Моделирование работы и компьютерная оптимизация фундаментов в вытрамбованных котловинах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Моргунов, Владимир Николаевич

• Моргунов, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Моргунов, Владимир Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА, МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ФУНДАМЕНТОВ В ВЫТРАМБОВАННЫХ КОТЛОВАНАХ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1.1. Конструктивные решения фундаментов, образуемых методом вытеснения грунта с уплотнением.

1.2. Обзор аналитических, инженерных и численных методов расчета, моделирования и оптимизации фундаментов в вытрамбованных котлованах.

1.3. Анализ лабораторных и натурных экспериментальных исследований работы ФВК и грунтового основания.

1.4. Цель и задачи диссертационной работы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ФУНДАМЕНТОВ В ВЫТРАМБОВАННЫХ КОТЛОВАНАХ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ.

2.1. Инженерно-геологические условия площадки строительства.

2.2. Методика выполнения натурных опытов.

2.3. Результаты исследований несущей способности фундаментов.

2.4. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по несущей способности.

2.5. Разработка конструкций месдоз для измерения напряжений в грунте при вытрамбовывании котлованов и других динамических нагрузках

2.6. Выводы по второй главе.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТА В ВЫТРАМБОВАННОМ КОТЛОВАНЕ.

3.1. Анализ процессов, протекающих при вытрамбовывании котлованов, и теоретические предпосылки расчета НДС основания фундаментов, образуемых методом вытеснения грунта с уплотнением.

3.2. Разработка математической модели расширяющейся цилиндрической полости в грунте под действием внутреннего давления.

3.2.1. Решение упругопластической задачи в напряжениях.

3.2.2. Решение упругопластической задачи в деформациях.

4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС ОСНОВАНИЯ ФВК

КОНИЧЕСКОЙ ФОРМЫ И РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА НАХОЖДЕНИЯ ВЕРХНЕЙ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

4.1. Принципы подхода к теоретическому решению задачи о нахождении верхней оценки несущей способности системы "грунтовое основание -фундамент в вытрамбованном котловане".

4.2. Инженерный метод нахождения верхней оценки несущей способности, поля плотностей и пластических деформаций в основании вытрамбованного котлована.

4.3. Компьютерное моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния основания конического ФВК.

4.4. Выводы по третьей и четвертой

главам.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ФУНДАМЕНТОВ В ВЫТРАМБОВАННЫХ КОТЛОВАНАХ ПРИ ВАРИАНТНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ И РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ СОСТАВНОЙ СВАИ.

5.1. Анализ компьютерных технологий многовариантного проектирования фундаментов и оснований.

5.2. Структура многоуровневой оптимизации и разработка программной оболочки ПК АПОФЕОС.

5.3. Принципы параметрической оптимизации, выбор расчетных параметров и критериев качества для оценки проектных вариантов.

5.4. Оптимизация ФВК с использованием ПК АПОФЕОС.

5.5. Конструирование составной сваи и разработка технологии ее устройства.

5.6. Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование работы и компьютерная оптимизация фундаментов в вытрамбованных котловинах»

Фундаментостроение является одной из наиболее материалоемких и трудоемких отраслей строительства. Практика показывает, что на сооружение фундаментов расходуется 5-15% всей стоимости сооружения. В особых грунтовых условиях стоимость подземной части возрастает до 20%, на их устройство приходится до 40% затрачиваемого времени и до 20% трудоемкости работ. Цифры указывают на то, что снижение стоимости строительства, при одновременном обеспечении надежности, оптимизация трудозатрат и времени на сооружение подземных конструкций имеет огромное значение для повышения эффективности использования капитальных вложений, экономии материально-технических средств и повышения качества строительства.

Развитие фундаментостроения осуществляется в направлении разработки новых конструкций и методов возведения фундаментов, обеспечивающих сохранение и по возможности повышение несущей способности грунтов в основании фундамента в процессе их возведения, простую конструкцию сопряжения верхнего строения с фундаментами без дополнительных элементов, максимальное сокращение объемов опалубочных и земляных работ по разработке и обратной засыпке котлованов, возможность устройства фундаментов в различных погодных и грунтовых условиях и т.д.

Перечисленные тенденции становятся актуальными также ввиду неизбежности строительства в сложных инженерно-геологических условиях, требования уменьшения габаритов фундаментов с целью уменьшения влияния на окружающую среду, необходимости передачи на фундаменты больших сосредоточенных нагрузок. Одной из наиболее эффективных и перспективных конструкций фундаментов в этом смысле можно считать фундаменты в уплотненном грунте. К ним относятся фундаменты в вытрамбованных котлованах, из забивных блоков, отдельные типы набивных и забивных железобетонных свай, фундаменты в выштампованных котлованах. Среди перечисленных типов фундаментов наибольшей технологичностью изготовления и экономичностью обладают фундаменты в вытрамбованных котлованах.

