Совершенствование метода расчета колебаний свайного фундамента с учетом взаимодействия ростверка с грунтом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Колесников, Алексей Олегович

• Колесников, Алексей Олегович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колесников, Алексей Олегович

Перечень условных обозначений

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Колебания свайных фундаментов

1.2. Влияние заглубления на колебания фундаментов

1.3. Влияние геометрической формы фундамента на его колебания

1.4. Выводы по главе

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЛЕБАНИЙ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С ЗАГЛУБЛЕННЫМ РОСТВЕРКОМ

2.1. Вводные замечания

2.2. Свайный фундамент с ростверком, заглубленным в грунт

2.3. Параметры жесткости и демпфирования ростверка с учетом взаимодействия с окружающим грунтом

2.3.1. Вертикальные колебания

2.3.2. Сдвиго-вращательные колебания

2.4. Учет геометрической формы заглубленных ростверков

2.4.1. Вертикальные колебания

2.4.2. Горизонтальные колебания

2.4.3. Вращательные колебания

2.4.4. Анализ влияния геометрической формы ростверка на параметры жесткости и демпфирования

2.5. Параметры жесткости и демпфирования свайного основания

2.5.1. Вертикальные колебания одиночной сваи

2.5.2. Сдвиго-вращательные колебания одиночной сваи

2.6. Выводы по главе

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ СВАЙНЫХ

ФУНДАМЕНТОВ С ЗАГЛУБЛЕННЫМ РОСТВЕРКОМ

3.1. Задачи и состав экспериментальных исследований

3.2. Измерительная аппаратура и оборудование

3.2.1. Виброизмерительная аппаратура

3.2.2. Тензометрическая установка

3.2.3. Опытные ростверки и натурные фундаменты

3.3. Характеристика грунтовых условий

3.3.1. Грунтовый лоток

3.3.2. Опытный полигон

3.3.3. Натурные исследования

3.4. Методика проведения экспериментов

3.4.1. Исследования в лотке

3.4.2. Исследования на опытном полигоне

3.4.3. Испытания натурных фундаментов

3.5. Результаты исследований, обработка и графическая интерпретация экспериментальных данных

3.5.1. Взаимодействие боковых граней ростверка с окружающим грунтом

3.5.2. Взаимодействие ростверка с грунтом при изменении конструкции заглубленных фундаментов

3.5.3. Взаимодействие ростверка с грунтом при изменении количества свай в ростверке

3.5.4. Взаимодействие ростверка с грунтом при изменении конструкции заделки свай в ростверке

3.5.5. Взаимодействие ростверка с грунтом в зависимости от характера размещения свай в ростверке

3.6. Выводы по главе

4. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА КОЛЕБАНИИ

СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ ЗАГЛУБЛЕНИЯ

4.1. Определение динамических характеристик грунтов

4.2. Программа для расчета колебаний свайных фундаментов с заглубленным ростверком

4.3. Расчет параметров жесткости и демпфирования свайного фундамента с учетом заглубления ростверка

4.3.1. Влияние площади контакта грунта по боковой поверхности ростверка на его параметры жесткости и демпфирования

4.3.2. Влияние прямоугольной формы ростверка на его параметры жесткости и демпфирования

4.4. Примеры расчета колебаний свайных фундаментов и сравнение их с результатами экспериментов

4.5. Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода расчета колебаний свайного фундамента с учетом взаимодействия ростверка с грунтом»

Свайные фундаменты используются как в качестве фундаментов для обычных зданий и сооружений, так и для фундаментов под машины с динамическими нагрузками. Обеспечение надежности и экономичности конструкций свайных фундаментов, эксплуатирующихся в условиях динамического нагру-жения, является важной задачей современного фундаментостроения.

Преимущества использования свайных фундаментов под машины обусловлены, во-первых, возможностью обеспечения значительного снижения материалоемкости по сравнению с фундаментами на естественном основании, во-вторых, возможностью применения в сложных грунтовых условиях, и, в-третьих, способностью более интенсивного снижения уровня колебаний за счет регулирования жесткости системы.

Широкое применение, целесообразность и экономичность использования свайных фундаментов под машины, и промышленное оборудование требуют повышения точности прогнозирования их динамического поведения.

При анализе колебаний свайных фундаментов, как правило, рассматривают только взаимодействие свай с грунтом. Влияние заглубления ростверка на жесткостные и демпфирующие свойства основания не учитываются.

Учет заглубления ростверка в окружающий грунт позволит повысить точность расчетов колебаний свайных фундаментов под действием динамических нагрузок, способствуя, тем самым, повышению их надежности и экономичности, а также оптимизации конструкции и размеров.

Объектом исследований являются свайные фундаменты с заглубленным ростверком, подверженные действию динамических нагрузок.

Предметом исследований является волновое взаимодействие ростверка с грунтом при колебаниях свайного фундамента.

Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании метода расчета колебаний свайных фундаментов под машины с учетом заглубления ростверка в грунт.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

1. Исследовать волновые процессы в системе «заглубленный ростверк — грунт» при различной конструкции фундамента, количестве свай, способе их сопряжения с ростверком, состоянии окружающего грунта, характера динамической нагрузки;

2. Установить степень влияния геометрических характеристик ростверка на параметры колебаний свайного фундамента;

3. Разработать способ расчета колебаний свайных фундаментов, обеспечивающий более надежные результаты за счет учета заглубления;

4. Выполнить опытно-промышленную апробацию результатов диссертационных исследований по снижению уровня вибрации фундаментов промышленного назначения, предназначенных для работы под машины с динамическими нагрузками.

Методы исследования основаны на использовании современных научных положений теории фундаментостроения и включали в себя изучение научно-технической литературы по исследуемому вопросу, проведение экспериментов в лаборатории, на опытном полигоне, в натурных условиях, анализ и теоретическое обобщение полученных результатов, осуществляемое с привлечением аппарата теории колебаний, механики грунтов, теории упругости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В аналитическом виде получено решение задачи о колебаниях системы «свайный фундамент с заглубленным ростверком - грунт», которое конкретизировано для прямоугольной формы заглубленных ростверков;

2. Установлено, что на величину амплитуд и резонансных частот колебаний ростверка свайного фундамента наибольшее влияние оказывают степень его заглубления, причем наиболее сильное влияние проявляется при горизонтальных колебаниях, когда увеличение площади контактирования боковых граней ростверка с окружающим грунтом может приводить к снижению амплитуд колебаний вплоть до пяти раз;

Обоснованность и достоверность результатов исследований обеспечивается выполнением исследований с применением современного экспериментального оборудования, стабильностью получаемых в опытах результатов, использованием общепринятых в динамике свайных фундаментов моделей, гипотез и допущений, более точным, чем у традиционных методов расчета, совпадением получаемых результатов с экспериментальными данными.

Практическая значимость работы состоит в разработке инженерного метода расчета колебаний свайных фундаментов с заглубленным ростверком.

Использование результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы энергетическими предприятиями г.г. Новосибирска и Якутска. Это позволило увеличить точность определения параметров колебаний и почти до двух раз снизить существовавший уровень вибрации фундаментов под машины с динамическими нагрузками (на Новосибирской ТЭЦ-5 при работе мельничного оборудования для размола углей Кузбасса, на Якутской ГРЭС при работе турбины ГТЭ-12), тем самым повысить надежность и срок службы строительных конструкций и машин, а также улучшить условия работы обслуживающего персонала. Установленные закономерности, разработанные математические зависимости используются в учебном процессе.

Личный вклад автора состоит:

- в обосновании методики учета взаимодействия заглубленного ростверка с грунтом при колебаниях свайного фундамента;

- в оценке влияния степени заглубления ростверка прямоугольной формы на параметры колебаний фундаментов при вертикальном, горизонтальном и вращательном воздействиях;

- в определении аналитических зависимостей, характеризующих систему «свайный фундамент с заглубленным ростверком - грунт» при динамических воздействиях;

- в программной реализации методики по расчету колебаний свайных фундаментов с заглубленным ростверком различной формы;

- в проведении экспериментов в лаборатории, на опытном полигоне, в натурных условиях с использованием разработанного им оборудования, анализе и обобщении результатов исследований.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований заглубленных свайных фундаментов в лаборатории, на опытном полигоне и в натурных условиях;

2. Методика расчета колебаний свайных фундаментов с учетом взаимодействия ростверка с грунтом;

3. Расчетные зависимости для определения параметров жесткости и демпфирования заглубленного свайного ростверка прямоугольной конфигурации.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на 2-ой и 3-ей Международных научно-технических конференциях по современным проблемам фундаментостроения (Волгоград, 2001, 2003); на 4-ой и 5-ой Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (Сочи, 2001, 2003); на научно-технической конференции «Архитектура и строительство» (Томск, 2002); на Международной конференции по геотехнике «International conference on coastal geotechnical engineering in practice» (Атырау,

2002); на Международном центрально-азиатском геотехническом симпозиуме «Проблемы геотехники в современном строительстве» (Самарканд, 2002); на Международной конференции по промышленному и гражданскому строительству «ISEC-02 System-based Vision for Strategic and Creative Design» (Италия, Рим, 2003); на Международной конференции по геологии и геотехнике (Баку,

2003); Международной научно-технической конференции «Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах» (Архангельск, 2003); на Международном геотехническом симпозиуме «Фундаментостроение в сложных инженерно-геологических условиях» (Санкт-Петербург, 2003); на 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2003); на Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Пермь, 2004); на 57-62 научно-практических конференциях НГАСУ на секции «Актуальные проблемы инженерной геологии, оснований и фундаментов» (Новосибирск, 2000-2005); на межвузовских научно-студенческих конференциях «Современные проблемы технических наук» (Новосибирск, 2000-2001).

