН, 1984, С. 67-76.

27. Дидух Б.И., Сметанкина С.В. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Механика грунтов, основания и фундаменты»,-М„ РУДН, 1992.

28. Егоров К.Е. Распределение напряжений и перемещений в основании конечной толщи. В книге «Механика грунтов», Госстройиздат, 1961, № 43.

29. Жемочкин Б.Н. Синицын А.П. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. Госстройиздат, 1962.

30. Зарецкий Ю.К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. М., Стройиздат, 1988, С. 349.

31. Зарецкий Ю.К. Лекции по современной механике грунтов. Ростов-на-Дону, изд. РГК, 1987, С. 453.

32. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. М., Высшая школа, 1991, С. 447.

33. Киселев В.А. Строительная механика. Москва, стройиздат, 1986. С. 408, 410,413,466.

34. Клейн Г.К. Учет неоднородности, разрывности деформацией и других механических свойств грунта при расчете сооружений на сплошном основании. Сб. научных трудов МИСИ, № 14,1965.

35. Коренев Б.Г. Вопросы расчета балок и плит на упругом основании. М., Госстройиздат, 1954.

36. Криворотов А.П. О распределении напряжений по подошве жесткого штампа при изменении эксцентриситета вертикальной нагрузки. Известия ВУЗов, «Строительство и архитектура», 1965, № 7, С. 33-38.

37. Криворотов А.П., Бабелло Д.С. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния песчаного основания жестких штампов. О.Ф. и М.Г. № 3, 1981, С. 24-27.

38. Криворотов А.П., Ерешева Т.А. Осадка и крен внецентренно нагруженного жесткого штампа, расположенного на линейно-деформируемой полуплоскости. Известия ВУЗов, «Строительство», 1991, № 4, С. 110-114.

39. Кругов В.И. Расчет фундаментов на просадочных грунтах. М., 1972.

40. Крылов А.Н. О расчете балок, лежащих на упругом основании. Изд. АН СССР, 1930.

41. Кузцецов В.И, Расчет сооружений на упругом полупространстве. М., Труды Мое. веч. машиностр. института, № 1, 1953.

42. Лезебник Г.Е., Смирнов А. А., Смаков В.И. и др. О методике измерения напряжений в грунтах под фундаментами. О.Ф. и М.Г., № 5,1966.

43. Ломизе Г.М., Кварцов Г.И. Опыт натурного исследования напряженно-деформированного состояния лессового основания в условиях асимметричной задачи. О.Ф. и М.Г., № 3, 1969.

44. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. -М„ Стройиздат, 1980, С. 137.

45. Неустроев Э.А. Об одном упрощении в расчете круглых плит на упругом основании. Строительная механика и расчет сооружений, 1980, № 6.

46. Неустроев Э.А. Об одном упрощении в расчете круглых плит на упругом основании. -О.Ф. иМ.Г., № 3,1982, С. 27-28.

47. Обозов В.И. Влияние неупругих деформаций грунта на усилия в перекрестных ленточных фундаментах. -О.Ф. и М.Г., № 5, 1982, С. 23-26.

48. Огранович А.Б. Численный метод расчета осадки и крена жесткого, заглубленного в упругое полупространство фундамента с прямоугольной подошвой. -Известия ВУЗов, «Строительство», 1992, № 1, С. 114-117.

49. Огранович А.Б. Осадка жесткого круглого фундамента, заглубленного в упругое полупространство фундамента с прямоугольной подошвой. -Известия ВУЗов, «Строительство», 1992, № 2, С. 11-12.

50. Орехов В.В. Расчет взаимодействия упругопластического основания с жесткими фундаментами в пространственной постановке. Сб. научных трудов, т. 1, «Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении». -М„ 1987, С. 142-143.

51. Пастернак П.Л. Расчет и проектирование плоских железобетонных фундаментов. -М., 1937.

52. Пастернак П.Л. основы нового метода расчета фундаментов на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели. -М., Госстройиздат, 1954.

