Прогноз влияния возведения сооружений на плитном фундаменте на деформации песчаного основания существующих зданий

На правах рукописи

Ибадильдин Нурхат Амангельдинович

ПРОГНОЗ ВЛИЯНИЯ ВОЗВеДения сооружений НА ПЛИТНОМ ФУНДАМЕНТЕ НА ДЕФОРМАЦИИ песчаного ОСНОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЗДАНИЙ

Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2007

Работа выполнена на кафедре геотехники ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бронин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бугров Александр Константинович

кандидат технических наук

Лукин Владимир Александрович

Ведущая организация: ОAO "ЛенНИИпроект"

Защита состоится «23» октября 2007 г. в «14» часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д.4, ауд. 206.

Эл. почта: rector@spise.spb.su

Телефакс: (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет". Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4.

Автореферат разослан «___» сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бадьин Г.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время актуальной задачей в области фундаментостроения является обеспечение надежности существующих зданий и сооружений различного назначения и вновь возводимых в условиях плотной городской застройки. Возведение новых зданий вблизи существующих приводит, как правило, к дополнительным неравномерным осадкам последних, что в свою очередь вызывает повреждение их несущих и ограждающих конструкций, коммуникаций и другим неблагоприятным последствиям. Важной задачей является на стадии проектирования получение достоверной информации о прогнозируемых величинах осадок не только возводимого здания, но и дополнительных осадок существующих зданий, границы зоны влияния нового строительства на окружающую застройку. Решение этой задачи позволяет своевременно предусмотреть технические мероприятия по предупреждению недопустимых повреждений существующих зданий и сооружений.

Как показывает практика строительства в условиях плотной городской застройки, сложной задачей является расчет дополнительной осадки существующего здания, обусловленной статическим нагружением основания новым зданием.

Петербургские строительные нормы по устройству фундаментов зданий (ТСН 50-302-2004) предписывают ограничивать дополнительную осадку существующих зданий, которая может быть обусловлена различными техногенными факторами, в том числе, связанными со статическим нагружением (разгрузкой), либо с технологией производства работ. При этом размер зоны влияния (риска) возводимого здания на окружающую застройку рекомендуется принимать ориентировочно равным 30 м и в пределах этой зоны выполнять обследование технического состояния существующих зданий, что не всегда является оправданным и ведет к непроизводительным затратам. В указанном ТСН излагаются требования к определению зоны риска, но отсутствуют конкретные рекомендации по методике ее расчета.

СНиП 2.02.01-83 и СП 50-101-2004 рекомендуют определять дополнительные осадки существующих зданий от загружения соседних площадей методом послойного суммирования с определением вертикальных дополнительных напряжений методом угловых точек и ограничением мощности сжимаемого слоя. Строительная практика свидетельствует, что рассчитанные таким методом дополнительные осадки существующих домов оказываются значительно меньше, чем наблюдаемые в натуре. Особенно указанное расхождение проявляется при определении мощности сжимаемого слоя по СП 50-101-2004.

Поэтому дальнейшее исследование влияния загружения соседних площадей на дополнительные осадки существующих зданий в условиях плотной городской застройки является актуальным.

Настоящая работа посвящена исследованию дополнительных осадок существующих зданий, устроенных на фундаментах мелкого заложения, основанием которых служат пески плотные и средней плотности.

Цель и задачи исследований заключались в определении в модельном эксперименте и в натурных условиях дополнительных осадок песчаных оснований, нагруженных штампами, реальными сооружениями при загружении соседних площадей другими штампами, строящимися зданиями. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- анализ существующих методик и результатов лотковых модельных экспериментов, данных натурных наблюдений за деформациями существующих зданий в рассматриваемых условиях, а также методов расчета дополнительных осадок;

- разработка конструкции стенда и методики лотковых испытаний, позволяющих моделировать дополнительные осадки оснований существующих сооружений при нагружении соседних площадей строящимися зданиями на плитном фундаменте;

- выявление в модельном эксперименте закономерностей дополнительных деформаций нагруженных оснований при загружении соседних площадей и их математическое описание;

- анализ геодезических наблюдений за осадками существующих зданий при строительстве вблизи новых;

- сопоставление результатов модельных экспериментов, натурных наблюдений за осадками сооружений с результатами расчетов дополнительных осадок оснований загруженных площадей в рассматриваемых условиях по методике СНиП, по программному комплексу «Plaxis» и по предложенным корреляционным зависимостям.