Публикации. По теме диссертации автором опубликована 21 научная работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 210 наименований и 2 приложений. Она изложена на 122 страницах основного текста и содержит 82 рисунка и 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Колесников, Алексей Олегович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных исследований получены новые данные о взаимодействии ростверка с грунтом при колебаниях свайных фундаментов; дана количественная оценка этого взаимодействия при различной конструкции фундамента, количестве свай, способе их сопряжения с ростверком, состоянии окружающего грунта, в том числе обратной засыпки пазух

• при действии различных динамических нагрузок.

2. Установлено, что

- изменение площади контактирования боковой поверхности ростверка с грунтом оказывает существенное влияние на величины амплитуд и резонансных частот колебаний;

- изменение площади контактирования боковой поверхности ростверка с грунтом влияет на величины внутренних усилий в стволе свай; увеличение

• этой площади приводит к уменьшению изгибающих моментов, что наблюдается при различном количестве свай, независимо от способа их сопряжения с ростверком;

- при устройстве ростверка в связных грунтах враспор, амплитуды его колебаний имеют значение до двух раз меньше, по-сравнению с фундаментом с обратной засыпкой пазух;

- определяющее влияние на горизонтальную составляющую колебаний ростверка имеют силы лобового сопротивления грунта — вплоть до 90%.

0 3. Предложены зависимости по определению параметров жесткости и демпфирования фундамента с заглубленным ростверком, а также получены аналитические выражения для определения этих параметров для свайного ростверка круглой и прямоугольной формы в плане. Выполнены расчеты динамических параметров основания для ростверков различной конструкции.

4. Разработана методика расчета колебаний свайных фундаментов, обеспечившая совершенствование существующих методов расчета за счет учета заглубления ростверка. Эта методика оформлена в виде программы расчета для персонального компьютера.

Апробация результатов исследований в промышленных условиях подтвердила значимость выполненной работы и достаточную корректность предложенного метода расчета, полученного на основе анализа и обобщения экспериментальных данных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колесников, Алексей Олегович, 2005 год

1. Аграновский Г.Г. Повышение надежности энергетических сооружений при динамических воздействиях // Тез. докл. на науч.-техн. совещ. «ДЭС-81». -М.: центр «Информэнерго», 1981. С. 111.

2. Алексеев Б.Г. и др. О расчете горизонтально-вращательных колебаний заглубленных фундаментов // Изв.вузов. Строительство и архитектура. 1980. - №4. - С.27-30.

3. Алексеев Б.Г. Исследование влияния боковой засыпки на колебания фундаментов под машины с динамическими нагрузками: Автореф. дис. .канд. техн. наук. Днепропетровск, 1980. - 23 с.

4. Алексеев Б.Г. Исследование динамических характеристик жесткости заглубленных фундаментов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1986. -№10.-С.26-30.

5. Артюшина В.Н. Исследование колебаний фундаментов на буронабивных сваях с уширенной пятой: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Харьков,1974.-15 с.

6. Аубакиров А.Т. Некоторые вопросы расчета и конструирования свайных фундаментов в сейсмических районах // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Мат. III Всесоюзной конференции. Ташкент, 1973.-С.46.

7. Аубакиров А.Т. Экспериментальные исследования динамических характеристик свайных фундаментов // Основания, фундаменты и механика грунтов.1975. -№4. -С.9-11.

8. Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве. М.: Госстройиздат, 1959. - 314 с.

9. Годзевич И.Н. О влиянии заглубления массивного фундамента на его собственные частоты и амплитуды колебаний // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1971. №12. - С.20-22.21

10. Егорова JI.JI. Экспериментальные исследования напряжений по боковой поверхности свай // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Мат.5 Всесоюзн. конф.- М.: НИИОСП, 1981. С.183-185.

11. Манойлин В.И. Влияние глубины забивки свай и контакта подошвы ростверка с грунтом на амплитуды вертикальных колебаний // Динамика оснований и фундаментов: Тр.2 Всесоюз. конф. Т.З. - М., 1969. - С.173-177.

