ВПЛИВ НЕРІВНОМІРНИХ ДЕФОРМАЦІЙ ПРОСІДАЮЧИХ ЛЕСОВИХ ОСНОВ НА РОБОТУ КАРКАСНИХ БУДІВЕЛЬ

Краткое содержание

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Приведено відомості про публікації та апробацію досліджень.

В першому розділі наведено загальну характеристику лесових ґрунтів України в контексті проблем будівництва на лесових просідаючих ґрунтах, вплив факторів на просідаючі властивості лесових ґрунтів, причини підтоплення об’єктів будівництва та фактори що впливають на величину деформації основи. Приводяться відомі схеми можливого замочування лесових основ, схеми вертикальних і горизонтальних переміщень основ при просідання ґрунтів, наведено аналіз існуючих методик дослідження взаємодії каркасних будинків з нерівномірно просідаючою ґрунтовою основою.

Лесові ґрунти набували своєї структури, будови, властивостей в умовах близьких до сухих. Цим пояснюється те, що лесові ґрунти, як правило, не будучи водонасиченими на різних етапах свого існування зберегли достатньо високу пористість, а значить і просідання при замочуванні. Підлягаючи у великому ступені зволоженню, як це характерно для західних областей України, лесові ґрунти частково втратили свої просідаючі властивості. А на тих ділянках, де відбувалося або спостерігається в наш час водонасичення − просідання різко знизилось чи відсутнє взагалі.

Фізичні властивості лесових ґрунтів перед усім визначають їх неоднорідність, механічні властивості і можливість реалізації просідаючих деформацій в конкретних умовах. Вони мають важливе значення для попередньої оцінки їх просідаючих властивостей, підготовки штучних основ, класифікації лесових ґрунтів.

Вивченням властивостей лесових ґрунтів та їх природи просідання займались вчені багатьох країн світу: Абєлєв Ю.М., Ананьєв В.П., Бойко І.П., Веклич М.Ф., Винников Ю.Л., Воронін A.M., Галай Б.Ф., Гольдштейн М.Н., Денисов Н.Я., Дранніков А.М., Замарін Е.А., Запорожченко Е.В., Зоценко Н.Л., Клепіков С.М., Корнієнко М.В., Краєв В.Ф., Крігер М.І., Крутов В.И., Ломізе Г.М., Мавлянов Г.А., Матвєєв І.В., Мінервін А.В., Мустафаєв А.А., Пятков О.В., Приклонський В.О., Тугаєнко Ю.Ф., Фролов М.М., Черний Г.І., Школа О.В., Шокарев В.С. та інші вчені.

Структура лесових ґрунтів виділила лесові ґрунти як окремий вид, завдяки особливим візуальним характеристикам, таким як: підвищена пористість, пилуватість, наявність карбонатних канальців і включень, світлі тони забарвлення, відсутність шаруватості, здатність утримувати високі вертикальні стінки, легке розмивання. Структура визначала і будівельні якості лесових основ, пояснювала першочергово процес просідання (опливання макропор за Абелевим Ю.М.), і в подальшому дала їм додаткову назву, як макропористих.

Лесові ґрунти мають високе питоме зчеплення, утримують значні за висотою (до десятків метрів) вертикальні стінки по берегам річок, в стінках ярів. Переважно вони карбонатні, а поверхневі шари деяких суглинків бувають загіпсовані. Наявність сольових спайок підвищує їх структурну міцність лесових ґрунтів, однак основна їх складова має водно-колоїдну природу. Тому структурна міцність лесових супісків і суглинків значно зменшується при збільшенні вологості. Це є основною причиною того, що при водонасиченні лесові ґрунти просідають – дають додаткову деформацію в умовах збереження сталого напруження в основі.

Вологість лесових просідаючих ґрунтів може збільшуватися як за рахунок замочування зверху із зовнішніх джерел або знизу при підйомі рівня ґрунтових вод, так і шляхом накопичення вологи в ґрунті (інфільтрація поверхневих вод або екранування поверхні за рахунок зведення різноманітних споруд). Основними причинами та факторами підтоплення об'єктів житлового та цивільного будівництва є техногенні чинники: постійні витоки і аварії на водонесучих комунікаціях, аварії на трубопроводах; асфальтування забудованих територій, що знижує випаровування і порушує водний баланс території; підпір від штучних і природних водоймищ; відсутність налагодженої системи поверхневого стоку, зливової каналізації; ліквідація природних дрен при будівництві, тощо.

