close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000103354

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Бадеев Владимир Сергеевич
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФУНДАМЕНТОВ С
ОСНОВАНИЯМИ, УСИЛЕННЫМИ ЦЕМЕНТНОГРУНТОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Специальность - 05.23.02. Основания и
фундаменты, подземные сооружения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград
2005
Работа выполнена в Ростовском государственном строительном
университете
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Логутин Валерий Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент
Клочков Юрий Васильевич
кандидат физико-математических наук
Павлик Галина Николаевна
Ведущая организация: Южно-Российский государственный юхннчсский
университет (ИЛИ)
Защита состоится « 2 1 » декабря 2005 г. в 10 часов на заседании
диссертационного совета Д.212.026.01 в Волгоградском государственном
архитектурно-строительном университете по адресу:
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского
государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан
Ученый секретарь
диссертационного совета
« 18 » ноября 2005 г.
урСи4£М^
Кукса Л.В.
29702
Общая характеристика работы
Актуальность работы. При строительстве новых сооружений и
реконструкции уже существующих часто возникает необходимость передать на
грунты основания значительные нагрузки. В сложных грунтовых условиях эти
нагрузки вызывают большие и зачастую неравномерные деформации
ос1юваний фундаментов сооружений.
Одним из эффективных мероприятий, которые позволяют исключить
неравномерность деформаций, является усиление структурно-неустойчивых
грунтов путем армирования их через направленный гидроразрьш цементногрунтовыми элементами. Использования более дешевых компонентов (цемент,
грунт и т.п.) делает его конкурентоспособным по сравнению с другими
способами.
Однако расчеты оснований, усиленных данным способом, не имеют
достаточного теоретического обоснования и базируются на приближенных
методах. Существующие традиционные методы расчета не учитывают
фактическое расположение армоэлементов, а шаг, толщина и характеристики
элементов входят в расчеты косвенно.
Цель диссертационной работы - разработка методики проектирования
оснований, усиленных элементами повышенной жесткости на основе анализа
напряженно-деформированного состояния армированного массива rpyirra и
учета наиболее важных параметров усиления.
Задачи исследования
1. Исследование физико-механических характеристик цементо-грунта и грунта
между армоэлементами.
2. Исследование
влияния
параметров
усиления
на
напряженнодеформированное состояние основания.
3. Разработка инженерного метода расчета.
4. Апробация
методов
расчета
усиленных
оснований
в
практике
проектирования реальных объектов.
Научная новизна работы
1. В численных исследованиях оснований, армированных плоскими элементами
повышенной жесткости, выявлены параметры усиления и их значения,
наиболее существенно влияющие на НДС.
2. Разработаны рекомендации по определен „^ пгтгцмят1к^т.гу пяпам<УГров
РОС НАЦИОЙДДЬИАЯ
усиления оснований.
ВЙБЛИОТЕК^ .
СП|
•а
"l^tll
3. Разработано на уровне изобретения устройство для создания концентратора
напряжений, за счет которого обеспечивается направленный гидроразрыв
Фунта.
Достоверность исследования. Результаты экспериментальных и
теоретических исследований оснований, усиленных плоскими элементами
повышенной жесткости подтверждаются решением тестовых примеров, а также
сравнением с результатами натурных наблюдений. Все лабораторные
исследования проводились в сертифицированной лаборатории.
Практическое значение и внедрение результатов. Разработанная
методика позволяет:
1) приблизить расчеты в пространственной постановке к повседневной
практике проектирования усиленных цементно-грунтовыми элементами
оснований;
2) расширить спектр проектных решений за счет обоснованного использования
плоских элементов повышенной жесткости, образуемых путем гидроразрыва
грунта;
3) путем назначения оптимальных параметров усиления на объектах
г. Ростова-на-Дону и области в сравнении с традиционными способами
усиления фунтов позволило снизить трудозатраты и стоимость материалов на
20 % .
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались:
- на Международной научно-практической конференции «Усиление
оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений» (Пенза,
2000);
- на
Международных
научно-практических
конференциях
«Строительство» (Ростов-на-Дону, 2000 - 2005).
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований физико-механических характеристик цементофунта и фунта между армоэлементами.
2. Результаты крупномасштабного эксперимента.
3. Результаты компьютерного моделирования пространственной нелинейнодеформированной системы «ленточный фундамент конечной жесткости усиленное основание» численным методом с использованием профаммного
комплекса «ANSYS».
4. Методика проектирования оснований, усиленных цементно-фунтовыми
элементами. ■
Публикации. Материалы исследований опубликованы в 9 печатных
работах.
Структура и объем работы. Диссертация (181 с , 66 рис., 24 табл.)
состоит из введения, четырех глав, заключения (общих выводов), списка
использованных источников (121 наименования) и одного приложения.
Содержание работы
Во введении обосновывается необходимость совершенствование методов
усиления грунтов. Экономические и экологические проблемы требуют поиска
решений, снижающих стоимость и уменьшающих вмешательство в
окружающую среду. Существующие традиционные методы инъекционного
закрепления (силикатизация и ее модификации) офаничены по применению и
отличаются относительно высокой стоимостью.
