Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Основы и фундаменты

Диссертационная работа:

Омельчак Игорь Михайлович. Основы расчета свайных фундаментов с учетом реологических свойств грунтов основания : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.02 : Пермь, 2003 369 c. РГБ ОД, 71:04-5/461

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О РАСЧЕТЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ ВЯЗКОУПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ 17

1.1. Основные решения об упруго иластнческом и вязко упругопластическом распределении напряжений и несущей способности основания 17

1.2. Методы расчета длительных осадок свайных фундаментов 38

1.3. Постановка проблемы расчета осадок свайных фундаментов

с учетом реологических свойств грунтов 44

1.4. Выводы по 1-ой главе 46

ГЛАВА 2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОГРУЖЕНИЯ ЗАБИВНЫХ СВАЙ

В ГРУНТОВЫЕ МАССИВЫ 48

2.1. Основные теоретические положения 48

2.1.1. Общая постановка задачи 48

2.1.2. Экспериментально-теоретические основы модели динамического поведения грунта 53

2.2. Расчетная схема задачи о динамической забивке свай 64

2.3. О численной реализации задачи динамического погружения сваи 72

2.4. Результаты расчетов 78

2.5. Выводы по 2-ой главе 95

ГЛАВА 3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ КВАЗИСТАТИКИ ДЛЯ СИСТЕМЫ "СВАЯ-ГРУНТ" С УЧЕТОМ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ 98

3.L Алгоритм численного моделирования квазистатики взаимодействия системы "свая-грунт" 99

3.1.1. Общая постановка задачи 99

3.1.2. Физические соотношения для материалов системы "свая-грунт" 102

3.1.3. Метод конечных элементов для решения задач квазистатики с учетом реологических свойств грунтов 121

3.1.4. Программный комплекс "ELAST PL AST 123

3.2. Результаты расчетов для одиночных свай 126

3.2.1. Расчет зависимостей "время-осадка" 126

3.2.2. Построение расчетных заиисимостсП "нагрузка-осадка" для одиночных свай 133

3.3. Результаты расчетов для ленточных свайных фундаментов 136

3.4. Результаты расчетов для свайных кустов 170

3.4.1. Расчет зависимостей "время-осадка" 170

3.4.2. Построение расчетных зависимостей "нагрузка-осадка" для кустов свай 177

3.5. Выводы по 3-й главе 189 192

ГЛАВА 4. ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

4.1. Расчет несущей способности свайных фундаментов 192

4.2. Практический метод расчета длительных осадок свай и свайных фундаментов 203

4.3. Результаты расчетов свайных фундаментов 211

4.3.1. Расчет несущей способности двухрядного ленточного свайного фундамента 211

4.3.2. Расчет несущей способности свайного куста из четырех свай 212

4.3.3. Пример расчета осадки одиночной сваи 214

4.3.4. Пример расчета осадки свайного фундамента 215

4.4. Выводы по 4-й главе 227

ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ОСАДКАМИ

ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ 229

5.1. Экспериментальные исследования на опытных площадках 229

5.2. Результаты наблюдений за осадками жилых зданий 233

5.3. Результаты наблюдений за осадками промышленных сооружений 257

5.4. Выводы по 5-й главе 284

6. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 285

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 289

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС "PILE GROUND" 310

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС "ELAST PL AST"  

Введение к работе:

Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении неразрывно связано с разработкой новых расчетных методов, которые позволяют более достоверно описывать взаимодействие фундаментных конструкций и грунтов основания при передаче нагрузок от зданий, сооружений и технологического оборудования. По данным НИИОСП им. Н.М. Гер сева нова годовой объем затрат на устройство фундаментов в настоящее время составляет 4 млрд. рублей (в ценах 1984 г), в том числе свайные фундаменты составляют 28-30%. Широкое внедрение свайных фундаментов обусловлено их надежной работой в различных инженерно-геологических и климатических условиях, повышением этажности и высотности зданий, увеличением масс технологического оборудования, использованием неблагоприятных строительных площадок.

Проблема оптимального проектирования и возведения свайных фундаментов приобрела особую актуальность в связи с переориентацией строительного комплекса на рыночные отношения, когда повышается объективная заинтересованность всех подразделений отрасли в снижении затрат за счет уменьшения себестоимости выполняемых работ. Особенно остро эта проблема стоит при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях, в которых свайные фундаменты являются зкономически выгодными по сравнению с фундаментами на естественном основании и нередко единственным возможным типом фундаментов. Деля затрат на возведение подземной части зданий и сооружений в таких грунтовых условиях составляет 30%.