12. Нуждин Л.В. Колебания свайных фундаментов приемников от кинематического возбуждения: Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Новосибирск,1993.-20 с.73

13. Нуждин Л.В., Забылин М.И. Жесткость и демпфирование вертикальных колебаний свайного фундамента в слоистом основании // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1990. - №12. - С.36-41.88

14. Пятецкий В.М. и др. Современные фундаменты машин и их автоматизированное проектирование / В.М. Пятецкий, Б.К. Александров, O.A. Савинов. — М.: Стройиздат, 1993. 424 с.91' Рауш Э. Фундаменты машин. М.: Стройздат, 1965. - 420 с.1. Ой

15. Рудь В.К. К расчету колебаний фундаментов под газопроводы // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Тез.7 Всесоюзн. конф. — М., 1989.-С.96-97.

16. Уколов В.Н. Метод расчета свайных фундаментов с промежуточной подушкой для сейсмических районов: Автореф. дис.канд. техн. наук. М., 1975. -23 с.

17. Холмянский М.Л. Коэффициенты жесткости оснований заглубленных фундаментов сложной формы // Ускорение науч.-техн. прогресса в фундамен-тостр. Т.2.- М., 1987 - С.268-270.I

18. Шаевич В.М. Исследование сопротивления грунта при горизонтальных колебаниях свай // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Тез.7 Всесоюзн. конф. М., 1989. - С.98-99.

19. Magnan Jean-Pierre Utilisation de la methode des elements finis pour les etudes d'interaction entre les sols et les structures. Meth. elem. finis, proj. geotech.: Act. journees etud., Paris, 1987, 149-175.

20. Novak M., Beredugo Y.O. The Effect of Embedment on Footing Vibration. -Proc. of I-st Canadian Conf., Vancouver, 1971. -pp.1235-1254.1 SO

21. Novak M., Beredugo Y.O. Vertical Vibration of Embedded Footings. Proc. ASCE, 1972, № 12, pp.1291-1310. 19°" Novak M., Nogami T. Soil-pile interaction in horizontal vibration. - Earthquake

22. Eng. and Struct. Dyn., 1977, V.5, № 3, pp.263-281. m' Novak M., Sheta M. Approximate approach to contact problems of piles. Proc. Geotechn. Eng. Div. ASCE Nat. Conv. «Dynamic Response of Pile foundations», Oct., Florida, 1980, pp.53-79.1QO

23. Nukm Yasushi, Inagaki Yoshinobu, Ohmiya Yukio Fundamental characteristics and simplified evaluation method of dynamic earth pressure.- Trans. 10th Int.

24. Reissner E. Stationäre, exylsymmetrische, durch eine schüttelnde Masse erregte Schwingungen eines homogenen elastischen Halbraumes. Ingenieur Archiv, 1936, V.7, Pt.6.1 Qfi

25. Eng., Spec., Session 10, Tokyo, 1977, p.12. 205'Takemiya H., Yamada Y. Layered soil-pile-structure dynamic interaction. —

26. Earthquake Eng. and Struct. Dyn., 1981, V.9, pp.437-457. 206'Tian Bide, Yu Zaidao Dynamic analysis of structure-soil-structure interaction. — J.

27. Zhao T., Yu X. Approximate analysis of input motions for rigid embedded foundations. Earthquake Eng. and Eng. Vibr., 1992, V.12, №2, pp.79-89.

28. СПИСОК ТРУДОВ АВТОРА, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В ДИССЕРТАЦИИ

29. Нуждин Л.В., Колесников А.О. Учет взаимодействия ростверка с грунтом при работе свайных фундаментов на динамические воздействия // Проблемы геотехники в современном строительстве: Тр. II центр.-азиат. геотехн. сим-поз. Самарканд, 2002. - С. 109-112.

30. Нуждин Л.В., Попов В.Н., Колесников А.О. Вертикальные колебания бесконечной пластины с прямоугольным вырезом // Современные проблемы фун-даментостроения: Мат. межд. науч.-техн. конф. 4.3-4. Волгоград: ВолгГА-СА, 2001. - С.72-75.

31. Нуждин Л.В., Линовский C.B., Колесников А.О. Экспериментальные исследования взаимодействия ростверка с грунтом при колебаниях свайного фундамента // Архитектура и строительство: Тез. докл. науч.-техн. конф. — Томск: Изд. ТГАСУ, 2002. С. 123-124.

32. Нуждин Л.В., Колесников А.О. К оценке динамических реакций на контуре прямоугольного выреза в бесконечной пластине // Изв. Вузов. Строительство. 2004. - №5. - С.22-31.

33. Нуждин Л.В., Гензе П.А., Колесников А.О., Лесин A.B. Комплексные экспериментальные исследования динамического поведения свайных фундаментов, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях //

34. Колесников А.О., Голошевский А.Г. Программное обеспечение расчета колебаний свайных фундаментов на динамические нагрузки // Современные проблемы технических наук: Сб. тез. докл. Новосиб. межвуз. науч. студ. конф. Новосибирск: Изд. НГАСУ, 2000. - С.5.1 Й