Прогноз несущей способности основания составного плитного фундамента

Актуальность темы

диссертации. В настоящее время одним из важнейших направлений в фу ндаментостроении является разработка приемов, позволяющих без дополнительных материальных затрат повышать полезные нагрузки на основание сооружения. Одним из таковых является использование составных плитных (ленточных) фундаментов. О использовании эффекта увеличения несущей способности оснований при использовании составных или прерывистых фундаментов говорится в работах Е. А. Сорочана, В. Г. Федоровского, М. И. Фидарова и др. Тем не менее, до настоящего времени окончательного решения этого вопроса не найдено. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка метода определения величины расчетного сопротивления и предельно-допустимой нагрузки на основание составного плитного фундамента, в зависимости от его геометрических параметров и физико-механических свойств грунта основания.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Обоснована необходимость решения задачи о развитии областей пластических деформаций в основании системы близко расположенных фундаментов.

2. Разработана механико-математическая модель исследуемого объекта.

3. На основе результатов компьютерного моделирования процесса образования и развития областей пластических деформаций построены графические зависимости и получены соответствующие аналитические аппроксимации, устанавливающие корреляционные связи между физико-механическими свойствами грунта основания, геометрическими параметрами фундаментов и величиной равномерно распределенной нагрузки, эквивалентной расчетному сопротивлению Я основания.

4. Разработан алгоритм и инженерный метод расчета величины интенсивности равномерно распределенной нагрузки ц, эквивалентной величине расчетного сопротивления Я основания составного плитного фундамента.

5. Разработана компьютерная программа, в которой формализован предложенный метод расчетабазу данных программы составили результаты компьютерного моделированияграфические зависимости и коэффициенты их аналитических аппроксимаций.

6. Проведено сопоставление результатов компьютерного моделирования с результатами исследований, проведенных независимо от нас, другими авторами, показавшее удовлетворительную сходимость сопоставляемых результатов при численных значениях величины коэффициента бокового давления, отвечающих рассмотренным типам грунтов.

7. Выполнен многовариантный расчет составных фундаментов 16-ти этажного жилого дома расположенного по адресу ул. Ким, 14 в Мотовилихинском районе г. Перми. В результате этих расчетов предложен вариант фундамента, сооружение которого позволило получить экономический эффект в размере 6,5 млн. рублей.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлены:

1. Теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости (метода конечных элементов), пластичности, механики грунтов и инженерной геологии;

2. Удовлетворительной сходимостью результатов численного моделирования процесса разрушения основания системы близко расположенных фундаментов с результатами теоретических исследований других авторов.

3. Использованием при проведении расчетов верифицированных компьютерных программ, имеющих государственную регистрацию.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что.

1. Выявлены и изучены закономерности трансформации полей напряжения и процесса образования и развития областей пластических деформаций в основании составного плитного фундамента в зависимости от расстояния между частями фундамента, величины интенсивности внешнего воздействия, физико-механических свойств грунта основания, включая величину коэффициента бокового давления грунта.

2. Построены графические зависимости, устанавливающие связи между физико-механическими свойствами грунта основания, геометрическими параметрами фундаментов и величинами равномерно распределенных нагрузок, эквивалентных расчетному сопротивлению Я основания, а также их аналитические аппроксимации.

3. Предложены приемы, позволяющие ликвидировать неравномерность осадок частей составного фундамента, возникающих в связи с особенностями полей напряжений в основаниях таких фундаментов.

4. Разработан инженерный метод определения величины расчетного сопротивления Я основания, включающий удобные для использования формулы и графики. Массив численных значений величины расчетного сопротивления Я основания, при всех возможных сочетаниях численных значений переменных расчетных параметров, составил базу данных компьютерной программы, в которой формализован предложенный инженерный метод.

Полученные в процессе компьютерного моделирования графические зависимости, их аналитические аппроксимации и разработанная на их базе компьютерная программа могут быть использованы для:

— определения величин расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на основание системы двух близко расположенных плитных фундаментов;

— разработке мероприятий по увеличению, в случае необходимости, полезных нагрузок на основание без существенного увеличения площади фундаментов;

— восприятия достаточно больших полезных нагрузок плитными фундаментами в условиях плотной городской застройки;

— проведения мероприятий по ликвидации неравномерности осадок частей составного фундамента, возникающих в связи с особенностями полей напряжений в основаниях этих фундаментов;

— проведения учебного процесса (курсового и дипломного проектирования) на соответствующих кафедрах строительных вузов.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах: V Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2010 г.) — Международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.) — Всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, 2012 г.) — III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г.) — Всеукраинский научно-практический семинар с участием иностранных специалистов «Современные проблемы геотехники» (Украина, Полтава, 2012 г.) — на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.