Выполненные в НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, Московском инженерно-строительном университете, Санкт-Петербургском инженерно-строительном университете, Санкт-Петербургском государственном техническом университете, Пермском государственном техническом университете, МарГТУ, СарГТУ и других организациях экспериментально-теоретические исследования позволили существенно расширить знания о взаимодействии свайных конструкций с грунтом основания, усовершенствовать нормативные материалы по расчету и проектировании в различных инженерно-геологических условиях. На основании полученных результатов нормативные расчетные значения сопротивления грунта под нижним концом свай обоснованно увеличены на 10-30%, а нормативная несущая способность свай - на 30-50%.

В то же время в нормативных рекомендациях в качестве основной задачи продолжает рассматриваться максимально нагруженная одиночная свая, предельное сопротивление которой определяется опытным или расчетным путем, а переход к несущей способности фундамента производится простым суммированием несущей способности свай в составе фундамента. Этот подход не всегда соответствует повышению надежности и экономичности проектных решений свайных фундаментов.

На заседании технического комитета по свайным фундаментам Международного сообщества по механике грунтов и геотехнике (Германия, Гамбург, 1997 г.) было отмечено, что приоритетным направлением снижения стоимости и материалоемкости свайных фундаментов является совершенствование методов расчета с учетом действительных условий работы свай в фунтах.

Принятый в нормах метод расчета осадок свайных фундаментов основан на решении задач теории упругости, ограниченной рамками гипотезы об обратимости процесса деформирования и не позволяет с необходимой достоверностью рассчитывать несущую способность и осадки свайных фундаментов.

Исследования, проведенные в последнее время в Гидропроекте, НИИОСП им. JI.M. Герсеванова, Map ЛГУ, Пермском ГТУ позволили разработать упругопластические модели систем "свая-грунт" и "свайный фундамент-грунт", учесть взаимовлияние свай в составе фундаментов, физическую и геометрическую нелинейность деформирования грунтов.

Использование современных ЭВМ позволило создавать пакеты программ для НОРОЙ методологии исследования взаимодействия систем "фундамент-основание" на всех фазах нагружения, осуществлять численную реализацию разработанных моделей, разработать методологию многовариантного проектирования и технико-экономической сравнимости полученных решений. В то же время необходимо отметить, что используемые в настоящее время модели механического поведения грунта требуют определения параметров, получаемых из трудоемких опытов на приборах объемного сжатия, серийное производство и оборудование которых пока не осуществлено.

Результаты высокоточных геодезических наблюдений за осадками зданий и сооружений, анализ развития механики грунтов, тенденций отечественного и зарубежного фундаментостроения показывают, что перспективным направлением исследований взаимодействия фундаментов и оснований является учет реологических свойств грунтов, то есть вязкого деформирования под действием постоянных и переменных нагрузок. Сохранность зданий и сооружений на грунтах с реологическими свойствами в большей степени зависит от скорости накопления осадок смежных фундаментов, чем от величины абсолютной осадки сооружения, так как при значительной скорости осадки пластическое течение элементов несущих конструкций под действием дополнительно возникающих в них нерасчетных усилий может перейти в хрупкое разрушение.

Осадка фундаментов во времени достоверно может быть рассчитана при учете длительных сложных физических процессов, которые возникают при передаче нагрузок на грунты с реологическими свойствами. Для описания напряженно-деформированного состояния вязкоупругой или вязкоупругопластнческой среды необходимо использовать значительное число параметров, значения которых могут изменяться в эксплуатационный период. Численная реализация этих моделей может быть осуществлена методом конечных элементов (МКЭ), методом конечных разностей (МКР) или методом граничных интегральных уравнений - граничных элементов (МГИУ, МГЭ).

В работах Н.Л. Цытовича [231-234] отмечена перспективность анализа длительного взаимодействия системы "фундамент-основание" с позиций наследственной теории ползучести грунтов. В работах С. С. Вялова [64-67] приведены основные интегральные соотношения и виды ядер ползучести. Использование уравнений теорий наследственной ползучести для экстраполяции длительных осадок фундаментов затруднено из-за неясности определения параметров ядра ползучести. Сложность анализа кваз и статического поведения этой системы обусловлена: неоднородностью ярко выраженных реологических свойств грунта и нелинейным характером взаимодействия сваи с грунтом на границе их раздела. Учету именно этих двух факторов должно быть уделено основное внимание при построении математической модели.