Просідання дуже часто (при локальному замочуванні ґрунту) призводить до нерівномірних деформацій основи, що дуже відчутно для каркасних будинків. Вплив на конструкції будівель і споруд від нерівномірних деформацій основи при просіданні ґрунтів у результаті замочування:

−                   зниження контактної жорсткості основи на ділянках замочування в результаті виникнення деформацій просідання та додаткових деформацій непросідаючих ґрунтів від зовнішнього навантаження у верхній зоні просідання;

−                   вертикальні і горизонтальні переміщення контактної поверхні основи внаслідок просідання ґрунтів і додаткових деформацій непросідаючих ґрунтів від власної ваги в нижній зоні.

Фактори, що впливають на величину деформації основи: тиск на підошві фундаменту; склад, структура, щільність, вологість ґрунту; просідання ґрунту; ступінь замочування; розміри фундаменту; будова просідаючої товщі;         характер замочування; просідання нижніх шарів.

Нерівномірні деформації основи за своїм характером проявляються як в цілому для будівлі і споруди (крен, перекіс), так і для окремих її ділянок (прогин, вигин). За умови прояви просторових нерівномірних деформацій основи характер деформації каркаса значно ускладнюється.

Розглядаючи вплив нерівномірних деформацій основи на роботу каркасів будівель необхідно підкреслити, що практично в кожному випадку нерівномірність деформації окремих фундаментів під колони чи інші несучі конструкції буде спостерігатись навіть в тих випадках, коли розрахунком будуть підібрані відповідні розміри фундаментів, що забезпечують їх рівномірне осідання. Нерівномірність осідання фактично завжди буде викликана неоднорідністю як геологічної будови, так і неоднорідністю літологічного складу та стану окремих шарів ґрунту.

Конструкції будівель та споруд, що збудовані не за гнучкою схемою, мають свою власну жорсткість, яка у випадку скривлення контактної поверхні не дозволяє фундаментам слідувати за основою. В результаті контактні напруження на підошві фундаментів перерозподіляються. В залежності від інтенсивності осідання, жорсткості основи та конструкцій, на одних ділянках контакту напруження будуть збільшуватися, на інших зменшуватися, а на третіх може теоретично виникнути можливість відриву фундаментів від основи. Такий перерозподіл контактних напружень відповідно впливає на зміну поля діючих напружень у ґрунтовій товщі, а тим самим і на деформації осідання

Таким чином, будівля (що проектується, розраховується) та ґрунтова основа є системою зі зворотнім зв’язком. В зв’язку з цим при розрахунку каркасних будівель треба враховувати вплив нерівномірних деформацій основи, що відповідає їх дійсній роботі.

У другому розділі розглянуто особливості роботи каркасних будівель на просідаючих ґрунтах: приведено тенденції розвитку каркасних споруд з різних матеріалів, представлено основні схеми каркасів, розкрито питання впливу розмірів схеми каркасу та жорсткості окремих елементів на зусилля, що виникають, з урахуванням ряду чинників, в тому числі від переміщень і повороту фундаменту в результаті деформацій основи.

Сучасні будівлі незалежно від їх поверховості, як правило, є будівлями каркасного типу із залізобетонним, сталевим або змішаним несучим каркасом. Вибір типу каркаса будівлі визначається умовами виробництва і міркуваннями економії основних будівельних матеріалів, а також класом капітальності будівлі.

Характеристика конструктивних рішень каркасу промислових та цивільних (житлових та суспільних) будівель і споруд:

−       з металевим каркасом, залізобетонним, дерев’яним, з інших матеріалів та змішаним;

−       одно -, багатоповерхові та підвищеної поверховості;

−       одно - та багато-прольотні;

−       збірний варіант каркасу, монолітний і збірно-монолітний;

−       з розташуванням в плані основних несучих елементів каркасу в поперечному, поздовжньому та обох напрямках;

−       з повним каркасом і неповним;

−       з рамним каркасом, з діафрагмами жорсткості та каркасно-стовбурні;

−       з рамним типом каркасу, в’язевим і рамно-в’язевим;

−       з балочним і безбалочним перекриттям;

−       з підкроквяними конструкціями і без;

−       з крановим устаткуванням і без.