Новый метод усиления структурно-неустойчивых грунтов путем
армирования их через направленный гидроразрыв цементно-грунтовыми
элементами позволяет создавать в ос1ювании рехулярную систему жестких
элементов с уплотнением грунта и его возможно применять в водонасыщенных
грунтах. Использование более дешевых и экологически чистых компонентов
(цемент, грунт и т.п.) делает его конкурентоспособным по сравнению с другими
способами.
В первой главе рассматриваются различные способы подготовки
оснований и устройства фундаментов при строительстве зданий и сооружений
на структурно-неустойчивых грунтах.
Структурно-неустойчивые и слабые грунты занимают значительную
часть территории России и мира, они залегают в районах наиболее
интенсивного строительства.
К структурно-неустойчивым относятся грунты, существенным образом
меняющие свои характеристики в результате некоторого оказываемого на них
воздействия, природа которюго может быть различна. К такому типу грунтов
относятся просадочные, набухающие и др.
Необходимо заметить, что
основания, сложенные такими грунтами при нагрузках, напряжения от которых
не превышают структурой прочности, обладают удовлетворительными физикомеханическими характеристиками, которые резко ухудшаются при нарушении
структуры, изменении влажности (просадочные грунты) или превышении
напряжениями структурной прочности.
Изучение свойств таких грунтов и методов строительства и эксплуатации
возведенных на них сооружений ведется как в нашей стране, так и за ее
пределами. Большой вклад в решение этих вопросов внесли Ю.М. Абелев,
В.П. Ананьев, В.В. Аскалонов, Ю.А. Багдасаров, Б.В. Бахолдин, Б.Ф. Галай,
В.Г. Галицкий, A.M. Голованов, А.А. Григорян, Я.Д. Гильман, Б.Н. Исаев,
В.И. Кругов, Б.Н. Кузин, В.М. Литвинов, В.В. Логутин, Г.М. Ломидзе, В.М.
Мамонов, Ю.Н. Мурзенко, А.А. Мустафаев, А.П. Пшеничкин, Б.А. Ржаницин,
В.Е. Соколович, Е.А. Сорочан, Н.А. Цытович и др.
При строительстве зданий на слабых и структурно-неустойчивых грунтах
основными причинами деформаций являются неравномерные осадки,
вызывающие разрушения самих фундаментов, стен, колонн, перекрытий.
Выбор технологии усиления оснований и фундаментов зависит от
категории состояния здания, а также категории риСка предполагаемых работ по
консервации, реставрации либо реконструкции. Реконструкция может быть
связана с увеличением нагрузок на существующие фундаменты за счет
надстроек, замены деревянных перекрытий железобетонными, изменения
технологии и пр.
Одним из эффективных мероприятий, которые позволяют исключить
неравномерность деформаций зданий и сооружений в условиях ожидаемого
изменения
гидрогеологической
обстановки,
является
инъекционное
закрепление грунтов основания фундаментов. Достоинством инъекционных
способов является то, что они не только повьппают несущую способность
грунтов, но и придают им новые свойства - водостойкость, долговечность и
высокую прочность. Значительную роль в развитие теории и практики
инъекционного закрепления структурно-неустойчивых грунтов внесли
А.А. Акимов, В.В. Аскалонов, А.М. Голованов, Б.Н. Исаев, А. Камбефор,
М. Люжон, А. Майер, А.Н. Мещеряков, Б.Л. Ржаницин, В.Е. Соколович и др.
Основные инъекционные способы закрепления можно разделить:
а) по технологии нагнетания:
- пропиткой (через забивной инъектор; шнек-инъектор; предварительно
пробуренные скважины; многотампонный инъектор);
- через направленный разрыв (параллельные скважины; инъектор с
резцом);
б) по виду раствора:
- силикатизация (однорастворная, двухрастворная, газовая);
- цементация (цементными растворами как с добавками, так и без них).
Наибольшее распространение в последние годы получил способ
цементации.
В связи с повсеместным поднятием уровня подземных вод и
увлажнением грунтов до состояния водонасыщения и резким удорожанием
силиката натрия его применение стало экономически неэффективным. А
цементация до недавнего времени в основном применялась в трещиноватых
скальных грунтах с удельным водопоглощением не менее 0,01л/минкв.м; в
крупнообломочных грунтах при к> 40 м/сут, а также для заполнения
карстовых полостей и закрепле1гая закарстованных пород.
Основным способом введения растворов в грунт при глубинном
закреплении является инъецирование через скважины. При обычном
инъецировании закрепленный массив образуется из отдельных элементов
закрепленного
грунта
цилиндрической
формы.
Расстояние
межДу
инъекционными скважинами обычно не превышает 2 м. Нагнетание
производится при давлении, которое должно быть ниже давления
гидроразрыва.
Для более направленного проникновения крепящих реагентов в грунт
закрепление грунтов производят с использованием при инъецировании
направленных гидроразрывов, которые позволяют получать в плане
закрепление в виде плоских элементов, расположенных непосредственно под
фундаментом (рис.1). Работы Б.А. Ржаницина, А. Камбефора, Б.Н. Исаева, A.M.