Область применения фундаментов в уплотненном грунте, как по грунтовым условиям, так и по видам, конструкциям зданий и сооружений весьма широкая. Вначале эти типы фундаментов разрабатывались и на первом этапе внедрения применялись в основном при строительстве на просадочных (лессовых) грунтах с I типом грунтовых условий по просадочности. В дальнейшем высокая эффективность принципа уплотнения способствовала расширению области применения практически на все виды пылевато-глинистых грунтов.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования в этой области расширили представление о механизме взаимодействия таких фундаментов с основанием и позволили создать теории их расчета. Развитие средств вычислительной техники дало возможность использовать численные методы для прогноза осадки и оценки НДС оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах. Однако для исключения грубых ошибок в полученных решениях, обусловленных как возможностью накопления таких ошибок при итерационных циклах, так и неоднозначностью или недостоверностью исходных данных, и контроля значений предельной нагрузки в этом случае необходимо применять простые аналитические решения, учитывающие наличие уплотненной зоны и характер деформирования основания.

На фоне широкого применения средств вычислительной техники важной задачей следует считать совершенствование методов и средств проектирования с использованием САПР. Основной резерв повышения качества автоматизированного проектирования в фундаментостроении заложен в разработке и использовании информационных технологий, новых методов принятия решений, процедур и программ оптимального проектирования.

Целью диссертационной работы является развитие компьютерных методов проектирования фундаментов в вытрамбованных котлованах на основе экспериментальных, теоретических исследований, моделирования работы и оптимизации, разработка новых эффективных конструкций фундаментов, устраиваемых вытеснением грунта с уплотнением и приборов для их экспериментального изучения.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Проведение экспериментальных исследований для оценки несущей способности натурных фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием и без уширенного основания.

2. Разработка тензометрических приборов для использования при динамических нагрузках, возникающих в процессе вытрамбовывания котлована.

3. Разработка и реализация на персональном компьютере инженерного метода моделирования НДС и расчета верхней оценки несущей способности оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах и для определение параметров уплотненной зоны.

4. Разработка программной оболочки для реализации системы автоматизированного проектирования при многокритериальной оптимизации различных типов фундаментов в виде программного комплекса «Автоматизированное проектирование оптимальных фундаментов на естественном основании» (ПК «АПОФЕОС»).

5. Разработка модуля многокритериальной оптимизации параметров фундаментов в вытрамбованных котлованах для ПК «АПОФЕОС».

6. Разработка конструкции составной сваи уплотнения с изменяемой несущей способностью в зависимости от инженерно-геологических условий и метода ее устройства.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана и программно реализована система автоматизированного проектирования фундаментов на основе проведенных исследований и предложенной методики многоуровневой оптимизации.

2. Получена новая информация о несущей способности оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием и без уширенного основания в экспериментальных исследованиях на натурных фундаментах в грунтовых условиях г. Новочеркасска.

3. Развито теоретическое решение задачи об определении верхних оценок несущей способности оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах и разработана теоретическая модель формирования вытрамбованного котлована доя целей проектирования.

4. Реализованы компьютерные методики расчета НДС грунтового основания и уплотненной зоны в инженерной постановке.

Практическая значимость:

1. Исследовано напряженно-деформированное состояние основания и характеристики уплотненной зоны фундамента в вытрамбованном котловане методом информационного моделирования на персональном компьютере.

2. Разработана иерархическая оболочка, построенная по агрегатному принципу САПР, реализующая методику многопараметрической многокритериальной оптимизации и определяющая сценарии проектирования для ПК «АПОФЕОС».

3. Разработан программный модуль для ПК «АПОФЕОС», позволяющий оптимизировать параметры фундаментов в вытрамбованных котлованах по многокритериальной методике.

4. Результаты натурных экспериментальных исследований фундаментов в вытрамбованных котлованах применены при строительстве жилого дома.

5. Разработаны две новые конструкции месдоз для измерения напряжений при динамических нагрузках, подтвержденные авторским свидетельством и патентом.

6. Предложена и исследована новая конструкция составной сваи уплотнения, подтвержденная авторским свидетельством, которая рекомендована к внедрению в практику строительства. На защиту выносятся:

- результаты натурных экспериментальных исследований;

- методика определения верхней оценки несущей способности основания фундаментов в вытрамбованных котлованах и метод моделирования формирования конического вытрамбованного котлована для целей проектирования;

- методика многокритериальной компьютерной оптимизации параметров фундаментов в вытрамбованных котлованах, реализованная в ПК «АПОФЕОС»;

- разработки по конструированию сваи уплотнения с изменяемой несущей способностью и приборов для измерения напряжений в грунте.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 113 наименований и 4 приложений. Полный объем диссертации 195 страниц, включая 69 рисунков и 16 таблиц. Основной текст диссертации (без оглавления, списка литературы, приложений, рисунков и таблиц) содержит 107 страниц машинописного текста.