Останнім часом все частіше забудова міст ведеться висотними будівлями з монолітним залізобетонним каркасом, який на відміну від збірних каркасів, має ряд особливостей:

–       безбалочні перекриття, що мають складну конфігурацію в плані, обумовлену наявністю великої кількості нерегулярно розташованих балконів, еркерів, лоджій, отворів, тощо;

–       нерегулярне розташування вертикальних несучих елементів — діафрагм, колон, пілонів (як правило, відбувається відмова від прямокутних колон великого перетину на користь часто розташованих пілонів і колон складного перетину - таврового, хрестового, куточкового, які природно вписуються в планування);

–       самонесучі зовнішні стіни, що поповерхово спираються на міжповерхові перекриття.

Розподіл зусиль в рамі залежить від цілого ряду чинників, серед яких: геометрична схема рами; геометричні розміри елементів рами; жорсткість елементів рами (геометричні характеристики перерізу елементів та матеріал конструкцій рами); конструкція вузлів та їх розташування в рамі; переміщення і повороти фундаменту як результат деформації основи тощо.

Збільшення висоти каркасних будівель супроводжується істотним зростанням горизонтальних навантажень, що діють на каркас в процесі будівництва і експлуатації, Це приводить до нерівномірного розподілу вертикальних зусиль і деформацій у вертикальних несучих елементах остову будівлі, його закручуванню, зсувним деформаціям.

Підвищення жорсткості будівлі можна досягти не тільки за рахунок застосування відповідних конструктивних систем, але і шляхом надання каркасу певної форми в плані. Численні зарубіжні дослідження, показали, що оптимальною формою плану висотної будівлі є фігура, формою наближена до круга. Еліптична і квадратна форми хоч і поступаються круглій, але також забезпечують достатній опір будівлі горизонтальним навантаженням. Кажучи про переважні форми планів висотних каркасних будівель, необхідно відзначити, що за інших рівних умов якнайкращі показники мають перетини з мінімум двома осями симетрії. Такі будівлі менш за інших чутливі до зміни напряму дії горизонтальних навантажень, а кількість типорозмірів несучих конструкцій скорочується до мінімуму. Практика свідчить про те, що для збільшення жорсткості споруди складної форми, доцільно розрізати її на декілька блоків, які мають простіші за формою перетини.

Конструкція вузлів стикування елементів каркасу істотно впливає на характер розподілу зусиль в рамі. Податливість вузлів стикування ригеля з колоною збільшує моменти в нижній частині колони і зменшує - у верхній. Поворот фундаментів зменшує згинаючі моменти в нижній частині колони (при шарнірному спиранні колони на фундамент момент дорівнює нулю) і збільшує - у верхній.

Напружено-деформований стан системи "фундамент - деформована основа", змінюється непропорційно до збільшення навантаження, що пов'язане з нелінійним деформуванням ґрунту, залізобетону, утворенням тріщин у фундаменті. Зазвичай фундаменти проектують так, щоб середній тиск під підошвою фундаменту не перевищував розрахункового опору ґрунту. В цьому випадку в розрахунках можуть використовуватися моделі лінійно-деформованої основи. Але оскільки у фундаментах можливе утворення і розкриття тріщин, то застосування лінійно-деформованих моделей залізобетону, може привести до великих погрішностей. Модель же, що враховує нелінійність деформування залізобетону, обґрунтована головним чином, теоретично і потребує експериментального підтвердження.

Для вивчення роботи будівель і споруд при деформаційних впливах з успіхом використовується фізичне моделювання. Проте, враховуючи складність виготовлення таких моделей, доцільним виявляється використання математичних моделей для проведення числових досліджень.

У третьому розділі представлено математичну реалізацію прийнятої моделі ґрунтової основи та запропоновано розвинення моделі лесових ґрунтів з перемінним модулем. Приведено результати тестових задач для перевірки запропонованої моделі лесового середовищі з перемінним модулем та їх порівняння з результатами натурних випробувань.

Модифікована пружно-пластична модель В.О.Сахарова-І.П.Бойка ґрунтується на врахуванні структурної міцності ґрунту та поєднанні критеріїв Мізеса-Шлейхера-Боткіна, Кулона-Мора та дилатансійних співвідношень Ніколаєвського