Голованова, С В . Сергеева и др. убедительно показывают, что при
использовании гидроразрывов можно добиться более прогнозируемого
устройства подземных конструкций из закрепленного грунта.
Рис. 1. Схема основания, усиленного плоскими элементами повышенной
жесткосш
Автор диссертации в течение ряда лет принимал участие в
проектировании и отработке технологии усиления оснований фундаментов
реальных зданий и сооружений. На уровне изобретения был предложен способ
для создания направленного разрыва грунта и разработано устройство для его
осуществления. На данное изобретение получено положительное решение.
при расчете деформаций основания повышенной несущей способности
расчетную схему основания применяют в виде линейнодеформируемого
полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи или
линейнодеформируемого слоя. Степень армирования основания определяют в
зависимости от необходимой несущей способности основания. Расчет осадок
основания, армированного элементами повышенной жесткости, проводят
методом послойного суммирования с использованием средневзвешенного
модуля деформации для армированного слоя грунта. Если средневзвешенный
модуль деформации Ещ^ЗОМПа, то осадку определяют кзх Д1ч услорногс
фундамента в виде слоя усиленного цементно-грунтовыми элементами, т.е.
этот слой считается малосжимаемым и его деформациями пренебрегают.
Перечисленные методы расчета основания, армированного вспененными
цементно-грунтовыми элементами через направленный разрыв, не учитывают
фактического дискретного размещения армоэлементов под фундаментом; шаг и
толщина их учитывается косвенно при определении средневзвешенных
характеристик, а длина не учитывается вовсе. Все это может привести к
неправильному определению деформаций основания.
Проектирование оснований по группам предельных состояний связано с
использованием результатов определения его напряженно-деформированного
состояния. Вычисление напряжений и деформаций пространственной системы ленточный фундамент конечной жесткости и основание, усиленное
дискретными элементами повышенной жесткости (рис.1) - аналитическими
методами не представляется возможным. Решение поставленной задачи может
быть получено только численными способами с использованием метода
конечных элементов.
Делается вывод, что для разработки
методики проектирования
оснований, усиленных элементами повышенной жесткости, необходимо
провести лабораторные исследования по определению характеристик
цементно-фунтового
камня,
штамповые
испытания
и
численное
моделирование
напряженно-деформированного
состояния
усиленных
оснований с использованием метода конечных элементов.
Во второй главе приводятся результаты экспериментальных работ.
Исследования по усилению грунтов различными методами ведутся
достаточно давно отечественными и зарубежными учеными - Б.А.
Ржаницыным, В.Е. Соколович, А.Н. Токиным, Б.Н. Исаевым, A.M.
Головановым, Н.Н. Цапковой и др. Первый опыт применения цементогрунта в
фундаментостроении в нашей стране относится к середине 50 - началу 60 - х гг.
Использование методов искусственного улучшения свойств фунтов позволило
получить фактически новый строительный материал. В
дорожном
строительстве, технической мелиорации и в фундаментостроении при
буросмесительном
способе
устройства
свай применялся
цементогрунт
с
содержанием цемента до 20-25 % . Новый этап использования цементогрунта
начался в последние десятилетия в связи с развитием разрывной технологаи,
при которой содержание цемента доходит до 70 % и более.
При усилении грунтов вспененными цементно-грунтовыми растворами в
основании образуются элементы, которые армируют фунтовый массив под
фундаментом. Поэтому необходимой предпосылкой для исследования несущей
способности
и
напряженно-деформированного
усиленных вышесказанным
состояния
оснований,
способом, является наличие достаточно полных
сведени?5 о ■механических свойствах самого цементно-грунтового камня. Ввиду
этого важное значение
приобретает
вопрос
основных механических свойств этого камня.
Для
оснований,
усиленных
о комплексном
цементно-грунтовыми
определении
элементами,
необходимо знать следующие прочностные и деформационные характеристики
этих элементов:
A ) пределы прочности при сжатии ( R ) , растяжении ( R J ;
Б) модуль деформации (ЕсО; коэффициент Пуассона (v^);
B ) удельное сцепление (Ccs); угол внутреннего трения (ф,;)-
Для комплексного определения этих характеристик были проведены
испытания цементно-грунтового камття, полученного из вспененных це.ментногрунтовых растворов путем их формования в лаборатории, а также в ходе
отбора контрольных образцов из-под фундаментов.
Механические характеристики (R, E^s, v „ , Ccs, (рс<) зависят от содержания
цемента
в
твердой
фазе
(цемент,
грунт)
и
вида
фунта.
Параметры
определялись при содержании цемента Q..^ от 10 % до 70 % , в качестве фунта
брался суглинок с числом пластичности 7-12 (рис.2).