53. Пастичниченко В.Г. Тугаенко Ю.Ф. Определение деформативных характеристик грунтов в полевых условиях. Инженерная геология, 1983, № 2, С. 84 -87.

54. Паталеев А.В., Боженков С.Я. и Бирюков А.А. Механика грунтов, основания и фундаменты. Часть 1,- М., трансжелдориздат, 1937, С. 167-168.

55. Поляков СБ., Черкашин А.В. Сейсмические здания и развитие теории сейсмостойкости (по материалом VI международной конференции по сейсмостойкому строительству).-М.: Стройиздат, 1984, С.-127-128.

56. Проктор Г.З. об изгибе балок, лежащих на сплошном упругом основании, без гипотезы Винклера Цимермана. - В книге В.И. Кузнецова «Вопросы статического расчета верхнего строения пути», ТЖД, изд., М., 1940.

57. Пузыревский Н.П. Основания и фундаменты. Литорг, 1923.

58. Ржаницин А.Р. Строительная механика. Москва, высшая школа, 1991, С. 76,109.

59. Саенков А.С., Елизаров С.А., Малышев М.В. Развитие областей предельного состояние грунта в основании квадратного штампа. О.Ф. и М.Г., № 2, 1990, С. 15-17.

60. Симвулиды И.А. Расчет инженерных конструкций на упругом основании. -М., «Высшая школа», 1987, С. 574.

61. СНиП 2.02.01 83. Основания зданий и сооружений.

62. СНиП 2.01.07-85. Нагрузка и воздействия.

63. Уваров Б.В. Расчет балок на упругом основании с учетом ползучести и возможности отрыва балки от грунта. О.Ф. и М.Г., № 4,1980, С. 24-26.

64. Уманский А.А. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. Книга 1. Издательство литературы по строительству. М., 1972, С. 223.

65. Феодоровский В.Г., Бозболев С.Г., Дунаева О.М. Методика расчета фундаментных плит на линейно-деформируемом во времени основании. «Нелинейная механика грунтов», Труды VI Рос. конф. с иностр. участием, Июнь, 1993, СПБ., Т. 1.

66. Филоленко Бородач М.И. Некоторые приближенные теории упругого основания. - Уч. зап. МГУ, вып. 46, М.,1970.

67. Флорин Б.А. Основы механики грунтов. Т. 1,2, М., Л., Стройиздат, 1959-1961.

68. Худяков А.В. Опыты с кольцевыми штампами. Расчет и проектирование оснований и фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях. Межвуз, сб. научных трудов, Воронеж, 1992, С. 86-93.

69. Цитович Н.А. Механика грунтов. М., Стройиздат, 1963, С. 137.

70. Цитович Н.А. Вопросы теории и практика строительства на слабых глинистых грунтах. Сб. «Строительство на слабых грунтах». Генеральные доклады, Таллинн, 1965.

71. Цитович Н.А. К вопросу о влиянии природной уплотненности глинистых грунтов на величину активной зоны сжатия. Доклады к Дунайско-европейской конференции по механике грунтов в дорожном строительстве. -М., изд. НИИОСПа, 1968.

72. Цитович Н.А., Берзанцев В.Г., Далматов Б.И., Абелев М.Ю. Основания и фундаменты. М., 1970.

73. Черкасов ИМ. Механические свойства грунтовых оснований. Автотранс-издат, 1958.

74. Amar S., Baguelin F., Conera Y., Frank R., Etude experimentale du tassement des fondations superficielles. 13th ICSMFE, New Delhi /5-10 January 1994 /, volume 2, P. 623-626.

75. Issmge news. International society for soil mechanics and geotechnical engineering. Vol. 26. № 1. March 1999. Page 3.

76. Ricardo Beradi, Enrico Cabella, Roberto Passalacqua. About the stress-state measurements m soil models. 13th ICSMFE, New Delhi / 5-10 January 1994 /, volume 2, P. 659-662.