Методы исследования. Для решения поставленных задач выполня-лись:

- модельные эксперименты в лотке;

- корреляционный анализ модельных экспериментов;

- анализ натурных наблюдений за осадками существующих и возводимых зданий;

- расчеты по различным методикам дополнительных осадок основания штампов и существующих зданий при нагружении соседних площадей;

- сопоставление результатов модельных и натурных экспериментов с результатами расчетов.

Научная новизна работы состоит:

- В конструктивном решении разработанного стенда (СМРО-2), на отличительные признаки которого получено положительное решение Роспатента на выдачу патента.

- В предложенной методике лотковых модельных испытаний на стенде СМРО2 при загружении основания штампами жестким и конечной жесткости.

- В полученных в модельном эксперименте закономерностях дополнительных осадок основания штампа конечной жесткости при загружении жесткого штампа и подобранных для их описания корреляционных зависимостях.

- В предложенной методике определения дополнительных осадок основания существующих зданий при загружении соседних площадей.

Достоверность теоретических решений и методов расчета определяется: корректной постановкой задач исследований; исходными предпосылками и расчетными схемами, адекватно отражающими механизм взаимодействия фундамента здания с грунтовыми основанием; достаточным объемом комплексных экспериментальных исследований; применением методов математической статистики, аппарата регрессионно-корреляционного анализа; моделированием совместной работы фундамента с основанием на основе численных методов, реализованных на ЭВМ; теоретическими разработками, базирующимися на основных положениях теории линейно-деформируемых тел и законах механики грунтов; применением в опытах средств измерений в соответствии с государственными стандартами; сравнением полученных данных с известными существующими решениями; достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическое значение работы:

- Разработанные стенд СМРО-2 и методика проведения экспериментов позволяют моделировать геотехническую ситуацию при строительстве нового здания в условиях плотной городской застройки в лабораторных условиях.

- Предложенная методика расчета позволяет определять дополнительные осадки существующих зданий при строительстве на соседних площадках зданий с плитными фундаментами.

Положения, выносимые на защиту:

- Конструкция стенда СМРО-2 для моделирования геотехнической ситуации, при которой существующее здание получает дополнительную осадку при строительстве на соседней площадке здания на плитном фундаменте.

- Разработанная методика лотковых модельных испытаний на стенде СМРО-2.

- Результаты выполненных лотковых испытаний, основанных на использовании стенда СМРО-2 и методики модельного эксперимента.

- Корреляционные зависимости дополнительной осадки штампа конечной жесткости от исследуемых факторов, полученные на основании математической обработки результатов модельного эксперимента.

- Результаты расчетов по предлагаемой методике дополнительных осадок песчаных оснований существующих зданий при строительстве на соседней площадке здания на плитном фундаменте.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на 7-и конференциях, в том числе 4-х международных. По теме диссертации опубликовано 8 статей, в том числе в трудах 5-и международных конференций и в бюллетене изобретений опубликован Патент на стенд СМРО-2, разработанный с участием соискателя и использованный в диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы. Список работ включает 127 наименований, 8 таблиц и 43 рисунка. Общий объем диссертации – 139 страниц. Работа выполнена на кафедре «Геотехники» СПбГАСУ.

Автор выражает благодарность доц. Р.Р. Инамову, инж. Г.В. Левинтову, гл. инж. М.В. Лебедеву, инж. Н.В. Котову за помощь, оказанную при работе над диссертацией.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель, задачи, научная новизна и практическое значение работы, методика исследования, формулируются основные научные положения диссертационной работы, выносимые на защиту. Приведены сведения о достоверности и апробации работы, количестве публикаций.