Комплексное определение основных прочностных и деформационных
характеристик цементно-фунтового камня позволило выявить корреляционные
связи между ними и содержанием цемента:
R = 3,4х lO-'g", - 6,1 X1 Q-'Ql + 0,0370^ - O J g , + 4,66;
i „ = -1,7 X10-" е^ + 3,54 X10-- e;. - 2,756^ + 96,3^', -1433е„ + 7543;
с
(1)
(2)
= 1,72x10"" a ' + 2 , 8 4 x 1 0 " ' О ' - 60,24 х 10"'О* +4,32x10"'О' -
-0,01296^,'+ 0,174^,,-7
ф„ = 6,744LfiQ^, + 22,859;
(4)
10
б)
а)
о 10 20 30 40 50 60 70 80
О 10 20 30 40 50 60 70 80
Содержание цемента Qcs
Содержание цемента Qcs
в)
г)
I
е
60 -тг
50 т
40 '
30 20 1!
f
о
10 20 30 40 50 60 70 80
Qcs
i
10 t10 20 30 40 50 60 70 80
Содержание цемента Qcs
Рис.2. Зависимости между физико-механическими характеристиками
цементно-грунтового камня и количеством содержания цемента
Не менее интересным является вопрос о корреляционной связи между
самими характеристиками. Поскольку все характеристики определялись
комплексно, то можно выявить зависимость между ними. Наиболее интересной
является зависимость между прочностью (R) и модулем деформации (Ecs), так
как, определив прочность образца на одноосное сжатие, можно вычислить
модуль деформации, что сокращает количество экспериментов:
Е, -31,4Л^ -325,7Л^. +1150Л„ -214,5
(5)
Полученные экспериментальные данные применяются в проектах
усиления оснований фундаментов при подборе составов и при расчетах
закрепленного массива грунта. Также они внесены в составляемые
территориальные строительные нормы.
Для
определения
изменения
характеристик
грунта
между
армоэлементами автором было проведено исследование на площадке здания
перехода, расположенного по ул. 2-я Краснодарская, 147 в г. Ростове - на Дону. Образцы грунта отбирались из шурфа, выкопанного на площадке и
обнажившего армоэлементы (рис.3).
1-1
1
и ^
t
i
J
у о
.
Рис. 3. Схема отбора образцов между армоэлементами
I - армоэлемент; 2 - фундамент; 3 - места отбора проб
По результатам испытаний были построены графики зависимости
Р,=Ят) и Е=АГг) (рис. 4).
1
-iT
f
ё
J.i9
l.iH
i.y/
1.56
1.55
t5 1.54
0,5M
J
SA
я о
%■
S 4
t
a 0
0,5M
PHC.4. Графики изменения плотности грунта в сухом состоянии и модуля
деформахщи от расстояния до армоэлемента
" - • - Значение между армоэлементами; — - - фоновое значение
12
При усилении оснований элементами повышенной жесткости при шаге
элементов, равном 1м, наблюдается увеличение среднего значения плотности
грунта в сухом состоянии до 2 % , а средний модуль деформации возрастает в 2
раза, что говорит об уплотнении грунта между армоэлементами. По
полученным зависимостям были найдены формулы для определения средних
значений плотности грунта в сухом состоянии и модуля деформации от шага
армоэлементов.
P,=P^-0.0033Ln(a^)
E = E„-l.l39Ln(a^)
+ 0,0206;
+ 2^6,
(6)
(7)
где
р^оя Eg- фоновые значения соответственно плотности грунта в сухом
состоянии и модуля деформации;
Ocs - шаг армоэлементов.
Далее приводятся результаты полевого эксперимента.
Экспериментальная
площадка
располагалась
на
территории
хирургического корпуса БСМП в г. Шахты Ростовской обл.
По данным инженерно-геологических изысканий 2000 г., грунтами
основания опытного штампа служат лессовидные макропористые желто-бурые
суглинки, просадочные до 2,8-3,2 м. Г^юсадочный слой грунтов подстилается
аналогичными непросадочными суглинками. Уровень грунтовых вод
зафиксирован на глубине 3,8-4,0 м. Просадка фунтов от действия собственного
веса при замачивании не превышает 1 см. Тип грунтовых условий по
просадочности /.
На начальном этапе испытаний были пробурены четыре дренажные
скважины 0127мм, глубиной 4 м. Затем скважины были заполнены щебнем.
После этого производилось усиление грунта методом цементации (рис.5). Для
этой цели применялся цемент марки 400. Для создания усиленного массива
грунта инъекцию раствора осуществляли через четыре скважины, пробуренные
на глубину 2 м, площадь в плане укрепленного массива грунта составляла
1,7х1,7=<2,89 м^. Нагнетание раствора велось одновременно в двух
противоЛоложных скважинах, с образованием разрыва в направлении между
ними. Расход цемента составил 8 % от веса сухого грунта.
Нагрузка на фунт передавалась через жесткий круглый штамп диаметром
80 см. Штамп возводился в котловане глубиной 0,5 м после расчетного набора
прочности армирующего материала (цементного камня) - через 30 суток. Рядом
со штампом на расстоянии 1 м устраивались анкерные сваи, которые
соединялись с продольной упорной фермой, воспринимающей реактивное
давление фунта.
13
Наблюдение за осадками штампа велось при помощи четыре:
прогибомеров системы Аистова, закрепленных на балке, которая в свок
очередь крепилась на двух реперах. Величина осадки штампа на каждо!
ступени нагрузки определялась как среднее арифметическое осадок
полученных по прогибомерам.
Рис.5. Схема штамповых испытаний усиленного методом цементации основа
ния
1- места бурения скважин под инъекторы; 2- жесткий штамп; 3- дренажные
скважины; 4- котлован; 5- цементно-грунтовый армоэлемент; 6- анкерная свая;
7- слой гравийно-песчанной смеси
Замачивание грунта под штампом проводилось после достижения и
стабилизации деформаций от нагрузки, равной 0,3 МПа. В водонасыщенном
состоянии основания эксперимент проводился до нагрузки 0,5 МПа. Для
оценки результатов исследований на усиленном основании были проведены
штамповые испытания
на незакрепленном грунте. Наибольшая осадка
усиленного основания составила 0,422 см, а осадка естественного основания 2,9 см. По результатам испытаний были определены модули деформации
грунтов. Модуль деформации усиленного основания в 10 раз выше модуля
естественного грунта.
В третьей главе приведены результаты исследований НДС основания,
усиленного элементами повышенной жесткости.
Проведен анализ различных программ, реализуюищх численные методы
расчета. Сделан вывод, что для решения поставленных в диссертации задач
наиболее рациональным является использование программного комшшкса
«ANSYS», основанного на методе конечных элементов. Всего было решено
около 200 задач при различных сочетаниях параметров усиления.
В первой серии численных экспериментов определена степень влияния на
конечный результат регулируемых параметров расчета - размеров расчетной
14
области, моделирующей полупространство, частоты сетки узлов конечных
элементов и др.
На частных примерах показывается достоверность результатов
вычислений по М К Э сходимостью с результатами определения по СНиП, с
натурными экспериментами (погрешность менее 5 %).
По результатам определений НДС оснований с различными параметрами
усиления было выявлено существенное влияние каждого параметра на
конечный результат (рис.6, 7). Поэтому при проектировании оснований,
усиленных элементами повышенной жесткости, необходимо учитывать
влияние различных факторов (содержание цемента в цементно-грунтовом
растворе, шаг армоэлементов, глубину усиления, толщину элемента и т.д.) на
эсадку основания сооружения.
^
!
1.-с;
:_!;
о»
Oi
О.П
1
1JS и
17S
2
шаг армозлеивнпя, м
гЯ
i-MIC3 —со сред||(ц|а»811|«ннм«| шцул»м|
5-ГL
, i
'
I
[_-i—L
| 4 ^ - J
?з
8'
1
1
_
1
4
5
оопврмание цмивктв, %
1
1
1J
-
1
1
— 1 — J
t
г> 2,79
«
7
1
i
1
^-J
Т71убина, M
I-«-МКЭ: — еосредневзаешенным модулем |[
||-»-МКЭ, —сосрадне8>вешенныимадупем| J
Рис.6. Влияние п^аметров усиления на деформации основания
IS
вертикальные напряжения, Па
50000
г ff
ЧЧ'-л#
100000
150000
2000С0
вертикальные напряжения, Па
250000
500000
tC-i^ '—-У
?*■
вертикальные напряжения, Па
50000 100000 150000 200000 2500001
I'
а
-4
в
.А
!
1000000
1600000
r^'Jj'-^-^
/уУ^^^^^^^г^
2000000
к-'
вертикальные напряжения, Па
50000
ЮОООО 150000 200000 250000<
Рис. 7. Эпюры вертикальных напряжений по глубине при различных
сочетаниях параметров усиления
Исследования деформационных
свойств
усиленного цементногрунтовыми элементами
грунта и нахождение оптимальных параметров
режимов усиления требуют большого объема экспериментальных и
теоретических работ. Повышение эффективности и объема этих исследований
является актуальной задачей. Успешное решение проблемы стало возможным
благодаря применению методов математического планирования экспериментов.
Работы были начаты Р.Фишером еще в конце 20-х гг., а затем получили свое
дальнейшее развитие в трудах Ж.Бокса, К.Уилсона, В.В.Налимова,
Ю.П.Адлера, В.А.Вознесенского и ряда других ученых. В область задач,
решаемых с помощью теорий эксперимента, входят задачи оптимизации и
интерполяции, оценки и выбора наиболее существенных факторов, влияющих
на данную систему, и ряд других задач.
Параметром оптимизации в данной работе являлось изменение
расчетного сопротивления (Rcs/R) (R^s - расчетное сопротивление основания,
усиленного элементами повышенной жесткости; R - расчетное сопротивление
естественного основания) и осадки (Scs/S) (Scs - деформации основания,
усиленного элементами повышенной жесткости; S — деформации естественного
основания) основания, усиленного цементно-грунтовыми элементами. В
качестве входных параметров выбирались факторы, наиболее существенно
воздействующие на исследуемую систему. В работе такими факторами
являлись:
16
1) Qc5 - содержание цемента в вспененном цементно-грунтовом
растворе, %
2) a^s - шаг армоэлементов, м
3) Scs. - толщина армоэлемента, м
4) hcs- глубина усиления, м
Для проведения численных
экспериментов
с
использованием
программного комплекса «ANSYS» была составлена матрица планирования для
четырехфакторного эксперимента с применением композиционного плана
полного факторного эксперимента (ПФЭ).
Результаты зависимости изменения осадки усиленного основания
интерпретированы в виде полинома первой степени плюс !п(Ь^УН)
~(^J
о
= b„ +ib,x,+±b,
.=1
^х, ....-х^ ^b„Lnf^').
/.1
где {Ь} - коэффициент теоретического уравнения регрессии;
x~(xi.. .Xn)=(Qcsi, acs,, 6cs„ hc,|/H) - факторы, определяющие исследуемый
параметр;
п - количество всех факторов.
Поскольку армоэлемепты располагаются перпендикулярно ленточным
фундаментам непосредственно под ними и выходят за их грани, то численное
моделирование системы «фундамент - армированный массив — грунтовая
среда» производилось методом конечных элементов в пространственной
постановке задач на программном комплексе «ANSYS» . Вычис;гения
проводились для жесткого ленточного фундамента на основании,
армированном
цементно-грунтовыми
элементами,
расположенными
перпендикулярно фундаменту.
При моделировании эксперимента оставались неизменными для всех
опытов: размеры ленточного фундамента, который принимался шириной Ь=1 м
и длиной /=10 м с физико-механическими характеристиками, как для бетона, т.е
модуль деформации Ef= 26700 МПа, коэффициент Пуассона Vf= 0,1; давление
по подошве фундамента принималось р = 0,3 МПа. Вычисления проводились
без учета собственного веса грунта. Физико-механические характеристики
основания расчетной модели приняты следующими: модуль деформации
Е=13 МПа. а коэффициент Пуассона v = 0,35.
В качестве эталона для сравнения с различными вариантами
характеристик усиления был принят жесткий ленточный фундамент на
однородном основании. Для сравнения с результатами счета на программном
комплексе «ANSYS» и по СНиП 2.02.01-83* была определена осадка
ленточного фундамента по расчетной схеме линейно деформируемого
(8)
17
полупространства по методу послойного суммирования с ограничением
сжимаемой толщи.
Были определены зависимости по типу (8). Ниже представлена
аппроксимирующая регрессионная модель для оснований, усиленных
цементно-грунтовыми
элементами,
направленными
перпендикулярно
фундаменту, связывающая изменение осадки таких оснований и исходных
параметров усиления:
S, <9=Г0,25? -5,Я0х 1 П-^0,+0,117fl,,-O,89^<^,,+0 404?»J.tr 7,7х 1 ()-*Г) ,л^_ +
+0,0157Q,^^~O,0042Q,MH+0,0622a,JiJH-l,237SJiJH-0,l36Lniih,/Hf)]
хк,хк„
(9)
it, =1,02-0,53х^ + 0 . 2 х ^ х 1 и Г 1 , ;
н
kf-Yfi^,
где
х
(10)
н
(11)
Eg- средневзвешенный модуль деформахщи, определяемый с учетом
площади эпюры вертикальных напряжений;
Н- глубина сжимаемой толщи;
El - модуль деформации слоя.
При расчете деформаций основания с использованием указанных в
СНиП 2.02.01-83*
расчетных схем среднее давление под подошвой
фундамента не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания
R, кПа, определяемого по формуле (7) СНиП 2.02.01-83*, которое находится
исходя из условия, что зоны пластических деформаций под краями равномерно
загруженной полосы равны четверти ее ширины.
Для определения пластических деформаций в «ANSYS» была выбрана
упруго-пластическая модель Друкера-Прагера с известными из испытаний
грунтов по ГОСТу механическими параметрами (модуль деформации,
коэффициент Пуассона, угол внутреннего трения и силы удельного сцепления).
Упругопластическое решение предполагает упругое поведение среды при
напряжениях ниже предела текучести и простое равнообъемное пластическое
течение при напряжениях на пределе текучести. Данная опция использует
внешнее коническое приближение к закону Кулона-Мора.
Вычисления по определению расчетного сопротивления усиленного
основания производились в 2 этапа: на первом этапе моделировалось
напряженное состояние от собственного веса грунта, на втором - напряженнодеформированное состояние от постепенного равномерного увеличения
18
нагрузки по подошве фундамента. Расчетное сопротивление основания
определялась нафузкой, при которой зоны пластических деформаций
развивалась на глубину, равную четверти ширины подошвы фундамента,
непосредственно под ним и под армоэлементами.
Рис. 8. Расчетная схема ленточного фундамента:
а) без армоэлементов; б) с учетом армоэлементов; 1 - ленточный
фундамент; 2 - расчетная область
Результаты
зависимости
изменения расчетного
сопротивления
усиленного основания интерпретированы в следующем виде:
^
л
= Ьо+±Ь.х.+±Ь,.Л---^.^Ь,Х+^
м
(-1
+ Ь,,х^"+^.
Xj
(12)
Х^
Были определены зависимости по типу (12). Ниже представлены
аппроксимирующие регрессионные модели для оснований, усиленных
элементами повышенной жесткости, связывающие изменение расчетного
сопротивления таИйх бсйований и исходных параметров усиления:
под подошвой фундамента:
R
• ''
-^ = - 0,22+0,058е«+0,6а„+10,74,-1,25А„-,032е.А.+0,025аЛ,+0,523а^^«+
Л
17,58<5„А„-0,01е«а.А.-0,28е«<5^«-9,16а^.Л,+0,17аА^«А«+2,37/а,,-2^3/А„
'
(13)
под армоэлементами:
% =0,631 -Ю,(Ю7б„-0,567а„+9,35<5„+0,6Л„-0,0074б„А„-3,534Л. +
R
-1-0,043аЛЛ.+3,11/е„+0,984/й„+0,044М„-0,74/й„,
(14)
19
где
R - расчетное сопротивление естественного основания, определенное
по формуле (7) СНиП 2.02.01-83*;
Ra ~ расчетное сопротивление основания, усиленного элементами
повышенной жесткости.
Автором разработана компьютерная программа «Армомассив», которая
позволяет определить оптимальное сочетание параметров усиления (рис. 9).
8асп данных
Осад» ^ и ржхпмоп) солрошвления (R)
ecieciaqiiium ooiceaiiiin
ВВС» Шубины
иединтныхрасценок
усиления
Определение
Осад» ( ^ и расчатного соцдпмалениа (R.;
усиленного осноаания
Корректировка параметров усиления
а>«0,1. IWtO,oi; CW>SK
Выбор микималыюго значениа
епмиюет Id'yewwam
Вывод значений параметров усиления,
осадки и раетатнога оолроттления
при мннималыюм жачании
стоимости 1м'усилени)1.
т
ЮНЕЦ
Рис. 9. Блок-схема программы «Армомассив»
Предлагается расчет оснований, усиленных элементами повышенной
жесткости, производить в следующей последовательности. На первом этапе в
программу вводится информация о размерах фундамента (ширина, длина),
давлении по его подошве, глубине заложения фундамента и глубине подвала
(если он есть). Далее вводятся физико-механические параметры основания
ленточного фундамента и назначается величина допустимой осадки здания
исходя из требований СНиП.
После этого на основе введенньпс данных профаммой рассчитывается
значение осадки и расчетного сопротивления естественного основания согласно
требованиям СНиП. Далее производится проверка выполнения условия того,
что вычисленные значения осадки не превышают максимально допустимого
значения, а нагрузка по подошве фундамента не превышает расчетного
20
сопротивления основания. Если условие не вьтолняется, то назначается
глубина усиления.
После введения необходимых данных для усиления основания
программой по формулам (9), (13), (14) вычисляются значения осадки и
расчетного сопротивления основания, усиленного плоскими элементами
повышенной жесткости. Причем расчетное сопротивление определяется под
фундаментом и под армоэлементами, в дальнейших расчетах участвует то
значение расчетного сопротивления, которое оказалось меньшим. Далее
проверяется условие того, что осадка усиленного основания не превышает
допустимого значения, а нагрузка не превышает расчетного сопротивления.
Если условие выполняется, то производится расчет стоимости W усиления.
Расчет усиленного основания производится для множества возможных
значений параметров усиления (шаг и толщина элементов, содержание
цемента). Если условие не выполняется, то стоимость усиления не определяется
и расчет продолжается для других значений параметров.
После перебора всех возможных параметров программа выбирает такие
их значения, при которых стоимость 1 м усиления оказалась минимальной, а
значения осадки и расчетного сопротивления удовлетворяют вышеупомянутым
условиям. И в конце работы программы на экран выводятся значетшя этих
параметров, осадка и расчетное сопротивление усиленного основания, а также
стоимость 1 м^ усиления.
И на последнем этапе возможно вьшолнение поверочного расчета
напряженно-деформированного состояния основания, усиленного элементами
повышенной жесткости, с использованием параметров, найденных по
программе «Армомассив», на одном из программных комплексов, например
«ANSYS», который позволяет учитывать дискретное расположение
армоэлементов в плане. Как показали многочисленные вычисления разница
определения осадок по составленной программе и по М К Э не превышает 5 % ,
расчетного сопротивление - 10 % .
Предложенный порядок проектирования оснований, усиленных
элементами повышенной жесткости, позволяет учитывать влияние всех
параметров усиления (Qcs, a^s, S^, hcs) на НДС основания и вместе с тем
сократить время на поиск их оптимального сочетания необходимьпс
параметров.
В четвертой главе применение разработанной методики показывается
при проектировании усиления оснований реальных сооружений.
С целью прекращения неравномерных деформаций здания ОАО К Б
«Инкомбаню> в г. Ростове-на-Дону по проекту, разработанному автором, был
применен метод усиления основания фундаментов цементно-грунтовыми
элементами (рис.10).
21
J
62.95
«UA,
60.»7
4м
tl'I
'LL_М'
Ur
I i
i6^
Рис.10. Узел усиления основания под фундаментами: а) двухэтажной части;
б) трехэтажной части
На площадке производства работ усиление основания осуществляли через
направленный гидроразрыв путем введения в образовавшуюся плоскость
разрыва цементно-грунтового раствора. Необходимое количество раствора
определялось из расчета усиленного основания, который производился по
предложенной автором методике и уточнялся расчетом по М К Э на
программном комплексе «ANSYS». Значение расчетного сопротивления
усиленного основания, определенного по программе «Армомассив» и по МКЭ,
различались не более 7%. Осадки основания - не более 5 % .
По описанной методике было также запроектировано усиление основания
фундаментов здания Г У Банка России по Ростовской области, которое
подвергалось деформациям с начала эксплуатации (1915 г.). Это здание
упоминается также в книге Абелев Ю.М., Абелев М.Ю. «рсновы
проектирования и строительства на просадочных грунтах». После усиления
основания фундаментов осадки стабилизаровались. Экономический эффект от
применения оптимальных параметров усиления составил ZSJTbic. р. Применение
предложенной методики на других объектах также дало экономический
эффект.
Проводимые
инструментальные
наблюдения
показывают,
что
деформации оснований зданий стабилизируются и не превышают допустимых
для данной категории зданий значений. В настоящее время все здания
эксплуатируются нормально.
22
Общие выводы
1. Проведены лабораторные исследования по определению прочностных и
деформационных характеристик цементно-грургтового камня. Установлены
зависимости между характеристиками и количеством содержания цемента,
которые позволяют проектировщикам полнее использовать свойства
оснований усиленных элементами повышенной жесткости. Полученные
результаты вошли в составленные ТСН по Ростовской области.
2. Полевые эксперименты показали, что усиление основания цементногрунтовыми элементами позволяет значительно повысить прочностные и
деформационные характеристики грунтов, а также существенно снизить
осадки и ликвидировать или значительно снизить просадки основания.
3. В результате многократных численных экспериментов по определению
трехмерного напряженно-деформированного состояния системы жесткий
фундамент - основание, усиленное плоскими элементами повышенной
жесткости, установлены зависимости деформаций
и
расчетного
сопротивления от параметров усиления (шаг, размеры армоэлемснтов,
содержание цемента в них).
4. По результатам численных экспериментов предложен новый метод расчета
оснований, усиленных элементами повышенной жесткости и создана
программа для его осуш;ествления.
5. Составлена программа «Армомассив», которая позволяет подобрать
наиболее оптимальное сочетание всех параметров усиления, т.е. такое
сочетание, при котором стоимость 1 м^ усиления минимальна, а
деформации и расчетное сопротивление усиленного удовлетворяют
требованием СНиП.
6. Использование предложенного метода проектирования усиленных
оснований под реальными объектами позволило снизить (по сравнению с
традиционными методами расчета) расход материалов на 20 % , стоимость
затрат - на 128-250 тыс.р.
Основные положения диссертации и результаты
публикованы в следующих работах:
исследований
. Логутин В.В., Рево В.И., Бадеев B.C. Применение инъекционного
закрепления грунтов при реконструкции зданий // «Строительство - 2000»:
Материалы Междун^зодной научно-практической конференции. - Ростов
н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2000.
. Логутин В.В,, Бадеев B.C., Исаев Б.Н. Прогрессивные проектные решения
при реконструкции здания в г. Ростове - на - Дону // Усиление оснований и
фундаментов аварийных зданий и сооружений: Материалы Международной
научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний,
2000.
23
3. Логутин В.В., Бадеев B.C. Исследование метода закрепления грунтов осно­
вания зданий и сооружений // «Строительство - 2001»: Материалы Между­
народной научно-практической конференции. - Ростов н/Д: Рост. гос.
строит, ун-т, 2001.
4. Логутин В.В., Бадеев B.C. Обеспечение эксплуатационной надежности
здания центральной части г. Ростова - на - Дону // «Строительство - 2002»:
Материалы Международной научно-практической конференции. Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2002.
5. Бадеев B.C. Исследование прочностных и деформационных свойств
вспененного цементогрунта // Известия Ростовского государственного
строительного университета. - 2003.- №7.
6. Бадеев B.C. Усиление грунтов при строительстве 4-х этажного
административного здания в г. Ростове - на - Дону // Известия
Ростовского государственного строительного университета. - 2004. - №8.
7. Логутин В.В., Бадеев B.C., Кузнецов М.В. Выбор оптимального шага
армоэлементов с учетом стоимости работ по усилению грунтов //
«Строительство - 2004»: Материалы юбилейной международной научнопрактической конференции. - Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2004,
8. Логутин В.В., Бадеев B.C. Расчет оснований, усиленных элементами
повышенной жесткости // Изв.вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн.наукн. 2005. №
9. Исаев Б.Н., Бадеев С.Ю., Бадеев B.C.,
Кузнецов М.В. Патент на
изобретение №2260092 Р.Ф. Способ усиления грунтов и устройство для его
осуществления / Заявка №2003135446; Заявл. 04.12.2003; Опубл. 10.09.2005
Бюл. Изобр. № 25.
Подписано в печать 15.11.05. Формат 60x84/16. Ризограф. Бумага белая.
УЧ.-ИЗД.Л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 332.
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета
344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
Ц2275 q
РНБ Русский фонд
2006-4
24702
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 017 Кб
Теги
bd000103354
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа