Взаємодія фундаментних плит з основою, що нерівномірно деформується, при складному навантаженні

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

„ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ”

УДК 624.131:624.15

ВЗАЄМОДІЯ ФУНДАМЕНТНИХ ПЛИТ З ОСНОВОЮ, ЩО НЕРІВНОМІРНО ДЕФОРМУЄТЬСЯ, ПРИ СКЛАДНОМУ НАВАНТАЖЕННІ

05.23.02 - основи і фундаменти

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ТІМЧЕНКО РАДОМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ

Дніпропетровськ 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України та Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Швець Віктор Борисович, Державний вищий навчальний заклад „Придніпровська державна академія будівництва та архітектури”, професор кафедри основ і фундаментів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Петраков Олександр Олександрович, Державне підприємство „Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій”, завідувач Донецької лабораторії будівельних конструкцій та геотехнічних об'єктів;

доктор технічних наук, професор Винников Юрій Леонідович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, професор кафедри видобування нафти і газу та геотехніки;

доктор технічних наук, професор Петренко Володимир Дмитрович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, завідувач кафедри тунелів, основ та фундаментів.

Захист відбудеться 24 грудня 2009 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 при Державному вищому навчальному закладі „Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу „Придніпровська державна академія будівництва та архітектури” за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий 20 листопада 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Т.С. Кравчуновська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Фундаментні залізобетонні плити є найважливішим елементом промислового, цивільного, гідротехнічного й аеродромно-дорожнього будівництва.

Прикладами слугують: суцільні фундаментні плити під багатоповерхові каркасні й безкаркасні будинки; фундаменти копрів, промислових етажерок, атомних реакторів, елеваторів, димарів, доменних печей, днища шлюзів і резервуарів; плити підлоги виробничих будинків; плити покриттів аеропортів і автомобільних доріг. Фундаментні плити особливо доцільні при будівництві в складних інженерно-геологічних умовах і при більших навантаженнях від верхньої будівлі.

Проблемі розвитку й удосконалення методів розрахунку фундаментних плит у попередні роки приділялася достатньо велика увага. Було проведено теоретичні й експериментальні дослідження фундаментних плит, що завершилися розробкою методів і створенням програм для розрахунку фундаментних плит на ЕОМ. Однак існуючими рішеннями не вичерпується вся різноманітність завдань, висунутих практикою проектування й будівництва.

Останнім часом, у міру вичерпання територій, які найбільш сприятливі для забудови та не мають особливої цінності для сільського господарства, більш широкого масштабу набуває забудова територій з особливими умовами, які характеризуються значною нерівномірною деформованістю ґрунтів. Практично 90 % території України мають складні ґрунтові умови. На Україні, що займає територію понад 600000 км², близько 70 % території складено лесовими просадочними ґрунтами; 34 % належать до підроблюваних територій, де спостерігаються різні форми осідання земної поверхні в результаті підземного виймання корисних копалин; є великі ділянки закарстованих територій, площадок зі слабкими ґрунтами й ґрунтами, що набухають, тощо.

У складних інженерно-геологічних умовах будівництва вплив з боку основи на фундаментну плиту відбувається, як правило, у період експлуатації об'єкта. Це приводить до розвантаження окремих ділянок плити й основи та довантаження інших ділянок. Отже, навантаження носить складний характер, що повинно враховуватися при визначенні напружено-деформованого стану фундаментної плити. Оскільки рішення для фундаментних плит, що враховують спільні непружні деформації залізобетону й ґрунту при складному навантаженні, на сьогодні відсутні, то переваги фундаментних плит перед іншими видами фундаментів на практиці використовуються не повністю.

Для реалізації наявних резервів несучої здатності фундаментних плит і підвищення їхньої економічності при збереженні необхідної надійності необхідне всебічне врахування характерних рис спільної роботи фундаментних плит і основи, що нерівномірно деформується.

Тому розробка методу розрахунку й обґрунтування параметрів плитних фундаментів на основі, що нерівномірно деформується, при складному навантаженні з урахуванням фізичної й геометричної нелінійності є актуальною проблемою, що має важливе значення для сучасного будівництва в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Подана робота базується на результатах багаторічних досліджень за цільовими комплексними науково-технічними програмами Держбуду СРСР ОЦ.031.055.16 Ц (завдання 06 і 07) і 0.55.04 (завдання 10.02). Дисертація виконувалася відповідно до напрямку науково-технічної політики держави з оцінювання технічного стану будинків і споруд, в поліпшенні якості проектування відповідальних будинків і споруд, в раціональному використанні і захисті територій відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № 409 від 5 травня 1997 року „Про забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель, споруд та мереж”, Постанови Кабінету Міністрів України № 1313 від 20 серпня 2000 року „Про затвердження програм запобігання і реагування на надзвичайні ситуації технічного і природного характеру на 2000-2005 роки з метою комплексного вирішення проблем захисту населення і територій від надзвичайних ситуацій техногенного і природного характеру і в інтересах безпеки окремої людини, суспільства, національного надбання та навколишнього середовища”. Результати дисертації використані при реалізації рішень координаційної науково-технічної ради з питань будівництва, захисту будинків, споруд, територій у складних інженерно-геологічних і сейсмічних умовах України та досліджень, пов'язаних з науковою тематикою кафедри основ і фундаментів Придніпровської державної академії будівництва та архітектури „Розробка нових методів розрахунку основ і ефективних конструкцій фундаментів у регіональних умовах Середнього Придніпров'я” (державний реєстраційний номер 0103U003113).

У виконанні науково-дослідних робіт автор брав участь як виконавець, відповідальний виконавець, науковий керівник.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в науковому обґрунтуванні й розробці методу розрахунку фундаментних плит, що взаємодіють з основою, яка нерівномірно деформується, з урахуванням непружних деформацій залізобетону і ґрунту при складному навантаженні.

Сформульована мета дисертаційної роботи обумовила необхідність вирішення наступних завдань:

- виконати аналіз наявних експериментальних даних і теоретичних узагальнень для вибору закономірності деформування залізобетону плити і ґрунтової основи при складному навантаженні;

- виконати комплексні експериментально-теоретичні дослідження напружено-деформованого стану (НДС) плит різної форми при їхній спільній роботі з основою, що деформується, на плоских та об'ємних моделях методами фізичного моделювання й фундаментних плит у натурних умовах;

- розробити статичні методи розрахунку фундаментних плит (круглі, прямокутні й довільної форми в плані) з комплексним урахуванням нелінійно-непружних деформацій залізобетону й ґрунту при складному навантаженні;

- розробити прикладні програми для ПК розрахунку фундаментних плит різної форми в нелінійно-непружній постановці;

- виконати математичне моделювання з урахуванням особливостей конструктивного рішення і його впливу на зміну НДС фундаментної плити на природній основі та при її нерівномірному осіданні;

- виявити особливості та закономірності нелінійно непружного деформування фундаментних плит і основ шляхом математичного моделювання їхньої роботи з використанням розроблених методів і програм розрахунку;

- розробити нові конструктивні рішення фундаментних плит на основі врахування особливостей їхньої взаємодії з основою, що нерівномірно деформується; фундаментний плита залізобетон навантаження

- впровадити результати роботи в практику проектування, будівництва й експлуатації будинків і споруд, що працюють в особливих умовах.

Об'єкт дослідження - процес взаємодії плитних фундаментів з основою, що нерівномірно деформується, з урахуванням складного характеру навантаження.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан фундаментної конструкції та основи при їх контактній взаємодії в особливих умовах роботи.

Методи дослідження, за допомогою яких вирішувалися поставлені завдання: експериментальні методи дослідження матеріалів, конструкцій і споруд у лабораторних, стендових і натурних умовах; методи математичної статистики для обробки даних експериментів; математичне моделювання впливу різних факторів на роботу фундаментних плит; порівняльний аналіз результатів математичного моделювання та натурних експериментів з аналогічними даними відомих рішень; метод скінченних елементів, класичні методи будівельної механіки (початкових параметрів, сил, переміщень); метод коефіцієнта жорсткості у вирішенні контактної задачі взаємодії фундаментної плити з основою, що нерівномірно деформується.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше сформульовано основні принципи проектування плитних фундаментів на основі, що нерівномірно деформується, які враховують складний характер деформаційних впливів;

- розроблено комплексний підхід до визначення параметрів конструкцій плитних фундаментів, що працюють в умовах нерівномірних деформацій основи, з урахуванням нелінійної роботи ґрунтів основи і матеріалів конструкцій при складному навантаженні (дістав подальшого розвитку);

- отримано експериментальні залежності „навантаження - осідання“ при навантаженні і розвантаженні натурних плит на природній основі, що має різні міцнісні та деформаційні характеристики (дістали подальшого розвитку);

- вперше встановлено закономірності взаємодії фундаментних плит з основою, що нерівномірно деформується, для стадії розвантаження на підставі результатів експериментів й математичного моделювання фундаментних плит різної форми при різних деформаційних впливах основи;

- вперше отримано залежність для визначення змінного коефіцієнта жорсткості при розвантаженні, подану лінійною функцією з мінливими параметрами тиску й осідань при складному навантаженні, для усіх видів деформаційних станів підроблюваних основ;

- встановлено деформаційні критерії граничних станів на підставі аналізу нелінійної роботи конструкцій та основ у стадії, близькій до руйнування (дістали подальшого розвитку);

- вперше отримано закономірності, що дозволяють оцінити стійкість споруди на перекидання в умовах нерівномірних деформацій основи та враховують особливості змін жорсткісних характеристик у довантаженій і розвантаженій зонах при її додатковому деформуванні.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

- створенні й апробації методики, експериментального обладнання, пристосувань,

що використовуються при моделюванні й проведенні натурних досліджень плитних фундаментів, які взаємодіють з основою, що нерівномірно деформується;

- розробці програми моделювання на основі комплексного підходу до визначення конструктивних рішень плитних фундаментів, що працюють в умовах нерівномірних деформацій основи при складному навантаженні;

- розробці методики оцінки стійкості споруди на перекидання;

- визначенні вірогідності розрахунків фундаментів для певних інженерно-геологічних умов з характерним видом деформаційних впливів шляхом тривалих спостережень за їхніми осіданнями;

- розробці методики визначення граничних впливів (силових або деформаційних) на фундаментну плиту;

- розробці економічного методу розрахунку очікуваного інтегрального ефекту від проектних рішень плитних фундаментів з різними жорсткісними характеристиками;

- вдосконаленні й впровадженні в практику будівництва нових, захищених патентами, конструктивних рішень фундаментів.

