книги / Прогноз осадок сооружений с учётом совместной работы основания, фундамента и надземных конструкций

УДК 624.1 Б26

Научный редактор чл.-корр. РАН, заел, деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. А. А. Бартоломей

Рецензент действительный член Российской академии архитектуры и строительных наук, д-р техн. наук, проф. В. И. Соломин

Бартоломей Л.А.

Б26 Прогноз осадок сооружений с учетом совместной работы основания, фундамента и надземных конструкций /Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1999. 147 с.

ISBN 5-88151-210-3

Изложены теоретические основы метода, учитывающего совместную работу основания, фундаментов и надземных конструкций при прогнозе осадок сооружений. Кратко рассмотрены модели грунта, их достоинства и недостатки. Представлены результаты экспериментальных исследований по определению прочностных и деформационных параметров грунтов, методика определения начального напряженного состояния массива грунта. На примере расчетов сооружений показана роль начального напряженного состояния массива, предыстории его нагружения на поведение системы основание - сооружение. Рассмотрено влияние технологии возведения сооружения на формирование НДС основания. Представлено сравнение результатов численного прогноза НДС основания свайных фундаментов и натурных испытаний. На основе разработанного метода сделан долговременный прогноз устойчивости существующего старинного дома при строительстве рядом с ним нового здания. Представлены результаты двухлетних наблюдений за осадками существующего дома.

Для научных, инженерно-технических работников, аспирантов, студентов и научнотехнических, проектных, строительных организаций.

Bartolomey L.A. The subsidence forecast of buildings taking into account the joint work of bedding, foundation and overground constructions / Perm State Technic. University, 1999. 147 p.

Theoretical basis of the method which takes into account the joint work of bedding, foundation and overground constructions are presented to forecast the subsidence of buildings. The models of soil are given in brief their merits and shortcomings. Experimental research results to define strength and deformational parameters and the methods of stating initial stress states of the massif soil are presented. The role of the initial stress state of the massif, the pre-history of its loading on the behaviour of the foundation - construction system is shown by the example of the calculating of the buildings. The influence of the technology of the building erection on the formation of Stressed-Deformed State bedding is presented. The comparison of numerical results of SDS prediction of pile foundations and natural testing are given. On the basis of the developed method along-termed forecast of stability of the existing ancient house has been made when a new building is being built next to it. The two year observations results over the settlements of the existed building are presented.

This book is for the scientists, engineers, underand postgraduate students, scientific, projecting and engineering organizations.

Развитие строительной отрасли в наше время напрямую связано с

внедрением новых технологий возведения сооружений и освоением новых

методов прогноза напряженно-деформированного состояния основания.

Инженер должен уметь пользоваться компьютером, разрабатывать программные

комплексы при проектировании сооружений. Наибольший эффект' дает

реализация в программных комплексах численных методов прогнозирования

НДС оснований сооружений, в частности метода конечных элементов.

Исследования, проведенные учеными в области механики грунтов,

оснований и фундаментов,показывают, что при деформировании грунтов 90-95%

деформаций являются остаточными. Представлять грунтовую среду как

упругую значит идеализировать её. Доказано, что наиболее эффективно

проектировать сооружения по предельно допустимым осадкам, а не по несущей

способности. Это связано с тем, что чаще всего аварийные ситуации возникают

из-за неравномерных осадок в пределах сооружения. Проектирование

сооружений по предельно допустимым осадкам позволяет наиболее эффективно

использовать материалы, что немаловажно при их всё возрастающей стоимости.

Однако такой подход требует использования в расчетах математических моделей

грунта, учитывающих сложные зависимости между напряжениями и

деформациями.

Моделирование свойств грунтовой среды, их изменения в процессе

строительства сооружения сложная, но вполне разрешимая задача. От того,

в процессе строительства и эксплуатации, будет зависеть долговечность

сооружения.

До настоящего времени не разработан метод прогноза осадок сооружений

с учетом предыстории нагружения массива грунта, его нелинейного

деформирования во времени, а также совместной работы основания, фундамента

и надземных конструкций. Такой метод необходим на стадии проектирования

зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях (при

неоднородном напластовании грунтов, пересеченном рельефе местности), при

тесной городской застройке. Использование метода позволит снизить расход

железобетона при устройстве плитных фундаментов под тяжелые сооружения, с

учетом совместной работы системы основание сооружение; проектировать

свайные фундаменты по предельно допустимым осадкам, учитывая нелинейную

деформируемость грунтов во времени.

До сих пор при строительстве новых жилых и промышленных зданий,

находящихся рядом с уже существующими зданиями, возникают аварийные

ситуации. Не удаётся полностью учесть все этапы возведения нового объекта и

результаты этого влияния на находящиеся рядом здания. Так, выемка грунта из

котлована в условиях тесной городской застройки, последующее устройство

фундаментов нарушают сложившееся напряженное состояние окружающего

массива грунта. Это вызывает деформации основания и как следствие

неравномерные осадки расположенных рядом зданий, напряжения в конструктивных элементах, трещины, изгибы, перекосы.

В данной работе излагаются основы метода, позволяющего учесть

совместную работу основания, фундамента и надземных конструкций в процессе

возведения и эксплуатации сооружения с учетом предыстории нагружения

массива грунта и наращивания жесткости сооружения при строительстве. Метод

использован для прогнозирования напряженно-деформированного состояния

основания, фундаментов и надземных конструкций как строящихся, так и

существующих зданий и сооружений.

Б. Н. Жемочкина [22], И. А. Симвулиди [39] и др.

Расчетная модель, рассматривающая грунт как упругое полупространство,

предполагает, что деформации пропорциональны нагрузке на штамп, но в

отличие от модели Винклера они развиваются и за пределами действующей

нагрузки. Эти деформации после снятия нагрузки полностью восстанавливаются.

Но так как грунт не упругая среда, принято говорить о работе грунта не как об

упругой среде, а как о линейно-деформируемой среде. «Модуль упругости» по

этой причине заменяется понятием «модуль общей деформации», учитывающим

упругие и остаточные деформации.

Модель упругого полупространства по сравнению с моделью Винклера

позволила учесть распределительную способность основания. С помощью этой

модели были решены такие важные задачи, как распределение контактных

напряжений, распределение напряжений и деформаций в массиве, оценка

взаимовлияния фундаментов, расположенных на близком расстоянии друг от

друга.

Хотя модель упругого полупространства более полно отражает работу

основания, чем модель Винклера, но у неё тоже есть свой недостаток - сильное

преувеличение распределительной способности основания. П.Л. Пастернак [33]

предложил модель основания с двумя коэффициентами постели, свободную от

недостатков модели Винклера и модели упругого полупространства. В модели

чем по теории упругого полупространства.

В последнее время получила распространение модель линейно

деформируемого слоя ограниченной толщины. Развитие теории расчета

конструкций на слое ограниченной толщины принадлежит С. С. Давыдову [19],

К. Е. Егорову [21], О. Я. Шехтер [49] и др. В основе модели лежит

предположение о том, что с фундаментом взаимодействует определенная

толщина грунтового массива, ниже которой находится недеформируемая

область, жесткость которой может быть принята бесконечно большой. Основным

достоинством этой модели является то, что в условиях плоского и

пространственного загружения осадки поверхности грунта имеют конечные

значения и есть возможность полнее учесть деформационные параметры

основания.

При разработке модели линейно-деформируемого слоя конечной толщины

трудно бывает назначить глубину сжимаемого слоя Н в случае, если в пределах

сжимаемой зоны нет скального основания. При назначения нижней границы

сжимаемого слоя исходят из того, что вертикальные напряжения от сооружения

должны составлять 20% от величины «бытового» давления. Однако глубина и

форма активной зоны в массиве грунта, взаимодействующего с сооружением, не

являются постоянными и зависят от целого ряда факторов: от действующей

нагрузки, глубины заложения, размеров фундамента, свойств грунта, уровня

грунтовых вод.

В одних и тех же условиях глубина сжимаемого слоя оказывается

различной для фундаментов разных размеров или различной для фундаментов

одного и того же размера, но возведенных в различных инженерно­

геологических условиях.

Рассмотренные выше модели применяются в основном при

проектировании и расчете инженерных сооружений.

Существуют и другие модели это В. А. Барвашова [2] и В. Г.

Федоровского, В. 3. Власова [13], М. И. Горбунова-Посадова [17], С. А. Ривкина

[37], А. П. Синицына [40], М. М. Филоненко-Бородича, И. И. Черкасова и др.

Возведение тяжелых сооружений, передающих на основание

значительные силовые воздействия, строительство на слабых, сильно

сжимаемых грунтах, на территориях со сложным строением рельефа и

напластованием грунтов заставило перейти к более сложным моделям

оснований, учитывающим нелинейную зависимость между напряжениями и

деформированного состояния основания возможно при использовании

нелинейных соотношений между напряжениями и деформациями, характерных

для деформационной теории пластичности и теории пластического течения.

Деформационная теория пластичности устанавливает однозначную связь

конструкционных материалов. Основополагающими в этом направлении

являются теоретические разработки А. А. Ильюшина [25]. Однако его теория

применима только к простому нагружению, когда все внешние силы возрастают

пропорционально общему параметру.

В деформационной теории пластичности аппроксимация зависимостей

напряжений и деформаций осуществляется с помощью секущих модулей

объёмного К и сдвигового G деформирования.

Стабилометрические испытания грунтов, впервые выполненные А. И.

Боткиным [11], показали, что и формоизменение, и объёмная деформация грунта

зависят одновременно от величины всестороннего обжатия и девиатора

напряжений.. Это, в отличие от металлов, накладывает свой отпечаток на

описание деформируемости грунтов.

Применительно к грунтам деформационная теория пластичности получила

своё развитие в работах В. А. Иоселевича, Г. М. Ломизе, А. Л. Крыжановского

[27] и др.

При сложных траекториях на1ружения грунтового массива описать его

поведение с помощью деформационной теории пластичности очень трудно, в то

время как теория пластического течения позволяет учесть сложные траектории

нагружения (историю нагружения) грунтового массива. Эта теория использует

физические зависимости между напряжениями и деформациями в виде

дифференциальных зависимостей. Компоненты полной деформации de,у в

приращениях имеют вид: