Виконано обстеження будівель на пальових фундаментах в м. Запоріжжя, встановлено найбільш характерні пошкодження будівель на пальових фундаментах та встановлено причини їх виникнення. Розроблено методику комплексного дослідження деформованих будівель.
Аннотация к работе
Найбільш надійним типом фундаментів на просадних ґрунтах великої товщі, вважаються пальові фундаменти. Однак, за час експлуатації будинків на пальових фундаментах зясувалося, що в деяких випадках застосування таких фундаментів не дало бажаного результату. З урахуванням сучасних запитів практики будівництва і реконструкції розроблені методика і розрахункова модель для визначення напружено-деформованого стану (НДС) системи “будівля - палі - просадний грунт”, з урахуванням властивостей просадного ґрунту. виконати розробку й апробацію розрахункових моделей і схем для визначення напружено-деформованого стану будинків спільно з пальовим фундаментом. виконати розрахунки напружено-деформованого стану системи “будівля - палі - просадний грунт”. ОБЄКТ ДОСЛІДЖЕННЯ - напружено-деформований стан пальових фундаментів спільно з будівлею в умовах просадних ґрунтів великої товщі.
Список литературы
По темі дисертації опубліковано чотирнадцять друкованих праць, що відображують основні положення і результати виконаних досліджень.
У 11 спільних роботах здобувачем розроблена методика розрахунку по уточнених моделях системи “будинок - палі - просадна основа” з урахуванням впливу локального обводнювання ґрунту, наведені приклади практичного застосування уточнених моделей для розрахунку паль підсилення. У 3 самостійних роботах викладені результати спостережень за деформованими будинками на пальових фундаментах, а також застосування розробленої методики обстеження будинків на палях.
СТРУКТУРА Й ОБСЯГ ДИСЕРТАЦІЇ. В основу дисертаційної роботи покладені результати досліджень, проведених автором під керівництвом к.т.н. Банаха В.А. у період 1996-2000р.
Дисертаційна робота складається з вступу, пяти розділів, висновку, списку використаної літератури і додатків, і включає: 130стор. основного тексту, 64 малюнка, 6 таблиць, і додатків на 10 стор. Список використаної літератури містить у собі 134 найменування.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
При виконанні дисертаційної роботи використані і зроблені посилання на роботи: Бартоломія Л.А., Бахолдіна Б.В., Бойка І.П., Бугрова А.К., Винокурова Е.Ф., Вялова С.С., Гильмана Я.Д., Гольдштейна М.Н., Горбунова-Посадова М.І., Григорян А.О., Далматова Б.І., Дидуха Б.І., Зарецького Ю.К., Зоценка М.Л., Клепікова С.М., Крутова В.І., Ламідзе Г.П., Малишева М.В., Метелюка М.С., Мурзенко Ю.М., Мустафаева А.А., Николаївського В.Н., Соколовського В.В., Строганова А.С., Тер-Мартиросяна З.Г., Трегуба А.С., Улицького В.М., Ухова С.В., Фадєєва А.Б., Федорова І.В., Федоровського В.Г., Шапіро Д.М., Швеця В.Б., Hilmer K., Mohan D. та ін.
У ВТУПІ сформульовані актуальність, мета, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, показаний особистий внесок здобувача, апробація роботи, а також наведен короткий зміст дисертації.
У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ представлені результати аналітичного огляду робіт, присвячених роботі паль у просадних ґрунтах, визначенню напруженого стану системи “паля-ґрунт”. Розглянуто програмне забезпечення, що застосовується на практиці, для розрахунків взаємодії паль із ґрунтом. Розглянуто результати натурних іспитів паль, що виконувалися в різний час в умовах просадних ґрунтів, а також наявний досвід систематизації результатів іспитів за допомогою геоінформаційних систем.
Незважаючи на те, що питання взаємодії пальових фундаментів із просадним ґрунтом вивчається давно, безпосередньо досліджень взаємодії паль спільно з будинком і просадним ґрунтом не виконувалося. Тому був зроблений висновок про актуальність досліджень дійсної роботи паль спільно з будинком при взаємодії з просадним ґрунтом.
В ДРУГОМУ РОЗДІЛІ викладені методика і результати натурних спостережень за будинками, побудованими на пальових фундаментах. Виконано статистичну обробку результатів спостережень. Розглянуто випадки значних деформацій цивільних і промислових будинків від осідання підстави, сформульовані основні причини деформацій, що трапились.
Виконано обстеження більшості житлових і цивільних будинків у м.Запорожжя побудованих на пальових фундаментах. При організації спостережень за будинками, насамперед, ставилося питання: чи раціональне стратегія застосування пальових фундаментів, чи мають вони переваги перед іншими способами боротьби з просадкою. Для цього порівнювалися показники надійності експлуатації будинків на пальових фундаментах і аналогічних будинках на інших типах фундаментів.
У табличній формі була представлена інформація про житлові і цивільні будинки м.Запорожжя, що включає в себе дані про рік будівництва будинку (здачі в експлуатацію); матеріал стін; поверховость; тип, переріз і глибину пальового фундаменту; характер ґрунтових умов і товщину просадної товщі, а також указуються характерні ушкодження і величина осідання навколишнього ґрунту відносно цоколя будинку.
Розрахунок показників надійності будинків, зведених на пальових фундаментах у просадних ґрунтах виконувався відповідно до наступної методики. За “отказ” будинку приймався випадок аварійного стану будинку, що відбувся через просадні деформації основи. Вибірку складали житлові і суспільні будинки на пальових фундаментах м.Запорожжя, розподілені на групи по тривалості терміну експлуатації (рис.1). Проведені обстеження будинків дозволяють виявити кількість випадків отказів.
Розрахунок статистичних величин виконувався в табличній формі (табл.1). У стовпці таблиці містилися дані за результатами обстеження будинків. Ці дані містять у собі: середній час експлуатації цих будинків Ті, кількість деформованих будинків mi, (число відмовлень), кількість обстежених будинків Мі, число безвідмовне працюючих будинків (Мі-mi), статистична імовірність деформування будинків, обумовлена по формулі:
статистична імовірність безвідмовної служби будинків: Pi(T)=1 - Fi(T), надійність будинків обчислювалася в %.
Таблиця 1
Обчислення імовірності безотказної роботи
TIMMSMMSF(T)P(T)
9,9572720001
13,6777149330,020130,9798
18,8945194360,030920,9690
23,4224218170,032110,9678
29,215233290,038620,96137
Надійність будинків на пальових фундаментах порівнювалася з обчисленою надійністю будинків, у яких застосовані інші конструктивні противопросадні заходи. При цьому відзначається, що значення надійності будинків на пальових фундаментах значно вище.
Проаналізовано випадки деформування будинків, прийнятих за “відмовлення”. У більшості випадків у таких будинках відзначаються недоліки в проекті. До таких недоліків можна віднести зєднання вставками будинків на різних типах фундаментів, виконання одноповерхових прибудов з фундаментами неглибокого закладення до будинків на пальових фундаментах.
У будинках на палях більш ймовірні зсуви вимощення і навколишнього ґрунту щодо фундаментів. Зсув вимощення щодо будинку вказує на осідання навколишнього ґрунту, що випереджає по величині осідання будинку. Величина зсуву вимощення і навколишнього ґрунту залежить від ступеня зволоження просадного ґрунту, від потужності просадної товщі і величини відносної просадності.
Різниця зсувів між цоколем і вимощенням визначає наскільки перемістився навколишній ґрунт щодо будинку. Оцінено імовірність прояву зсуву вимощення щодо будинку (рис.2).
За результатами обстеження, деформації будинків виділено кілька основних груп деформацій: 1.Нерівномірні вертикальні деформації пальових фундаментів будинків.
2.Горизонтальні зсуви окремих пальових фундаментів.