Целью диссертационной работы явилось решение научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, заключающееся в разработке методов расчета осадок свайных фундаментов на основе современных представлений о вязкоупругопластическом деформировании грунтов при динамическом и статическом нагружении.

Для достижения поставленной цели предлагается разработать математический аппарат для численного моделирования поведения системы «свая-груит» с учетом реологических свойств грунтов и напряженно-деформированного состояния грунтов основания, возникающего при забивке свай. Постановка данной краевой задачи должна учитывать основные особенности механического поведения системы «свая-грунт», а именно: упруговязкопластические свойства грунта и условия возможного проскальзывания сваи относительно фунта.

Реализация поставленной цели включает в себя комплекс исследований по следующим направлениям:

1. Обоснование необходимости совершенствования существующих методов расчета осадок свайных фундаментов на основе анализа и обсуждения материалов литературных источников.

2. Проведение комплексных экспериментальных исследований осадок свай и свайных фундаментов с учетом вязкого деформирования грунтов основания.

3. Разработка упругопластической модели динамического погружения забивных свай в грунтовые массивы с учетом их нелинейной объемной сжимаемости и зависимости параметров математической модели от скорости деформирования грунта, а также, с учетом изменения гидростатического давления в зависимости от глубины погружения свай.

4. Разработка программного комплекса для расчета забивных свай на основе упругопластической модели динамического погружения одиночных спай при многократном ударе.

5. Разработка вязко упругопластической модели квазистатического взаимодействия системы "свая-грунт" с учетом реологических свойств грунтов основания,

6. На основе предложенной модели взаимодействия системы "свая-грунт" разработка методов расчета, длительных осадок различных конструкций свайных фундаментов и кустов свай в грунтах, обладающих реологическими свойствами.

7. Разработка инженерного метода расчета несущей способности и осадок свайных фундаментов. 8. Внедрение результатов исследований в практику строительства и наблюдение за действительными осадками свайных фундаментов зданий и сооружений.

Методы и достоверность исследований. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости, пластичности и теории наследственной вязкоупругости и подтверждены результатами многолетних наблюдений за работой свайных фундаментов в Западно-Уральском регионе. В работе использовались современные теоретические методы исследования; аналитический аппарат теории упругости и пластичности, теории наследственной вязкоупругости, математические методы моделирования, современные численные методы.

Достоверность результатов натурных исследований подтверждается большим количеством экспериментов, а также практикой проектирования и строительства сооружений, возводимых на свайных фундаментах. Результаты теоретических исследований подтверждаются данными натурных исследований. Наблюдения за осадками показывают, что расхождение экспериментально наблюдаемых величин от теоретически предсказанных отличаются не более чем на 20%. Многолетние наблюдения за состоянием фундаментов показали, что отклонений фундаментов от проектного положения нет (1950 - 2000 гг.).

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые, комплексно решены следующие вопросы:

1. Проведены исследования длительных осадок свай и свайных фундаментов в грунтах со сложными реологическими свойствами. 

2. Разработана упругопластическая модель динамического погружения забивных свай с учетом нелинейной объемной сжимаемости, зависимости параметров грунта от скорости деформирования, изменения гидростатического давления с ростом глубины погружения свай.

3. На основе теории наследственной вязко упругости и теории малых упругопластических деформаций разработана модель кваз и статического поведения системы "свая-грунт" с учетом напряженно-деформированного состояния фунтов возникающего после забивки свай. Предложена методика определения реологических параметров, которые позволяют в значительном диапазоне нагрузок и времени достоверно описывать длительное взаимодействие системы "свая-грунт".

4. На основе разработанной вязко упругопластической модели предложены методы расчета длительных осадок забивных призматических и пирамидальных одиночных свай, ленточных свайных фундаментов, кустов свай в грунтах со сложными реологическими свойствами.

5. Разработаны инженерные методы расчета несущей способности и длительных осадок свайных фундаментов, которые позволяют их применять при проектировании жилых зданий и промышленных сооружений.

Практическое значение работы. Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре "Основания, фундаменты и мосты" Пермского государственного технического университета в период 1980-2000 гг.