В главе 1 дан обзор современного состояния проблемы определения дополнительной осадки существующих зданий при строительстве на соседних площадках новых зданий. Определены направления, задачи исследований и методы их решения.

Изучением характера развития неравномерных осадок существующих зданий в условиях существующей застройки занимались Сотников С. Н., Бугров А.К., Собенин А.А., Утенов Е.С., Цытович Н.А., Егоров К.Е., Герсеванов Н.М., Горбунов-Посадов М.И., Далматов Б. И., Фадеев А.Б., Бронин В.Н., Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Фиамский О. Б., Гельфандбейн А. М., Коновалов П. А., Черкасов И.И., Довнарович С. В., Манвелов Л.И., Швецов Г.И., Маслов Н.Н., Katzenbach R., Schultze E. и другие.

Исследованиям деформаций грунта за пределами загруженных площадей, образованию «воронки оседания» посвящено большое количество работ. Конечной целью этих исследований является разработка методики расчета дополнительных осадок и/или разработка конструктивных и технологических решений по снижению дополнительных осадок существующих зданий. Результаты этих исследований нашли свое отражение в методиках расчетов дополнительных осадок, указанных в нормативной литературе. Однако как показывает практика строительства, несмотря на давнюю историю этого вопроса, результаты расчетов дополнительных осадок часто не соответствуют фактическим, причем как в сторону занижения, так и завышения величин осадок.

Таким образом, для повышения точности и обоснованности получаемых расчетом величин дополнительных осадок требуются дальнейшие исследования деформаций грунтового основания при загружении соседних площадей с учетом различных факторов, влияющих на конечный результат.

Как показал обзор публикаций по данной теме, экспериментальные исследования имеют следующие три направления: штамповые испытания грунтов в лотках в лабораторных условиях; полевые штамповые испытания грунтов; определение деформаций грунтов на натурных объектах.

Обзор доступных публикаций по результатам лотковых испытаний и полевых штамповых опытов позволяет сделать вывод о том, что многочисленные экспериментальные исследования деформаций грунтов в основном направлены на изучение образования воронки оседания свободной ненагруженной поверхности вокруг жесткого штампа. При этом не учитывалось предварительное загружение соседней с жестким штампом площади, т.е. не учитывались такие значительные факторы «существующего здания», как интенсивность нагрузки под ним и расстояние от него до жесткого штампа.

Имеющиеся немногочисленные работы, лишенные указанных недостатков (в смысле направленности настоящей работы), посвящены исследованию деформациям грунтового основания при его загружении двумя жесткими штампами, взаимных кренов штампов. Данный подход не совсем корректно моделирует работу грунтового основания в исследуемой ситуации, когда один из фундаментов обладает конечной жесткостью.

В опубликованных работах найдено значительное количество данных натурных наблюдений за дополнительными осадками существующих зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки.

Приведен обзор методик расчета дополнительных осадок грунтового основания.

Проведенный анализ состояния проблемы позволил сформулировать задачи исследования изложенные выше.

В главе 2 излагаются конструкция стенда СМРО-2, методика и результаты модельного эксперимента.

Целью модельного эксперимента является оценка влияния загружения основания жестким штампом на деформации основания штампа конечной жесткости.

В условиях г. Санкт-Петербурга на плотных грунтах жилые здания, в том числе повышенной этажности (до 16 этажей) возводятся на сплошной железобетонной плите с монолитными железобетонными стенами и перекрытиями. Такие здания обладают большой жесткостью и поэтому вполне допустимо считать их недеформируемыми при осадке основания. Жесткий штамп моделирует возводимое здание.

Большинство существующих домов старой застройки и второй половины XX-го века г. Санкт-Петербурга можно отнести к зданиям с фундаментами и надземным конструкциям конечной жесткости. Характерной деформацией рассматриваемых домов при равномерном напластовании грунтов является деформация прогиба. Штамп конечной жесткости, моделирующий эти здания, обладает возможностью прогиба при его нагружении.

Лоток со штампами, нагружающими и измерительными устройствами, назван стендом для моделирования работы оснований (СМРО-2). Стенд (рис. 1, 2) состоит из лотка 1, заполненного грунтом 2. Лоток соединен с нагрузочной рамой 3, состоящей из трех элементов и направляющей балки, выполненных из прокатных профилей. Нагрузочная рама воспринимает усилия при нагружении жесткого штампа 4 и штампа конечной жесткости 5. Нагружение жесткого штампа осуществляется гидравлическим домкратом 7, а передающиеся на штамм усилия измеряются образцовым динамометром 8 марки ДОС-5. Фиксация перемещений жесткого штампа производится двумя индикаторами часового типа 9.

Штамп конечной жесткости выполнен в виде металлической камеры, в нижней части которой размещены металлические пластины 10, имеющие возможность вертикального перемещения, в том числе относительно друг друга. Внутри камеры штампа размещена резиновая оболочка 11, соединенная с образцовым манометром 12 и трубопроводом 13 источника гидростатического давления. Штамп конечной жесткости имеет возможность горизонтального перемещения по нагрузочной раме.

Образцовый манометр МП4-У с максимальным измеряемым давлением 600 кПа имеет погрешность измерения 1,5 кПа. Источником гидростатического давления является компрессор воздушный модели F.I.A.C. марки FX-90 с объемом ресивера 24 л с максимальным рабочим давлением воздуха 0,8 МПа.

Вертикальные перемещения пяти пластин 10 фиксируются 10-ю индикаторами часового типа 14 (ИЧ-10 с классом точности 1).

Основными отличительными признаками стенда СМРО-2, являются конструктивное решение штампа конечной жесткости, позволяющего измерять деформации прогиба основания, и конструктивное решение нагружающей системы штампа конечной жесткости, обеспечивающей нагружение основания на различных фиксированных расстояниях от жесткого штампа.

Принцип модельного эксперимента заключается в последовательном выполнении следующих этапов: первоначально нагружается штамп конечной жесткости давлением pn и измеряется осадка его основания sn. После стабилизации осадок основания штампа конечной жесткости нагружается жесткий штамп давлением pс и измеряется осадка его основания sс и дополнительная осадка основания штампа конечной жесткости s. Деформация s фиксируется по всей длине штампа конечной жесткости.

Задачей эксперимента являлось проведение испытания малосжимаемого грунта, который может служить основанием зданий повышенной этажности. В качестве такого грунта выбран песок средней крупности, уплотняемый до состояния средней плотности. Первоначально песок в лотке уплотнялся послойно ручной трамбовкой. Необходимой плотности песка достичь не удалось. Определение плотности песка производилось методом динамического зондирования в 6-и точках лотка с помощью динамического плотномера (ДПУ) «Кондор», используемого в дорожном строительстве. В модельном эксперименте уплотнение песка производилось вибратором ИВ-99Б-2, которое позволяло достичь необходимой плотности песка.

Методика модельного эксперимента заключалась в следующем. К штампу конечной жесткости прикладывались постоянные давления рn = 25; 75; 125 и 200 кПа. Ступени нагрузок выдерживались 15 мин и фиксировались осадки блоков (пластин) штампа конечной жесткости. Экспериментально обосновано

Рис. 1. Схема плана стенда СМРО-2

Рис. 2. Разрез по А-А стенда СМРО-2

время выдерживания нагрузки на каждой ступени нагружения до условной стабилизации осадки штампов 0,01 мм, которое составило 15 мин.

Затем нагружался жесткий штамп ступенями давлений рс = 75; 125; 200 и 300 кПа и измерялись осадки жесткого штампа sc и дополнительные, к ранее зафиксированным, осадки блоков штампа конечной жесткости s. В опытах установлено, что вплоть до давления 300 кПа, осадка песчаного основания близка к линейной. С использованием метода наименьших квадратов по формуле Шлейхера был найден средний модуль деформации песка, который оказался равным Е = 42 МПа. При этом коэффициент корреляции составил r = 0,98.