Результати дослідження використано при: розробці рекомендаційних документів з розрахунку та проектування фундаментів будівель і споруд для складних інженерно-геологічних умов; проектуванні фундаментних конструкцій баштових споруд Державним інститутом з проектування підприємств гірничорудної промисловості „Кривбаспроект” (патенти на винаходи України № 34887А, № 34889А); проектуванні фундаментів цивільних будівель, підпірних стін спеціального типу інститутом ДПІ „Криворіжцивільпроект”; підготовці двох посібників та п'яти методичних вказівок для студентів будівельних спеціальностей; будівництві нових, реконструкції існуючих будівель та споруд в особливих умовах будівництва (більш ніж 30 об'єктів), в тому числі будівлі та споруди Криворізького металургійного комбінату ГЗК ВАТ „АрселорМіттал Кривий Ріг” (кисневий блок БРУКАР - 30М № 7 кисневого цеху № 2, прокатний стан №6), об'єкти Інгулецького гірничо-збагачувального комбінату (ВАТ „ІнГЗК”), Південного гірничо-збагачувального комбінату (ВАТ „ПівдГЗК”), Центрального гірничо-збагачувального комбінату (ВАТ „ЦГЗК”) - галереї, виробничі корпуси, будівлі АПК, очисні споруди, цехи з ремонту та обслуговування газотурбінного обладнання - криворізького турбінного заводу ВАТ „Констар”, інженерні споруди Криворізького залізорудного комбінату ВАТ „КЗРК” та ряд інших об'єктів.

Загальний економічний ефект від впровадження результатів досліджень автора при будівництві конкретних об'єктів у складних інженерно-геологічних умовах (організації: асоціація „Кривбасбуд”, концерн „Стальпромбуд”, ЗАТ „Криворіжіндустрбуд” та ін.) отримано за рахунок економії матеріальних, трудових та енергетичних ресурсів у розмірі 2951,335 тис. грн., що підтверджено актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення, розробки й результати досліджень, які виносяться на захист, отримані автором особисто. Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [12, 13, 22, 45, 51] - аналіз стану проблеми, постановка задачі дослідження; [9, 46] - постановка задачі, розробка програми експерименту; [40] - розробка методики розрахунку круглих плитних фундаментів в умовах основи, що нерівномірно деформується, при складному навантаженні; [8, 10, 11, 17, 18, 27, 28, 47] - розробка ефективних конструктивних рішень фундаментів і підпірних стін спеціального типу для експлуатації в особливих умовах; [6, 44] - запропонована методика визначення контактних зусиль при взаємодії фундаменту й основи, що нерівномірно деформується; [7, 14, 37, 38, 42] - вивчення геотехнічних характеристик і визначення деформаційних критеріїв для експериментальних і чисельних досліджень; [29, 36] - розробка методики оцінки стійкості споруди на основі, що нерівномірно деформується, при складному навантаженні; [25, 31] - постановка задачі та виконання математичного моделювання плитних фундаментів різної жорсткості на основі, що лінійно або нелінійно деформується.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Криворізького технічного університету в період з 1992 по 2009 рр., на міжнародних конференціях „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривий Ріг, 2004-2009 рр.), на міжнародних конференціях з проблем фундаментобудування: „Современные проблемы фундаментостроения” (м. Волгоград, 2001 р.), „Фундаментостроение в сложных инженерно - геологических условиях” (м. Санкт-Петербург, 2003 р.), „Автоматизация проектирования в строительстве и гидротехнике” (м. Одеса, 2003 р.), на міжнародних науково-практичних конференціях „Башенные сооружения: материалы, конструкции, технологии” (м. Макіївка, 2003 р., 2005 р.), на міжнародній науково-технічній конференції „Ресурсоэкономные материалы, конструкции, здания и сооружения” (м. Рівне, 1996 р.), на Всеукраїнських конференціях з питань механіки ґрунтів і фундаментобудування (м. Одеса, 1997 р., 2004 р., м. Київ, 2000 р., м. Полтава, 2008 р.), „Современные проблемы строительства и защита зданий на просадочных грунтах” (м. Запоріжжя, 1999 р.), „Расчет зданий и сооружений совместно с основанием” (м. Львів, 2002 р.), „Перспектива развития строительных конструкций, зданий, сооружений и их оснований” (м. Київ, 2003 р.), на міжнародній науково-практичній конференції „Проблемы строительства в свете евроинтеграции” (м. Кривий Ріг, 2007 р.), на міжнародних науково-технічних конференціях „Сталежелезобетонные конструкции” (м. Кривий Ріг, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008 рр.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 51 друкованій роботі, в тому числі 41 наукова стаття, з яких 37 - в наукових фахових виданнях, 3 деклараційні патенти на корисну модель, 2 навчальні посібники, 3 методики, 2 тези доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 325 найменувань і 11 додатків. Обсяг основної частини - 259 сторінок, робота містить 178 рисунків і 29 таблиць. Загальний обсяг роботи - 387 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір теми та актуальність роботи, її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету і задачі досліджень, відображено наукову новизну результатів, їхнє практичне значення і дані щодо публікацій, апробації та впровадження результатів досліджень.

У першому розділі проведено огляд наукової літератури та виконано аналіз досвіду проектування фундаментів в умовах нерівномірних деформацій основи, розглянуто сучасні тенденції застосування плитних фундаментів, використання розрахункових програм і комплексів.

Лінійна теорія розрахунку з вирішенням нових завдань, висунутих практикою будівництва, не скрізь застосовується. Особливо це стосується розрахунків споруд, що проектуються для будівництва в складних інженерно-геологічних умовах (набухаючі, структурнонестійкі ґрунти, підроблювані, закарстовані та зсувні території).

Хоча відомо основні закономірності характерних проявів на цих територіях, урахування всіх особливостей реального масиву ґрунту - це складне завдання механіки ґрунтів. Вирішення цього завдання можливе з використанням чисельних методів розрахунку, реалізованих у програмах моделювання.

Створення моделей ґрунтової основи, у рамках яких у ґрунті одночасно існують зони дограничного та граничного стану, дозволяє визначати нелінійний характер залежності „навантаження - осідання”, а також враховувати різноманітність фізичних процесів, що супроводжують деформування цієї основи.

Необхідність такого підходу до розрахунку основ відзначалася в роботах В.Г. Березанцева, О.К. Бугрова, С.С. Вялова, М.М. Герсеванова, М.Н. Гольдштейна, М.І. Горбунова-Посадова, Б.І. Долматова, К.Є. Єгорова, П.Л. Іванова, Г.К. Клейна, М.В. Малишева, М.М. Маслова, Ю.М. Мурзенка, І.А. Сімвуліді, В.І. Соломіна, В.А. Флоріна, М.О. Цитовича та інших.

Теоретичній розробці й експериментальному обґрунтуванню нелінійних моделей ґрунтового середовища, що дозволяють описувати процес її деформування на всіх етапах навантаження, присвячено дослідження І.П. Бойка, Є.Ф. Винокурова, Ю.Л. Винникова, О.Л. Гольдіна, А.Є. Дельніка, Б.Й. Дідуха, Ю.К. Зарецького, М.Л. Зоценко, О.Л. Крижановського, І.Я. Лучковського, В.А. Мікуліча, В.М. Ніколаєвського, В.Д. Петренка, А.М. Рижова, Ю.О. Соболевського, Ю.М. Соловйова, Є.А. Сорочана, О.С. Строганова, В.Г. Таранова, З.Г. Тер-Мартиросяна, С.Б. Ухова, В.Г. Федоровського, Д.М. Шапіро, В.Г. Шаповала, В.Б. Швеця, В.М. Широкова, А.У. Бішопа, Д. Друккера, В. Прагера, К. Роско, П. Роу, А. Скофілда та інших.

Спільна робота фундаментних конструкцій з ґрунтовою основою характеризується багатьма факторами, які повинні враховуватися при їхньому влаштуванні. Серед них можна виділити збільшення навантаження при зведенні будинків і споруд, деформаційні впливи від основи в період експлуатації.

За результатами огляду наукової літератури відзначено, що завдання розрахунку споруд на міцність і деформативність змушують шукати шляхи теоретичного опису взаємодії споруд з основою з метою визначення НДС системи „основа - фундамент - верхня будівля” у всьому діапазоні навантажень і впливів. Ця система при нерівномірній деформації основи перебуває в умовах складного навантаження, й урахування цього дає можливість повніше використовувати властивості ґрунтів і конструкцій та достовірно виконувати інженерні розрахунки.

Для аналізу складного навантаження застосовувалися одномірні інтегральні моделі перерізів стрижневих залізобетонних конструкцій, пружно-пластичних зв'язків і елементів, що моделюють ґрунтову основу. Такі моделі розробили А.М. Бамбура, А.Я. Барашиков, В.Я. Бачинський, А.В. Геммерлінг, І.В. Грищенко, А.А. Диховичний, І.Д. Глікін, І.Д. Гуща, С.М. Клєпіков, С.Ф. Клованич, А.Ш. Килимник, Б.Н. Кузнецов, А.І. Козачевський, О.Г. Кумпяк, Є.С. Лайтес, П.Л. Лемиш, Б.І. Любаров, С.М. Любімов, Б.М. Мазо, В.О. Масленников, І.В. Матвєєв, В.Г. Назаренко, Я.М. Немировський, Ю.І. Немчинов, А.Ю. Островський, А.Л. Пекарський, О.О. Петраков, Н.Н. Попов, В.С. Расторгуєв, В.І. Слівкер, В.В. Фігаровський, А.А. Чірас.

Теоретичні дослідження впливу гірничих виробок на будинки й споруди подано у роботах І.М. Гадимби, О.М. Дінника, П.І. Дранішнікова, А.Ж. Жусупбекова, Г.М. Кузнецова, П.М. Леонтовського, М.Ш. Мінцьковського, В.І. Паніна, М.М. Протодьяконова, Г.О. Романовського, Д.С. Ростовцева, І.А. Турчанінова, О.Б. Фадєєва, О.І. Юшина, А. Evrard, R. Bals, W. Buchheim, J. Goodwin, О. Luetkens. Питаннями визначення границь області впливу гірничих виробок і характеру впливу підробітку на будинки й споруди, а також вирішенням поставлених завдань з використанням методів теорії пружності, пружно-пластичних, пружно-в'язких та інших моделей деформування масиву гірничих порід займалися С.Г. Авершин, В.Г. Глушко, Ж.С. Єржанов, І.І. Кандауров, А.С. Космодаміанський, С.Г. Міхлін, Р.А. Муллер, Н.І. Мусхелішвілі, В.І. Панін, Д.І. Шерман, Г.І. Покровський, B. Bals, W. Buchheim, A. Edward, J. Litwiniszуn та інші вчені.

Результати чисельних натурних спостережень показують, що фактичні деформації земної поверхні основи, яка нерівномірно деформується, мають дискретний характер, що не відповідає згладженим епюрам деформацій, які рекомендуються нормативними документами. Горизонтальні деформації поверхні основи при багаторазовому підробітку мають знакозмінний циклічний характер. У процесі підробітку жорсткісні властивості основи змінюються. Застосовувана методика розрахунку будинків і споруд на підроблюваних територіях не враховує, що деформаційні впливи з боку основи мають складний, розтягнутий у часі характер, коли деформації змінюють величину та знак. Розрахунок, як правило, робиться на сумарну величину деформацій, що визначається маркшейдерським розрахунком.

Аналіз сучасних методів розрахунку конструкцій з урахуванням деформаційних властивостей основи показав, що для вирішення поставленого завдання взаємодії основи й фундаментів при нерівномірних деформаціях основи найбільш доцільне застосування чисельних методів: методу змінних коефіцієнтів жорсткості основи в трактуванні С.М. Клєпікова, ітераційних методів Є.Ф. Винокурова або методу скінченних елементів.

Експериментальні дослідження характеру взаємодії фундаментів і ґрунтової основи при зсуві проводилися, в основному, при дослідженні підпірних споруд і окремих фундаментів. Дослідженнями роботи основ при зсуві займалися Л.Д. Аптекар, Б.Н. Баришевський, Г.І. Глушков, П.Д. Євдокімов, В.А. Євтуховський, В.П. Козлов, Т.Ф. Липовецька, В.Є. Макієнко, М.М. Маслов, А.А. Ничипорович, В.І.Новоторцев, О.О. Петраков, А.Н. Попова, А.М. Рижов, Ш.А. Хачатрян, Н.Я.Хрустальов, Г.С. Шадрін, Р.С. Шеляпін, М.І. Шматків, Я.Й. Червинський, Х.Боровіка, Р. Васильковський, А. Казагранде та багато інших. Однак, здебільшого у цих дослідженнях вивчалося питання визначення граничної величини зсувного зусилля, і розглядалася стадія активного деформування поверхні ґрунтової основи при зсуві.

Відзначено, що в дослідженнях вітчизняних і зарубіжних авторів основну увагу приділено аналізу простих навантажень плитних фундаментів і основ з урахуванням фізичної й геометричної нелінійності без урахування складного навантаження. У нормах будівельного проектування не враховано особливості характеру складного навантаження, які виникають у процесі експлуатації будинків і споруд.

На основі проведеного аналізу визначено об'єкт і предмет дослідження, сформульовано мету й завдання дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено проведенню комплексних експериментальних досліджень методами фізичного моделювання на плоских та об'ємних моделях з урахуванням деформаційних впливів основи, на великомасштабних моделях у лабораторних умовах і натурних фундаментах на експериментальних об'єктах.

Першим етапом експериментальних досліджень на дрібномасштабних моделях методами фізичного моделювання досліджувалася зміна НДС конструкцій при різних видах деформаційних впливів основи.

Дослідження моделей різних фундаментів (плита змінної товщини, плита з перехресними балками-стінками, плита у вигляді чотирикутної зрізаної піраміди, кругла плита) проводилися на стенді для статичного завантаження та стенді для моделювання нерівномірних деформацій основи. Було проведено серії експериментів на об'ємних і плоских моделях з використанням теорії подібності, теорії раціонального планування експериментів. Встановлено вплив коефіцієнта подібності й масштабу об'ємних сил на розподіл напружень у конструкціях фундаментів.

Виконано математичне моделювання круглої фундаментної плити на основі, що деформується, в лінійно-пружній постановці за допомогою програмного комплексу „LIRA - WINDOWS”. Отримані результати порівнювалися з результатами експерименту. У розрахунковій схемі навантаження від надфундаментної конструкції передавалося на плиту по кільцю на окремі скінченні елементи. Сумарне вертикальне навантаження становить F_tot = 300 MH, початковий коефіцієнт жорсткості основи k₀ = 80 МН / м³, радіус плити R_п = 15,0 м, середня товщина h_пл = 2,0 м, радіус обпирання оболонки на плиту r_f = 10,0 м. Деформаційні властивості ненавантаженої основи було відображено в розрахунковій схемі відповідними законами зміни коефіцієнтів жорсткості за 6 варіантами.

При постійній жорсткості основи абсолютні величини моментів у місцях обпирання оболонки (негативні значення) і в центрі плити (позитивні значення) приблизно однакові. При осіданні основи біля торця фундаменту (рис. 1) радіальні моменти вздовж осі ОХ у центральній частині плити зростають у кілька разів, а в місцях обпирання оболонки їх величини знижуються.

Уздовж осі ОY ці моменти змінюються за такими ж законам, але незначно. Тангенціальні моменти вздовж осі ОХ незначно змінюються, у той час як уздовж осі ОY значення цих моментів зростають у кілька разів, майже у стільки разів зросла величина радіальних моментів вздовж осі ОХ. Зі сказаного випливає, що при осіданні основи біля торця фундаменту значній зміні піддаються моменти, які діють у площинах перпендикулярних лінії зміни жорсткості (осідання) основи. Моменти, що діють у площинах, паралельних цій лінії, менш чутливі.

Отримано задовільну збіжність експериментальних досліджень з результатами математичного моделювання для ряду збіжних точок у межах 4-5 %. Визначено загальні принципи вдосконалення плитних фундаментів для складних інженерно-геологічних умов та обрано оптимальні конструкції, які було досліджено.

На другому етапі експериментальних досліджень вивчався НДС натурних масивних фундаментних плит баштових копрів з розмірами в плані до 30 м 30 м і висотою до 6 м.

Один із фундаментів - плиту рівнозмінної жорсткості - подано на рис. 2. При дослідженні цих фундаментів використовувався метод електротензометрії із застосуванням тензорезисторів марки ПКБ-200 базою 25 мм і тензометричною апаратурою ЦТК-1 для різних етапів зведення інженерної споруди: I етап - зведення монолітного фундаменту; II етап - зведення нульового циклу; III етап - зведення будинку та встановлення технологічного обладнання.

Для плити рівнозмінної жорсткості характерні тільки стискальні напруження по трьох ярусах, причому максимальні значення величин у_max = - 0,84 МПа зафіксовано в арматурах третього ярусу, де передається навантаження від каркаса будинку та технологічного обладнання (рис. 3). Отримані експериментальні дані свідчать про істотний вплив конструктивного рішення і реакції основи на внутрішні зусилля в плиті.

На третьому етапі досліджувалася взаємодія фундаментних плит з основою в натурних умовах при складному навантаженні і були вирішено такі задачі:

- експериментально встановлено залежність між тиском на основу в інтервалі від розрахункового - R до граничної несучої здатності основи Р_пр та осіданнями фундаментних плит;

- виконано експериментальне оцінювання значень залишкових деформацій основи при розвантаженні фундаментних плит від тиску в інтервалі R-Р_пр та осідання плит при їх подальшому навантаженні розрахунковим тиском;

- експериментально встановлено розподіл реактивних тисків з боку основи під підошвою фундаментних плит;

- досліджено фізико-механічні характеристики ґрунтів основ до та після вдавлювання фундаментних плит;

- виконано теоретичне оцінювання значень осідань фундаментних плит при нелінійній залежності між напруженнями та деформаціями в ґрунті.

Дослідження взаємодії фундаментних плит натурної величини з основою проводилися на чотирьох експериментальних об'єктах (великоблокові будинки серії 87, великопанельні будинки серії ЕКП).

З метою одержання фактичної діаграми роботи ґрунту при складному навантаженні на першому об'єкті було виконано вдавлювання фундаментної плити розміром у плані 1,2 2,4 м, на другому - двох фундаментних плит розміром у плані 1,4 1,6 м і 1,6 2,0 м, на третьому - двох фундаментних плит розміром у плані 1,2 2,4 м, на четвертому - двох фундаментних плит розміром у плані 1,2 2,4 м і 1,2 2,0 м.

Фізико-механічні характеристики ґрунтів ( - питома вага ґрунту, кН/м³; W - вологість природна; W_L - вологість на границі текучості; W_P - вологість на границі пластичності; I_L - показник текучості; e - коефіцієнт пористості; E - модуль деформації, МПа; С^н - питоме зчеплення ґрунту, МПа; ^н - кут внутрішнього тертя ґрунту, градуси), на яких проводилися дослідження, мають такі параметри:

1. Перший об'єкт - глина непорушеної структури:

= 19,6 кН/м³; W = 0,215; W_L = 0,401; W_P = 0,224; I_L = 0,31; e = 0,676; E = 3,5 МПа;

С^н = 0,045 МПа; ^н = 24°.

2. Другий об'єкт - суглинок непорушеної структури:

= 19,8 кН/м³; W = 0,187; W_L = 0,347; W_P = 0,185; I_L = 0,01;e = 0,621; E = 6,5 МПа;

С^н = 0,057 МПа; ^н = 27°.

3. Третій об'єкт - суглинок непорушеної структури:

- перша плита до досліду: = 19,6 кН/м³; W = 0,219; W_L = 0,368;

W_P = 0,204; I_L = 0,091; e = 0,683; E = 4,8 МПа; С^н = 0,02 МПа; ^н = 32°30';

- перша плита після досліду

= 19,3 кН/м³; W = 0,216; W_L = 0,363;

W_P = 0,205; I_L = 0,066; e = 0,692; E = 4,6 МПа; С^н = 0,056 МПа; ^н = 31°30';

- друга плита до досліду:

= 9,2 кН/м³; W = 0,218; W_L = 0,382;

W_P = 0,209; I_L = 0,051; e = 0,719; E = 3,87 МПа; С^н = 0,028 МПа; ^н = 35°45';

- друга плита після досліду

= 19,1 кН/м³; W = 0,215; W_L = 0,368;

W_P = 0,207; I_L = 0,051; e = 0,728; E = 3,54 МПа; С^н = 0,04 МПа; ^н = 31°30'.

4. Четвертий об'єкт (IV-V шари) - суглинок твердої консистенції:

- шар IV: = 19,2 кН/м³; W = 0,217; W_L = 0,364; W_P = 0,211; I_L = 0,28;

e = 0,674; E = 17,00 МПа; С^н = 0,032 МПа; ^н = 18°;

- шар V: = 19,1 кН/м³; W = 0,215; W_L = 0,361; W_P = 0,208; I_L = 0,074;

e = 0,684; E = 13,00 МПа; С^н = 0,032 МПа; ^н = 18°.

При проведенні експериментальних досліджень було досягнуто граничну несучу здатність основи в межах P_пр = 0,7-1,0 МПа, що відповідає навантаженню на фундаментні плити 2000-2900 кН, яке створювалося домкратами ДГ-100, встановленими у ніші фундаментної частини зведеного будинку.

Навантаження на фундаментну плиту задавалися з кроком 0,1 МПа при рівні навантажень відповідно 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0 МПа тощо, до досягнення граничної несучої здатності, з витримкою до умовної стабілізації осідань відповідно до ГОСТ 12374-77. Після досягнення рівня навантаження на кожному етапі проводилося повне розвантаження фундаментної плити з фіксацією проміжних даних з кроком розвантаження через 0,1 МПа.

Відповідно до програми робіт було виконано окремі залізобетонні плити динамометричні з маркуванням Д (рис. 4), які розміщалися на плані експериментального відсіку. Особливістю динамометричних плит на відміну від типових виробів за серією 1.112-5 є наявність у них отворів для встановлення пристосувань вимірювання контактних напружень, причому армування фундаментних плит залежить від підвищеного тиску на ґрунт. Було виконано роботу з розрахунку й конструювання динамометричних плит.

На рис. 5 подано графіки осідань експериментальних плит.

На першому об'єкті (рис. 5, а) наведено теоретичні значення осідань фундаментної плити та відзначається задовільна збіжність (8-12 %) їхніх значень за узагальненою гілкою навантаження з відповідними значеннями за способом М.В. Малишева і дослідними даними у всьому інтервалі навантажень.

Отримані в дослідах пружні (відновлювальні) деформації основи залежно від ґрунтових умов, габаритів і жорсткості фундаментних плит становлять 17-36 % від загальних осідань залежно від рівня тиску. При цьому більшому тиску відповідає менша частка відновлювальних деформацій основи за рахунок ущільнення ґрунту при складному навантаженні в межах дограничного навантаження на ґрунт.

За значеннями міцнісних характеристик ґрунтів, відібраних на рівні підошви фундаментних плит до початку дослідів із вдавлювання та після їхнього закінчення встановлено, що питоме зчеплення ґрунту підвищилося у 1,4-2,8 рази при приблизно постійному куті внутрішнього тертя, тобто міцність ґрунту в результаті ущільнення підвищується.

Експериментально встановлено залежності між осіданнями фундаментних плит натурної величини і тиску на них до 0,7-1,2 МПа, що практично неможливо зробити при польових випробуваннях. Осідання фундаментних плит залежно від ґрунтових умов, габаритів і жорсткості плит склали 150-200 мм, що порівняно з деформаціями основи, які проявляються в натурі

(S'_u,max = 40 см - ДБН В.1.1-5-2000).

У два етапи було виконано вирішення задачі вимірювання реактивного опору основи - однієї з важливих задач експериментальних натурних досліджень будинків і споруд будь-яких конструктивних схем.

Перший етап - інтегральне оцінювання величин узагальненого опору під кожною фундаментною плитою за величиною їхнього осідання у процесі експерименту. Для цього попередньо вдавлювалися в ґрунт фундаментні плити різних типорозмірів на експериментальному об'єкті. Отримано залежності Р - S, які є основою для визначення узагальненого опору під підошвою фундаментних плит за їх осіданнями, заміряними під час експерименту.

Другий етап - вимірювання реактивного опору основи в окремих точках під фундаментною плитою для дослідження характеру перерозподілу епюри опору.

На рис. 6 показано: епюри контактних напружень під підошвою фундаментних плит з дослідів № 1 і № 2 (третій об'єкт), побудовані за показниками приладів при середніх навантаженнях на плиту _1сер = 0,1 МПа; _2сер = 0,063 МПа й _1сер = 0,52 MПa; _2сер = 0,545 MПa.

Встановлено характер епюри контактних напружень залежно від рівня діючих навантажень на фундаментну плиту. Отримані задовільну збіжність (3,5-5 %) у значеннях прикладених зовнішніх навантажень і навантажень з боку основи, обчислених як об'єм епюри контактних напружень під плитою на початковому етапі навантаження, і незадовільну збіжність (18-20 %) при подальшому навантаженні:

1. Для першої плити (рис. 6, а):

при _1сер = 0,1 МПа: УP_1зовн = 195,8 кН, УP_1внутр = 193,4 кН, k₁ = 1,01;

при _2сер = 0,52 МПа: P_2зовн = 1010,5 кН, P_2внутр = 1237,3 кН, k₂ = 0,82.

2. Для другої плити (рис. 6, б):

при _1сер = 0,063 МПа: P_1зовн = 123,4 кН, P_1внутр = 123,8 кН, k₁ = 1,01;

при _2сер = 0,545 МПа: P_2зовн = 1067,0 кН, P_2внутр = 1290,1 кН, k₂ = 0,82.

У результаті проведення натурних експериментів встановлено принципову можливість вдавлювання фундаментних плит у ґрунт основи з використанням при цьому ваги надфундаментних конструкцій.

Проведені експериментальні й теоретичні дослідження дозволяють обґрунтовано підійти до визначення жорсткісних характеристик основи, що деформується, при навантаженні й розвантаженні та їхнього врахування в практичних розрахунках.

Було проведено натурні дослідження деформацій земної поверхні над гірничими виробками рудних родовищ. Встановлено, що переміщення земної поверхні носять плавний або зосереджений характер залежно від умов розробки корисних копалин. У Криворізькому залізорудному басейні значно збільшуються розміри зон зсуву земної поверхні, зростає число об'єктів, що потрапили в ці зони та які підлягають завчасному знесенню.

По ряду промислових підроблюваних об'єктів виконано плани з вказівкою границь зон зсуву й величин деформацій по профільних лініях за останні 5 років. Отримано результати вертикальних зсувів (рис. 7, а) і відносних горизонтальних деформацій (рис. 7, б), що використовуються в подальших розрахунках.

У третьому розділі зроблено постановку та виконано математичне моделювання плитних фундаментів різної жорсткості на основі, що лінійно і нелінійно деформується. Наведено порівняння результатів моделювання різних за формою й розмірами фундаментних конструкцій з урахуванням фізико-механічних характеристик основ та різних умов контактної взаємодії.

З метою уточнення відповідності розрахункової схеми дійсним умовам роботи конструкції виконано моделювання прямокутних і круглих фундаментних плит за відповідними програмами „LIRA 9.4”, „КОНТАКТ - 10с”.

Розглядалися три конструктивних рішення плитних фундаментів з різними жорсткісними характеристиками. Для фундаменту рівнозмінної жорсткості, що має глибину закладення Н_З = 11,2 м на ґрунтовій основі (підстильний шар), яку подано монолітним тріщинуватим, тонкосмужкуватим сланцем з фізико-механічними характеристиками = 28⁰, С = 0,28 МПа, Е = 14 МПа, результати розрахунку подано на рис. 8.

Порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними (рис. 9) показує незначні розбіжності в осіданнях (у межах 12 мм) при лінійному й нелінійному розрахунках і розбіжності в зусиллях - М_mах до 32 %. Для забезпечення надійної експлуатації споруди більшу значущість має розрахунок плити на продавлювання по бетону відповідно до норм проектування.

Досліджено зміну максимального згинального моменту (у центрі плити) для розглянутих конструктивних рішень плит різної жорсткості на різних товщинах стискуваної товщі. Встановлено, що підвищення жорсткості плити переводить її в категорію штампів зі збільшенням внутрішніх зусиль.

При варіюванні навантажень і жорсткостей круглих плит було отримано варіанти стабілізованого обпирання плит на основу, що нерівномірно деформується.

Запропоновано алгоритм обчислення осідань і реакцій основи з урахуванням уточнених критеріїв. У результаті моделювання визначено несприятливі схеми деформаційних впливів на плиту 5 і 1а (табл. 1), які можливі при експлуатації споруди.

Таблиця 1

Результати розрахунку фундаментної плити

№	Епюри осідань плити S, м	Епюри опору основи Р, МН/м	№	Епюри осідань плити S, м	Епюри опору основи Р, МН/м
1			1а
2
3			2а
4
5			7
6			8

Особливості взаємодії фундаментних конструкцій з основою, що деформується (підроблювані території), полягають в прогнозованому обмеженні деформації конструкції деформаціями основи, тобто розрахунок плитного фундаменту при взаємодії з основою виконується в результаті зіставлення прогнозованих деформацій основи з допустимими, вони ж і будуть граничними деформаціями конструкцій.

Урахування особливостей роботи ґрунтового масиву підроблюваного об'єкта істотно змінює форму зосереджених деформацій земної поверхні й залежно від товщини й властивостей основи дозволяє знизити розрахункові значення згинального моменту в 1,5-2,5 рази, поперечної сили - в 1,3-2,5 рази.

Розроблено програму „КОНТАКТ - 10с”, яка дозволяє при проектуванні плитного фундаменту на основі, що нерівномірно деформується, обґрунтовано підійти до вибору конструктивного рішення, формування обмежень, урахування максимальних контактних напружень при різних схемах деформування.

Запропоновано типологію фундаментних конструкцій з урахуванням їхніх конструктивних особливостей для застосування в умовах нерівномірних деформацій основи.

Виконаний за багаторічний період аналіз стану будинків і споруд на плитних фундаментах, що експлуатуються в умовах нерівномірних деформацій основи, проведені теоретичні й експериментальні дослідження дозволили сформулювати принципи проектування плитних фундаментів на основі, що нерівномірно деформується, основними з яких є: достовірність розрахунків прогнозованих деформацій земної поверхні на основі аналізу отриманих характеристик; використання моделі змінного коефіцієнта жорсткості основи при навантаженні й розвантаженні, яка дозволяє враховувати спільну роботу плити й основи, що нерівномірно деформується; використання деформаційних критеріїв для оцінювання граничних станів першої групи (граничні деформації стиснення й розтягнення, інтенсивність деформацій, кривизна нейтральної осі, відносні переміщення, перекоси); спільний розрахунок основи, фундаменту й верхньої будівлі з урахуванням фізичної, конструктивної й геометричної нелінійності; врахування складного характеру навантаження із застосуванням реальних траєкторій навантаження.

У четвертому розділі запропоновано метод розрахунку плитних фундаментів круглої форми в умовах нерівномірних деформацій основи при складному навантаженні.

Диференціальне рівняння рівноваги круглої плити має вигляд:

де W₁ - вектор функції прогинів плити;

L - диференціальний оператор, що описує деформації вигину анізотропної круглої плити в полярній системі координат;

D₁ - вектор жорсткостей анізотропної круглої залізобетонної плити в розглянутій точці;

k₁ - коефіцієнт жорсткості основи;

q - зовнішнє навантаження.

Розв'язання рівняння (1) дає значення прогинів плити, через які визначають деформації вигину (кривизни , , крутіння ):

За деформаціями вигину визначають моментні зусилля, а через останні можна обчислити поперечні сили. Поводження залізобетонної фундаментної плити під дією силових і деформаційних факторів має таку графічну інтерпретацію (рис. 10). Під дією додаткових нерівномірних деформацій основи фундаментна плита буде переміщатися й займати положення, описане функцією W₂ (r, ) відносно координатної площини ХОY.

Повні вертикальні переміщення точок серединної поверхні плити W₂ (r, ц) будуть визначатися виразом:

У загальному випадку додаткове переміщення W_i кожної точки i серединної поверхні плити буде складатися з таких складових:

де - рівномірне переміщення фундаменту як абсолютного жорсткого тіла;

- переміщення точки i за рахунок додаткового (від деформаційних впливів) повороту фундаменту на кут ;