Практическая значимость работы Диссертационная работа является часть научных исследований, проводимых на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2010;2013 г. г.

Используя разработанный инженерный метод рассчитаны и запроектированы фундаменты 16-этажного жилого дома в г. Перми.

Личный вклад автора заключается в:

1. Разработке механико-математической модели исследуемого объекта, расчетных схем МКЭ (размеры, вид, степень дискретизации) и определение адекватных граничных условий;

Проведение численного моделирования процесса образования и развития областей пластических деформаций в основании составного плитного фундамента, обработке и анализе полученных данных;

Разработке инженерного метода расчета величины интенсивности равномерно распределенных нагрузок эквивалентных расчетному сопротивлению Я основания составного плитного фундамента;

Непосредственном участии в разработке компьютерной программы, реализующей инженерный метод расчетаРазработке приемов по ликвидации неравномерностей осадок частей составного фундамента, возникающих в связи с особенностями полей напряжений в основаниях этих фундаментов;

Внедрении результатов диссертационной работы в строительную практику. На защиту выносятся:

Механико-математическая модель и расчетные схемы МКЭ. Вновь выявленные закономерности процесса развития областей пластических деформаций в основании системы двух близко расположенных плитных фундаментов. Инженерный метода определения величины расчетного сопротивления Я основания системы двух близко расположенных плитных фундаментов, включающий базу данных и разработанную на их основе компьютерную программу.

Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.

Результаты научных исследований внедрены:

— при расчетах, проектировании и строительстве фундаментов 16-этажного жилого дома в г. Перми.

— в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 научных статьях, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, присутствующих в Перечне ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы, из 115 наименований и 2 приложений. Общий объем работы — 163 страницы машинописного текста, в том числе 128 страниц основного текста, содержащего 89 иллюстраций и 4 таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Использование системы плитных фундаментов, взамен одиночного эквивалентной ширины, позволяет значительно повысить расчетное сопротивление Я основания, без сколько-нибудь существенного увеличения материальных и трудовых затрат при проведении работ нулевого цикла. Увеличение значения Я может составлять от 8% до 30%, в зависимости от физико-механических свойств грунтов основания и геометрических параметров фундамента.

2. Разработана компьютерная программа, базу данных которой составили экспериментальные кривые вида А2* = /(д) и численные значения коэффициентов их аналитических аппроксимаций. Данная программа позволяет определять величину расчетного сопротивления Я основания составного плитного фундамента для всех возможных сочетаний численных значений переменных расчетных параметров, рассмотренных в диссертационной работе.

3. Разработаны предложения по регулированию неравномерных осадок отдельных частей составного плитного фундамента, возникновение которых обусловлено различной интенсивностью процесса развития областей пластических деформаций под внутренними и внешними краями фундаментов, составляющих систему. Для обеспечения равномерности осадок следует определенным образом перераспределить нагрузки, передаваемые на составной фундамент, либо усилить определенные области в активной зоне фундамента, либо выполнить оба из этих действий. Как показали наши исследования, увеличение на 40% модуля деформации грунта основания под внешними краями фундаментов позволяет уменьшить величины осадок на 10−15% и более.

4. Сопоставление величин расчетного сопротивления основания составного плитного фундамента, полученных другими авторами, с соответствующими результатами вычислений, выполненных нами, показывает их удовлетворительную сходимость. Так, например, значения величины R, приведенные в работе В. Г. Федоровского, отличаются от соответствующих значений, полученных нами, на 0,8% при величине коэффициента бокового давления ^О=0,75, на 38% - при £о=0,55, и на 64%, если £о=0,35. Максимальное отличие величин R, полученных И. Я. Лучковским и A.B. Самородовым [] для невесомого основания при условии, что.

1,0, от аналогичных значений, полученных нами при условии, что уФО, составляет 26%.

5. Величина коэффициента бокового давления грунта оказывает существенное влияние на результаты вычислений значений R. Установлено, что практически любой из результатов, взятый для сравнения при проведении сопоставительных расчетов, может быть получен на основе используемой нами методики и анализа напряженного состояния грунтового массива при определенном значении В, 0.

6. Использование результатов исследований, приведенных в диссертационной работе, и верифицированной программы «Устойчивость. Напряжено-деформируемое состояние» [], позволило выполнить многовариантный расчет составных фундаментов под 16-ти этажный жилой дом, расположенный по адресу ул. Ким, 14 в Мотовилихинском районе г. Перми. В итоге запроектирован и исполнен составной плитный фундамент на частично усиленном основании, что позволило снизить материальные и трудовые затраты при проведении работ нулевого цикла на 52%- в денежном эквиваленте это составляет 6,5 млн. рублей. Учитывая выше сказанное, считаем возможным рекомендовать результаты настоящего диссертационного исследования для использования в строительной практике.