3.Деформації будинків, що мають пальові й інші типи фундаментів при відсутності деформаційного шва між ними.
4.Деформації будинків через різне осідання каркаса, що спирається на палі, і чи перегородок стін, що спираються на фундаменти неглибокого закладення.
Істотні деформації, що привели до аварійного стану житлових і цивільних будинків у м.Запорожжя спостерігалися в 12 випадках. Щоб зясувати причину, що привела до аварійного стану, докладно досліджувався кожен випадок деформування.
Найбільше поширення пальові фундаменти одержали в промисловому будівництві, де переважають будинки з залізобетонним каркасом, переважно одноповерхові. Тому вважається актуальним пророблений аналіз роботи одноповерхових каркасних будинків в умовах основи, що просідає, для подальшого удосконалювання способів їхнього захисту від просадних деформацій.
Були оброблені дані по деформаціях 30 промислових будинків загальною площею 220 тис м2, що знаходилися в експлуатації від 13 до 40 років.
Основними причинами нерівномірних деформацій можна вважати недостатній водозахист. Установлено також, що при плануванні підсипанням потужністю 3-6 м, істотно збільшується імовірність осідань у цій зоні.
Пальові фундаменти майже у всіх промислових будинках, що спостерігалися, мали істотні нерівномірні осідання. Значення цих вертикальних переміщень, в основному, менше осідань фундаментів будинків, що будуються без паль, але і вони викликають ушкодження основних несучих конструкцій: плит покриття, колон, ферм і т.п. Досліджувалися кілька характерних прикладів деформацій промислових будинків на пальових фундаментах.
Виконувалася статистична обробка результатів геодезичних спостережень за осіданнями фундаментів деформованих будинків. Нерівномірні деформації основ будинків оцінювалися за даними нівелювання в процесі експлуатації. При цьому виявлявся характер деформування ґрунту, зясовувалися його причини, визначалася нерівномірність деформацій.
Прийнятий у цей час метод проектування одноповерхових промислових будинків на пальових фундаментах не досить надійний. Наробіток на відмовлення складає 0,1-0,2 від нормативного терміну експлуатації. Нерівномірні осідання колон, по замірюваним даним складають 0,004-0,006 з обумовленістю 0,95. Це перевищує граничні деформації для типового залізобетонного каркаса.
Таким чином, удосконалювання захисту будинків на просадних ґрунтах повинне вестися не в напрямку збільшення кількості паль, а шляхом удосконалювання водозахисних заходів і конструктивних рішень.
У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ розглянута математична модель, за допомогою якої виконується аналіз напружено-деформованого стану системи “будинок - палі - просадний ґрунт”. Виконано перевірку адекватності розрахункової моделі шляхом порівняння результатів розрахунку з результатами, отриманими за методикою, викладеної в Будівельних нормах і правилах (БНІП), а також з результатами виміру деформацій.
Просадний ґрунт математично моделювався двома способами, як матеріал із пружними властивостями і як пружний-пластичний матеріал.
При рішенні пружної задачі ґрунт моделювався як континуальна система, що не має тріщин і розривів. Основними змінюваними характеристиками ґрунту при обводнюванні вважався модуль деформації і власна вага. На основі визначення обрисів обводненої зони моделюється область ґрунту зі зміненими значеннями твердості й обємної ваги в залежності від вологості.
При розрахунку задач у нелінійній постановці перевіряється умова Друкера-Прагера для ґрунту. Просадний ґрунт, у даному випадку, представляється як пружний-пластичний матеріал, що характеризується необоротними деформаціями у випадку досягнення напругами величини границі текучості. Пластичні деформації настають миттєво і не залежать від часу. При розрахунку задається графік зміни навантаження з часом. На першому кроці розрахунку до системи прикладається цілком власна вага, на наступних кроках прикладається вроздріб додаткове навантаження від конструкцій, що знаходяться вище.
При моделюванні ґрунту передбачається, що поверхня плинності не збільшується з часом, і деформації відбуваються без зміцнення. Тому ґрунт представляється як “ідеально пластичний” матеріал.
При розрахунку системи по методу кінцевих елементів використовувався наступний алгоритм: 1.Визначаються границі текучості матеріалів для поточного кроку (для визначеної частини навантаження).
(1)
1.Напруги обчислюються по розрахункових деформаціях {e tr}, що рівні різниці загальних деформацій і пластичних на попередньому кроці.
(2) де n - номер поточного кроку.
Розрахункові напруги обчислюються як: (3) де [D] - матриця переміщень.
1.Еквівалентні напруги s e визначаються при поточних величинах напруг як: (4) де {s } - вектор напруг.
Еквівалентні напруги в ґрунті по формулі Друкера-Прагера: (5) де головна гідростатична напруга: (6) девиатор вектора напруг: (7) константа матеріалу: .(8) j - кут внутрішнього тертя ґрунту.
Параметр плинності матеріалу визначається як (9) де С- величина зчеплення, Умова плинності: (10)
Просторова розрахункова модель використовується у випадках, коли будинок має складну конфігурацію в плані, палі мають нерегулярний чи крок довжину, також при можливому впливі декількох областей локального обводнювання ґрунту, розташованих несиметрично.
У дійсній роботі при розгляді просторової розрахункової моделі враховувалася робота ґрунту як пружного матеріалу з лінійною залежністю напруг і деформацій. Просторова розрахункова модель містить у собі спорудження, що знаходиться вище, моделюється чи пластинами стрижневими елементами, горизонтальні елементи ростверку і вертикальні елементи паль.
Ґрунтова основа моделюється обємними елементами з величинами модуля деформації і щільності відповідними властивостям масиву ґрунту. У масиві ґрунту виділяються нашарування з різними фізико-механічними характеристиками й області локального обводнювання. Модуль деформації елементів, що моделюють обводнені ділянки ґрунту, вважається обратно пропорційним коефіцієнту вологості ґрунту.
Виконано чисельне моделювання впливу положення локального обводнювання ґрунту на кущ паль. Для установлення впливу на палі області локального замочування, виконаний ряд розрахунків по плоскій розрахунковій схемі з використанням чисельного моделювання поводження палі під впливом бічного замочування ґрунту.
На рис.3. показано епюри згинальних моментів і подовжніх сил у палях від впливу трьох різних положень локальних зон обводнювання. Епюри (1) відповідають зусиллям і моментам при максимальній відстані центра просадної воронки від палі, епюри (2) відповідають середньому розташуванню обводненої області, епюри (3) відповідають збігу центра обводненої області з віссю палі.
Таким чином, визначено, що найбільш невигідним розташуванням обводненої області щодо палі є положення обводненої області на відстані, рівній потужності обводненого просадного ґрунту.
Для зясування адекватності чисельного моделювання роботи палі в умовах просадного ґрунту було виконане порівняння результатів розрахунку по пропонованій розрахунковій моделі з результатами натурних досліджень і результатами розрахунку за методикою пропонованою діючими БНІП.
За основу були узяті результати спостереження за роботою палі в умовах великих нашарувань просадних ґрунтів при підйомі рівня ґрунтових вод.
Результати розрахунків при заданих умовах досить близькі, різниця між величинами осад складає 6 мм (4,2%). Однак у випадках нерівномірних товщин шарів ґрунту, локальному обводнюванні ґрунту і несиметричному розташуванні паль результати розрахунків за методикою БНІП і уточненою розрахунковою моделлу не співпадають.
Для перевірки адекватності розрахункової моделі виконувався розрахунок системи в просторової системи “будинок - пальовий фундамент- просадний ґрунт”. Результати розрахунку зіставлялися з величинами обмірюваними при обстеженні реального будинку. Зіставлялися місця прояву з розрахунку найбільших напруг у конструкціях будинку і спостерігалося реальне тріщиновиникнення в стінових панелях. Більшість тріщин, що спостерігаються, у стінах відповідає концентрації напруг, що виникають від впливу обводненої області. Очевидно, причиною цих деформацій конструкцій будинку є саме вплив локального замочування ґрунту на пальовий фундамент. Розрахункові величини зсувів верха паль виявилися близькими до заміряних фактично при нівелюванні (рис.4), тому можна судити про ефективність застосування такої розрахункової моделі для прогнозу деформацій будинків на пальових фундаментах у просадних ґрунтах.
У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ викладена методика обстеження деформованих будинків в умовах просадних ґрунтів, розглянута на прикладах проведених досліджень будинків на палях у м.Запоріжжя.
Розроблено методику комплексного обстеження будинку, що включає в себе визначення причин деформування і визначення методів посилення.
При обстеженні деформованих будинків визначаються осідання навколишнього ґрунту основи, зсуву паль, деформації будинку і небезпека ушкодження окремих конструкцій. Виконується розрахунок системи “будинок - пальовий фундамент - просадна основа”. Заміряні деформації порівнюються з отриманими з розрахунку. Визначається, як можна при проектуванні усунути розвиток подальших деформацій будинку на пальовому фундаменті. Методика була апробована при комплексному обстеженні двох багатосекційних будинків гуртожитків (рис.5).
Картина розташування напруг у стінах будинку отриманая з розрахунку порівнювалася з реальним розташуванням тріщин у стінах. Ділянки стін, де в результаті розрахунку були зафіксовані значні напруги, що розтягують, співпадали з ділянкам стін, на яких розкрилися тріщини.
Установлено, що деформації в стінах будинку відбулися від нерівномірних осідань основи. Проведені дослідження і розрахунки підтвердили припущення, про те що, незважаючи на застосування пальового фундаменту будинок піддається впливу нерівномірних просадних деформацій.
У ПЯТОМУ РОЗДІЛІ представлені приклади апробації розрахункової моделі. Установлено, що розрахунок системи “будинок-основа” варто розглядати як засіб вибору ефективного конструктивного рішення способу захисту від осідання. При цьому можуть розглядатися різні варіанти, що сполучають прорізку просадної товщі, використання підземного простору під будинком зниження сил негативного тертя і т.п.
Виконано аналіз напружено-деформованого стану конструкції посилення існуючого фундаменту буроинєкційними палями. перевірка міцності елементів посилення палями існуючого фундаменту неглибокого закладення на дію найбільш несприятливо розташованої області локального замочування;
перевірка достатності посилення фундаменту для припинення деформацій від локального замочування просадного ґрунту;
визначення напружено-деформованого стану плитних фундаментів, посилених буроинєкційними палями.
Виконане зіставлення результатів розрахунку з даними, отриманими з іспитів і вимірів реальних конструкцій, показало досить невелику розбіжність порівнюваних величин. Тому можна зробити висновок про виправданість застосування даних розрахункових моделей до рішення широкого кола задач. фундамент пальовий пошкодження
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1.За даними обстеження житлових і цивільних будинків на палях у Запорізькому регіоні встановлено, що імовірність прояву значних деформацій складає 0,05 за розрахунковий термін експлуатації.
2.Прийнятий у даний час метод проектування одноповерхових промислових будинків із залізобетонним каркасом недостатньо надійний. Наробіток на відмовлення складає 0,15 від нормативного терміну експлуатації. Значне підвищення надійності експлуатації будинків може бути досягнуто удосконалюванням водозахисних заходів і конструктивних рішень.
3.Порівнянням результатів розрахунку по МКЕ з результатами натурних іспитів паль у просадних ґрунтах великої товщі встановлено, що плоскі і просторові розрахункові моделі в нелінійній постановці досить адекватні. Облік нелінійної роботи ґрунту з використанням критерію Друкера-Прагера підвищує точність розрахунку. Розрахунком визначаються як вертикальні, так і горизонтальні зміщення від впливу на палю будь-якої області замочування. Передача вертикальних зусиль на палі в основному відповідає БНІП, а горизонтальних трохи відрізняється від БНІП.
4.За даними натурних обстежень будинків отримана достатня адекватність просторових розрахункових моделей системи “будинок - пальовий фундамент - просадний ґрунт”. З використанням стандартного програмного забезпечення можна визначити напружено-деформований стан з точністю необхідною для вибору конструктивних заходів при проектуванні.
5.Реальний деформаційний вплив на будинки на пальових фундаментах може бути отриман за розробленою методикою, що складається у використанні результатів нівелювання і розрахунків по МКЕ. Розроблена методика обстеження будинків у просадних ґрунтах дозволяє визначити причину ушкоджень і ефективно розробити заходи щодо забезпечення їхньої нормальної експлуатації.
6.Розроблені розрахункові схеми, орієнтовані на програми МКЕ дозволяє визначити напружено-деформований стан пальових фундаментів, посилених буроінєкційними палями, від впливу будь-яких областей замочування. При цьому досить вірогідно визначається кількість паль посилення.
7.Розроблені розрахункові моделі успішно застосовувались в практиці проектування паль підсилення ЗАТ ПІ Запорізьким Промбудпроектом, а також при обстеженні обєктів на пальових фундаментах в м.Запоріжжя та м.Дніпрорудному. Загальний економічний ефект склав 79 тис.грн.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В СЛІДКУЮЧИХ РОБОТАХ
1.Марков А.И., Серомолот Г.В., Маркова М.А. Методика принятия решения по реконструкции// Придніпровський науковий вісник (технічні науки), №79(147), 09.1998р.-С.28-31. (вклад пошукувача - загальні положення методики обстеження будинків на пальових фундаментах).
2.Марков А.И., Серомолот Г.В., Маркова М.А. Методика расчета при пробивке новых проемов// Придніпровський науковий вісник (технічні науки), №79(147), 09.1998р. -С.32-36. (вклад пошукувача в виконанні розрахунку системи “будівля-основа” с застосуванням методу кінцевих елементів).
3.Маркова М.А., Шокарев А.С. Расчет деформированных зданий на сваях на воздействие просадки основания// "Будівельні конструкції" Міжвідомчий науково-технічний збірник, випуск 51, Київ: НДІБК, 1999р.-С.359-362. (вклад пошукувача - розрахунок системи “будівля-палі-основа” на вплив локального обводнення грунту).
4.Маркова М.А. Аналіз спільної роботи буроінєкційних паль з масивами просадного грунту// “Науковий вісник будівництва”, випуск №8, Харків: ХДТУБА, 1999р.-С.65-67.
5.Маркова М.А. Деформации жилых и гражданских зданий на свайных фундаментах в Запорожском регионе.// "Будівельні конструкції" Міжвідомчий науково-технічний збірник, випуск 53, 4 Українська науково-технічна конференція, Київ, 14-16 листопада 2000р.-книга 2.-С.296-300.
6.Марков А.И., Маркова М.А., Кокошуев П.В. Опыт расчетов при реконструкции зданий в сложных грунтовых условиях//"Будівельні конструкції" Міжвідомчий науково-технічний збірник, випуск 54, Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми. Київ: НДІБК, 2001р.-С.458-460. (вклад пошукувача - розрахунок реконструйованих будинків за уточненими розрахунковими моделями із застосуванням методу кінцевих елементів).
7.Глушко В.Т. Маркова М.А., Горновесова Т.Г Анализ работы свайных фундаментов в просадочных грунтах II типа// Труды российской конференции по механике грунтов и фундаментостроению. В четырех частях, Санкт-Петербург, 13-15 сент. 1995г.-часть 2(Г-Л)-С.219-222. (вклад пошукувача у виконанні чисельних досліджень системи “будівля- основа”).
8.Маркова М.А. Анализ напряженно-деформированного состояния буроинъекционных свай, применяемых при реконструкции// Труды VI международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения, под общ.ред. А.А.Бартоломея, Москва, 1998г.-том II.- С.101-103.