Разработана методика энергетической оптимизации забивки свай, предложены методы расчета упругого и остаточного "отказа", разработаны методы прогноза полных и длительных осадок призматических и пирамидальных свай и свайных фундаментов в грунтах со сложными реологическими свойствами.

Использование научных разработок в практике строительства позволило существенно снизить топливно-энергетические затраты и экономить сырьевые ресурсы при устройстве свайных фундаментов при безусловной их надежности в период строительства и эксплуатации.

Использование полученных данных в практике строительства показало, что нагрузки на свайные фундаменты могут быть во многих случаях увеличены на 15-20%, а при контакте ростверка с грунтом в некоторых случаях на 30% и более.

Реальный экономический эффект от внедрения научных разработок в практику строительства составил в период 1983-2000 гг. свыше 2,3 млн. руб. (цены 1984 года).

Апробация работы. Основные результаты данной работы были доложены и обсуждены на XX — XXIX научно-технических конференциях ПГТУ (Пермь, 1986-1998 гг.); на Всесоюзном совещании-семинаре "Современные проблемы свайного фундаментостроения" (Пермь, 1988 г, Одесса, І990 г.); на II, V, VI Международных конференциях по проблемам свайного фундаментостроения (Одесса, 1990 г., Тюмень, 1996 г., Уфа, 1998 г.); на I и II Всесоюзных координационных совещаниях-семинарах по механизированной безотходной технологии возведения свайных фундаментов (Владивосток, 1986,1988 г.); на 4-м и 6-м Симпозиумах по реологии грунтов (Самарканд 1982 г., Рига 1989 г.); на Всесоюзной конференции "Современные проблемы нелинейной механики грунтов" (Челябинск, 1985 г.); на Балтийской международной конференции по механике грунтов и фундаментостроеншо (Таллинн, 1988 г.); на Международной конференции по реологии и механике грунтов (Англия, Ковентри, 1988 г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Системы автоматизированного проектирования фундаментов и оснований" (Челябинск, 1988 г.); на VII Всесоюзной конференции "Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений" (Днепропетровск, 1989); на Международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроеншо (Бразилия, Рио-де-Жанейро, 1989 г), на Международном семинаре "ERTC 3" (Бельгия, Брюссель, 1997); на Международных научно-технических семинарах и конференциях по фундаментостроеншо (Уфа, Одесса, Волгоград, 2001 г.), на VII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.). Сделанные в ходе обсуждения замечания и пожелания учтены автором при подготовке настоящей работы.

На защиту выносятся:

1. Комплексные экспериментальные исследования полных и длительных осадок свай и свайных фундаментов с учетом длительного деформирования фунтов основания.

2. Упругопластическая модель динамического взаимодействия забивных свай и грунтового массива при многократном ударе.

3. Численная методика и программный комплекс "PILE GROUND" для расчета забивных свай на основе предложенной модели динамического погружения свай.

4. Вязко упругопластическая модель к ваз и статического взаимодействия системы "свая-грунт" с учетом реологических параметров грунтов и изменения НДС основания в результате динамического воздействия при погружении свай.

5. Численная методика и программный комплекс "ELAST PLAST" для расчета полных и длительных осадок призматических и пирамидальных свай, ленточных свайных фундаментов и кустов свай в грунтах со сложными реологическими свойствами.

6. Инженерный метод расчета осадок свайных фундаментов.

7. Результаты внедрения исследований в практику строительства и наблюдения за действительными осадками свайных фундаментов зданий и сооружений.

Личный вклад автора в решение проблемы. Представленная работа базируется на результатах исследований при непосредственном участии автора в период І979-2000 гг. и выполнялась в соответствии с комплексной программой "Архитектура и строительство" (з.-н. № 114) - "Расчет несущей способности и осадок свайных фундаментов по предельно допустимым деформациям с учетом реологических параметров основания в сложных инженерно-геологических условиях" и по единому заказ-наряду вуза (з.-н. № 22), финансируемому из республиканского бюджета "Разработка основ теоретической модели напряженно-деформированного состояния свайных фундаментов на склонах, техногенных основаниях в сложных инженерно-геологических условиях Урала".

Формулирование проблемы, постановка цели и задач исследований, научно-теоретические разработки, анализ полученных результатов, выводы, практические рекомендации по внедрению осуществлены автором.

Практические экспериментальные исследования проводились с участием сотрудников кафедры "Основания, фундаменты и мосты" Пермского государственного технического университета.

За исследования и разработку новых методов расчета и внедрение их в практику проектирования и строительства объектов Западно-Уральского экономического региона автор и члены авторского коллектива удостоены премии Ленинского комсомола в области науки и техники (1986 г).

Автор выражает глубокую благодарность за научные консультации член-корреспонденту Российской Академии наук, заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору А.А.Бартоломею, доктору физико-математических наук, профессору И.Н.Шардакову, а также сотрудникам Пермского государственного технического университета и института механики сплошных сред Уральского отделения РАН, оказавших помощь в проведении исследований.

В работе использованы результаты решения задач полученные автором совместно с член-корреспондентом РАМ, доктором технических наук, профессором А. А. Бартоломеем, кандидатом технических наук, доцентом Т.Б. Пермяковой, кандидатом физико-математических наук, доцентом К. С. Пустовойтом, доктором физико-математических наук, профессором И. Н. Шардаковым, кандидатом технических наук А. В. Фонаревым. Публикации. Результаты экспериментальных и теоретических исследований экспонировалась на ВДИХ СССР, опубликованы в двух монографиях и 74 печатных работах, а также, защищены 2 авторскими свидетельствами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 325 наименований и двух приложений. Объем работы 309 страниц, включая 19 таблиц и 127 иллюстраций.

В первой главе проведен анализ современного состояния расчета полных и длительных осадок свайных фундаментов с учетом современного состояния механики грунтов, сформулирована проблема расчета осадок свайных фундаментов с учетом реологических свойств грунтов, поставлены задачи исследований и обозначены пути их решения.

Во второй главе приведены результаты экспериментально-теоретические исследования динамического взаимодействия системы "молот-свая-грунт", разработана модель поведения грунта в условиях импульсного деформирования, которая учитывает изменение динамической сжимаемости и объемного модуля с ростом скорости деформации и изменение сдвигового модуля с ростом давления.

Третья глава посвящена разработке модели квазистатического взаимодействия системы "свая-грунт", "свайный фундамент-гру і IT" С учетом закономерностей вязкого деформирования грунтов, обладающих реологическими свойствами, и с учетом динамического последействия после забивки свай. Разработанный в третьей главе метод позволяет провести анализ напряженно-деформированного состояния системы на любой период времени, выполнить расчет полных и длительных осадок свайного фундамента, оценить скорость развития осадок в зависимости от типа грунта, характера приложения нагрузки и геометрических параметров фундамента. В четвертой главе изложены практические методы расчета осадок и несущей способности свайных фундаментов. В пятой главе приведены примеры проектирования для ряда объектов гражданского и промышленного строительства и результаты геодезических наблюдений за осадками свайных фундаментов. Показано, что расчетные и экспериментальные значения совпадают в пределах инженерной точности для задач механики фунтов. Внедрение результатов исследований в практику строительства позволило получить значительный экономический эффект при полной гарантии надежности разработанных методов расчета.  

Подобные работы
Ушаков Андрей Николаевич
Расчет напряженно-деформированного состояния и устойчивости оснований фундаментов, грунтовых сооружений и массивов на основе методов теории функций комплексного переменного
Бровко Игорь Степанович
Расчет свайных фундаментов с учетом их взаимного влияния
Колесников Алексей Олегович
Совершенствование метода расчета колебаний свайного фундамента с учетом взаимодействия ростверка с грунтом
Камаев Владимир Сергеевич
Учет жесткостных параметров зданий при расчетах оснований и фундаментов
Готман Наталья Залмановна
Расчет свайно-плитных фундаментов из забивных свай с учетом образования карстового провала
Лучкин Максим Александрович
Учет развития деформаций основания во времени при совместном расчете системы "основание-фундамент-здание"
Нгуен Вьет Туан
Напряженно-деформированное состояние грунтов основания и бортов котлована с учетом пространственного фактора
Бубело Руслан Викторович
Стабилизация отрицательной температуры мерзлых грунтов основания с помощью поверхностных аккумуляторов холода
Ашихмин Олег Викторович
Взаимодействие плитно-ребристых фундаментов на свайных опорах с глинистым грунтом основания
Тугутов Шагдар Самбуевич
Оценка взаимодействия гибкого ленточного фундамента с сезоннопромерзающим пучинистым грунтом основания

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net