Взаимодействие регулируемых фундаментов с грунтовым основанием зданий при подъеме и выравнивании домкратами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат наук Скибин, Михаил Геннадьевич

• Скибин, Михаил Геннадьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Скибин, Михаил Геннадьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ФУНДАМЕНТОВ

1.1 Методы защиты зданий от неравномерных деформаций основания и способы устранения сверхнормативных неравномерных деформаций

1.2 Виды конструктивных решений регулируемых фундаментов

1.3 Данные теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния основания регулируемых фундаментов

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ФУНДАМЕНТА

2.1 Основные положения и постановка задач исследования

2.2 Методика экспериментального моделирования

2.2.1 Испытательная установка, аппаратура и программное обеспечение для проведения экспериментальных исследований

2.2.2 Теоретические основы эксперимента

2.2.3 Модель регулируемого фундамента

2.2.4 Программа экспериментальных исследований

2.2.5 Определение предельного давления на основание

2.3 Исследование изменения НДС основания регулируемого фундамента на моделях с учетом технологических стадий выравнивания

2.4 Исследование НДС основания регулируемого фундамента на моделях с различными жесткостными параметрами

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ФУНДАМЕНТА

3.1 Принципы работы оснований регулируемых фундаментов при подъеме и выравнивании зданий и сооружений

3.2 Существующие методики расчета регулируемых фундаментов и их оснований

3.3 Анализ результатов инженерных расчетов основания регулируемого фундамента при подъеме и выравнивании

3.3.1 Расчет регулируемого фундамента по методике И. А. Симвулиди

3.3.2 Расчет регулируемого фундамента по методике М.И. Горбунова-Поссадова

3.4 Численный анализ влияния параметров регулируемого фундамента на изменение НДС основания

3.5 Сравнение результатов расчетов по различным методикам с данными экспериментального моделирования

3.6 Практические рекомендации по проектированию и расчету регулируемых фундаментов с учетом их взаимодействия с грунтовыми основаниями

3.7 Выводы по главе

ГЛАВА 4. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ

РЕШЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОСНОВАНИЯМИ

4.1 Анализ влияния параметров регулируемого фундамента на технологию подъема и выравнивания зданий

4.2 Подъем и выравнивание зданий с регулируемыми фундаментами переменной жесткости

4.2.1 Конструктивные решения регулируемых фундаментов переменной жесткости

4.2.2 Технологическая карта на устройство регулируемого фундамента переменной жесткости

4.3 Методика оценки напряженно-деформированного состояния основания регулируемого фундамента

4.4 Выводы по главе

ГЛАВА 5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5.1 Основные авторские разработки по тематике исследования

5.2 Подъем и выравнивание 14-ти этажного жилого дома в г.Нальчике по ул. Гагарина

5.3 Подъем и выравнивание 9-ти этажного жилого дома в г.Ростове-на-Дону по ул. Темерницкой

5.4 Подъем и выравнивание 5-ти этажного жилого дома в г.Ростове-на-Дону по ул. 1-я Баррикадная

5.5 Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Нормативные документы

Патенты

Основная литература

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Копии патентов на разработки автора

Приложение 2. Копии актов внедрения

Приложение 3. Пример документирования результатов экспериментов в ПК«СОТИ»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие регулируемых фундаментов с грунтовым основанием зданий при подъеме и выравнивании домкратами»

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивный рост городов, сложившийся исторически за счет увеличения их общей площади, с использованием в первую очередь территорий с легкими и средними условиями воздействий горно-геологических процессов грунтового основания, в настоящее время привел к необходимости освоения под строительство неудобий тесной городской застройки и районов с преобладанием сложных инженерно-геологических условий. Застройка таких участков зданиями различного функционального назначения представляет собой актуальную проблему современной стройиндустрии.

Проектирование и строительство зданий и сооружений на территориях со сложными инженерно-геологическими условиями является сложной инженерной задачей, от правильности решения которой будет зависеть эксплуатационная надежность, долговечность и техническое состояние объектов строительства. В большинстве случаев, решение таких задач не представляется возможным или оказывается недостаточным из-за большого количества отрицательных факторов влияющих на развитие неравномерных деформаций грунтового основания фундаментов зданий и сооружений. Темпы и рост строительства жилья в России по федеральным программам финансирования, отсутствие мониторинга и должной технической паспортизации, строящихся и эксплуатируемых объектов привело к сложившемуся состоянию жилищного фонда страны, который характеризуется огромным количеством аварийных и требующих капитального ремонта зданий. В связи с этим необходимо применять и разрабатывать эффективные и экономически выгодные методы по сохранению и восстановлению эксплуатационной надежности строительных объектов, в том числе, по защите и устранению сверхнормативных неравномерных деформаций.

Строительной науке известны различные методики и технологии защиты зданий от неравномерных деформаций и устранения их последствий, но наиболее эффективным и широко внедряемым в практику в различных странах

современного мира является подъем и выравнивание зданий при помощи плоских домкратов [31-37,40].

Выравнивание зданий плоскими домкратами сложный технологический процесс, который включает множество как строительных операций по усилению конструкций, так и оптимизацию параметров применяемых систем гидравлического оборудования и систем контроля геометрического положения. Исключительные особенности аварийных строительных объектов, состояние их конструкций и инженерно-геологические условия площадки в совокупности определяют конструктивные изменения, и усиления фундаментно-подвальной части, которые необходимы для размещения технологического оборудования и выполнения работ по подъему и выравниванию. В целом измененную часть здания называют регулируемым фундаментом, от которой зависит сохранность внутренней геометрии и надежность всего процесса подъема, являющейся главным условием проводимых работ, так как они выполняются без отселения жильцов.

Изучению и развитию метода подъема и выравнивания посвящены работы многих российских и зарубежных ученых, таких как Э.М. Гендель [61,62], С.Н. Клепиков [89], В.П. Шумовский, Ю.К. Болотов [57-59,103,119], В.Д. Зотов [73,74,97,98,116,120,124], М.В. Зотов [70-72,74-76].

Мало изученным фактором, при выравнивании зданий домкратами, является изменение напряженно-деформированного состояния грунтового основания зданий и сооружений с регулируемыми фундаментами. Учет данных особенностей позволит усовершенствовать и автоматизировать системы с плоскими домкратами для подъема и выравнивания зданий, разработать наиболее эффективные и экономичные конструктивные решения регулируемых фундаментов и тем самым значительно сократить затраты на защиту или устранение сверхнормативных деформаций зданий и сооружений. На основании изложенного изучение напряженно-деформированного состояния грунтового основания регулируемых фундаментов зданий и сооружений при их защите от неравномерных деформаций является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является оценка изменения напряженно-деформированного состояния основания регулируемого фундамента на различных стадиях подъема и выравнивания здания, направленная на усовершенствование методики расчета и развитие технологических решений.

Для достижения цели диссертационной работы решались следующие задачи:

1. Экспериментальные исследования работы основания регулируемых фундаментов на различных технологических стадиях подъема и выравнивания;

2. Теоретические исследования НДС основания регулируемого фундамента с использованием численных и инженерных методов;

3. Разработка технологии выравнивания зданий с применением регулируемых фундаментов переменной жесткости;

4. Разработка методики определения и прогнозирования напряженно-деформированного состояния основания регулируемого фундамента.

Научная новизна работы заключается в том, что: -получена новая информация о напряженно-деформированном состоянии основания регулируемого ленточного фундамента в экспериментальных исследованиях на моделях;

- экспериментально подтверждены особенности изменения НДС основания регулируемого фундамента при подъеме и выравнивании, численное обоснование которых представлено в работах М.В. Зотова и В.Д. Зотова;

- выполнена оценка влияния жесткостных параметров регулируемого фундамента на изменение НДС грунтового основания при подъеме и выравнивании;

- развита методика расчета и технология устройства регулируемых фундаментов.

Практическая значимость:

разработан программный комплекс «СОТИ», позволяющий автоматизировать экспериментальные исследования по исследованию НДС грунтовых оснований с помощью тензометрических приборов;

- разработаны рекомендации по проектированию и оптимизации параметров регулируемых фундаментов;

- разработаны новые конструктивные решения и технологии устройства регулируемых фундаментов, приоритетная новизна которых защищена патентами на изобретения и полезные модели;

- результаты исследований апробированы и внедрены в производственную практику научно-производственной фирмы «Интербиотех» при разработке проектов регулируемых фундаментов для подъема и выравнивания многоэтажных зданий в г. Ростове-на-Дону, Москве, Нальчике, Волгодонске, Туапсе и Сухуме.

На защиту выносятся:

1. Результаты обобщения и обработки экспериментальных исследований по изучению НДС основания регулируемого фундамента.

2. Программа для ЭВМ «СОТИ» по автоматизации экспериментов и обработке информации при изучении НДС основания с помощью тензометрических приборов.

3. Усовершенствованный метод расчета и проектирования регулируемых фундаментов.

4. Новые конструктивные решения регулируемых фундаментов переменной жесткости.

5. Технология устройства регулируемых фундаментов переменной жесткости для выравнивания зданий и сооружений с обжатием грунтового основания.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 124 наименования, и 3 приложений. Полный объем диссертации 214 страницы, включая 97 рисунков и 26 таблиц. Основной текст диссертации (без оглавления, списка литературы и приложений) содержит 173 страниц печатного текста.

Диссертационная работа выполнена в русле научного направления НПО «Интербиотех»: «Подъем и выравнивание зданий и сооружений с помощью

плоских домкратов» (руководитель Зотов В.Д.), и научной школы ФГБОУ ВПО «Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт)»1: «Механика грунтов, основания и фундаменты» (руководитель Скибин Г.М.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научно-практическим конференциях в г.г.Санкт-Петербург, Волгоград, Нальчик в 2009 году, на всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (г. Новочеркасск 2012 г.), на научных семинарах Ростовского регионального отделения Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению, на ежегодных научно-технических конференциях строительного факультета ЮРГТУ (НПИ). За разработку и внедрение конструкций регулируемых фундаментов, а также технологий по подъему и выравниванию зданий и сооружений решением президиума РОМГГиФ автор был удостоен диплома им. профессора Ухова С.Б. (Москва, 2010).

Результаты работы использованы: в учебном процессе по специальности 29.03 ПГС, при подготовке курса лекций по «Строительству в экологически неблагоприятных условиях».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 21 опубликованных работах, в том числе 3 статьи в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, а также 1 патент на изобретение, 7 патентов на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программ.

1 19.08.2013 г. федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (новочеркасский политехнический институт)» переименовано в федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Внедрение результатов. Результаты исследований использованы в практике НПФ «Интербиотех» при разработке проектов регулируемых фундаментов для подъема и выравнивания многоэтажных зданий в г. Ростове-на-Дону, Москве, Нальчике, Туапсе и Сухуме.

В производство внедрены методики и рекомендации, разработанные автором, в виде технологических карт и схем устройства регулируемых фундаментов.

Разработка диссертационной работы основана на научных и практических достижениях ученых НПФ «Интербиотех», Киевского НИИСК и кафедры «Промышленного и гражданского строительства, геотехники и фундаментостроения» ЮРГТУ (НПИ).

и

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ

ФУНДАМЕНТОВ

1.1 Методы защиты зданий от неравномерных деформаций основания и

способы устранения сверхнормативных неравномерных деформаций

Развитие и совершенствование науки и компьютерных технологий позволяет в настоящее время использовать различные сложные методы и модели для расчета грунтовых оснований зданий и сооружений, но не один из них не сможет наиболее точно отразить все механические и физические характеристики такого сложного материала как грунт, а в совокупности с процессами, протекающими в сложных инженерно-геологических условиях это совсем не возможно. Поэтому при проектировании зданий и сооружений и их обследовании в период эксплуатации большое внимание уделяют изучению возможных причин и последствий проявления и развития неравномерных деформаций грунтового основания.

Во многих случаях деформации грунтового основания связаны с внешней нагрузкой на него. Что обусловлено изменением плотности грунта под воздействием дополнительных давлений. Такие деформации проявляются в виде осадок, просадок и горизонтальных смещений земной поверхности. Величина и характер таких деформаций на сегодняшний день является наиболее прогнозируемой, в виду того что они происходят вследствие явного действия внешних сил на грунтовое основание.

Наиболее опасными и мало предсказуемыми являются деформации грунтового основания, проявляющиеся при изменении структуры грунта из-за химических, гидро-геологических и суфузионных процессов. Такого рода деформации несут внезапный характер и проявляются в виде провалов, оседаний, подъемов и просадок от собственного веса.

Развитие деформаций грунтового основания, в особенности их неравномерности, влечет за собой изменение положения в пространстве зданий

и сооружений, а также напряженно-деформированного состояния их конструкций. По данным исследований профессора Ананьева В.П. [48,49,77] причиной проявления неравномерных деформаций в одном случае могут быть грубые ошибки, допущенные в процессе выполнения инженерно-геологических изысканий, проектирования и строительства зданий, в другом - влияние происходящих природных и техногенных процессов при их эксплуатации. Урбанизация территорий, развитие городской инфраструктуры является мощным фактором антропогенного воздействия на все компоненты биосферы, поскольку строительство и эксплуатация любых сооружений всегда вызывает те или иные отклонения от состояния природного экологического равновесия. В работах [78,95,99,107,109,110,114] Мурзенко Ю.Н., Скибина Г.М., Передельского П.В., Приходченко О.Е., Казакова И.Г., Слинко О.В, Ткачука Э.И. показано, что нарушение сложившейся природной обстановки неизбежны даже при самом тщательном соблюдении всех норм и правил строительного производства и эксплуатации.

Таким образом, основным источником причин неравномерных деформаций оснований зданий и сооружений выступает человеческий фактор, это ошибки, допущенные при проведения геологических изысканий, ошибки на стадии проектирования оснований и фундаментов, отклонения от проекта и нарушения технологий производства работ при возведении строений, неудовлетворительная эксплуатация и обслуживание зданий и их инженерных коммуникаций. Причин не связанных с техногенным воздействием не так уж и много, но все, же они обширно распространены в строительном производстве. К ним относят неравномерное распределение жесткостных и весовых параметров зданий и сооружений, неоднородность и разнообразие инженерно-геологического строения грунтового основания на обширных территориях застройки.

Согласно современным нормам и правилам проектирования здания и сооружения необходимо рассчитывать с учетом совместной деформации их конструкций и грунтового основания [2,13,17,20,22,29], для этого введены

нормативные значения совместных деформаций для зданий с различными объемно-планировочными и конструктивными решениями, которые характеризуются следующими параметрами:

- абсолютная осадка (подъем) основания 5 отдельного фундамента;

- средняя осадка фундамента сооружения я;

- относительная разность осадок (подъемов) двух фундаментов з/Ь (Ь -расстояние между фундаментами);

- относительный крен фундамента (сооружения) г;

- относительный прогиб или выгиб /!Ь {Ь - длина однозначно изгибаемого участка сооружения);

- кривизна изгибаемого участка сооружения;

- относительный угол закручивания сооружения;

- горизонтальное перемещение фундамента (сооружения) и^

Нормативные величины параметров совместных деформаций зданий и их

оснований зависят от жесткости сооружения и характеристик грунтового основания [9,11,12,14,15,18-21,25].

Проблема развития неравномерных деформаций грунтового основания зданий и сооружений имеет распространение в районах со сложными инженерно-геологическими условиями, которые покрывают обширные территории Российской Федерации и стран ближнего зарубежья.

Согласно сбору информации о кренящихся зданиях, только в Ростовской области насчитывается более 100 жилых многоэтажных домов, крены которых во много раз превышают нормативные значения. Примером может служить 9-ти этажный жилой дом по ул. Темерницкой, 34, отклонение, от вертикали которого составляет 90см, что больше нормативного значения в 6,4 раза (рис. 1.1). Основной причиной развития неравномерных деформаций основания данного объекта послужила разработка котлована для нового строительства вблизи здания без устройства шпунтовых ограждений и креплений откосов, а также утечки из водонесущих коммуникаций.

На сегодняшний день существует множество мероприятий и средств по

мониторингу за состоянием зданий и сооружений, в том числе регламентированных нормативными документами [1-6,12,18,21,26,27], но нет ответственных служб, которые бы вели учет и технические паспорта для зданий претерпевающих неравномерные деформации грунтового основания. В результате происходят чрезвычайные ситуации с обрушением конструкций эксплуатируемых, по сути, аварийных зданий, которые несут угрозу здоровью и гибели людей.

Последствиями проявления деформаций грунтового основания в зависимости от их масштаба и конструктивного решения зданий могут быть:

- различного рода разрушения и повреждения конструкций, возникшие в результате дополнительных напряжений в материалах;

- нарушение работы инженерных коммуникаций в результате образования обратных уклонов;

- остановка лифтов в многоэтажных зданиях;

- ухудшение эксплуатационных качеств и надежности сооружения;

- обрушение здания или его части;

- изменение отметок уровня планировки прилегающей территории памятников архитектуры и объектов культурного наследия, в результате потеря внешнего исторического облика.

Рисунок 1.1. Жилой дом в г.Ростове-на-Дону

Для предупреждения и устранения последствий неравномерных деформаций необходимо проведение специальных мероприятий, позволяющих сохранить или повысить эксплуатационную надежность, сроки эксплуатации и эстетический вид зданий.

Мероприятия по повышению и сохранению эксплуатационных качеств сооружений появились с начала освоения людьми подземного пространства, когда жилые помещения устраивались в естественных и искусственных выработках в горных породах [117]. На основании накопленного опыта при строительстве подземных культовых и жилых сооружений человек совершенствовал способы их защиты, а некоторые из них стали типовыми решениями в настоящее время. Примером тому может служить устройство

вертикальной гидроизоляции подземной части с использованием водонепроницаемых материалов или применение дренажных конструкций.

Сегодня существует большое количество способов защиты зданий и сооружений от неравномерных деформаций, которые применяют как на стадии проектирования и возведения, так и во время эксплуатации объектов строительства [79,100].

Проектирование и строительство оснований и фундаментов является комплексной задачей, которая должна учитывать инженерно-геологические условия, характеристики строящегося здания и способы производства работ [20].

В первую очередь для обеспечения долговечности и эксплуатационной надежности здания необходимо создать надежное основание, что достигается мероприятиями по уменьшению и устранению неравномерной деформируемости грунтов, к ним относят:

1) Предохранение грунтов основания от ухудшения их свойств (водо- и хим- защитные мероприятия, ограничение источников внешних воздействий, сохранение естественных характеристик грунтов основания в процессе строительства и т.п.);

2) Преобразование строительных свойств грунтов (создание искусственных оснований: уплотнение, замена, закрепление, армирование грунта и т.п.)

В некоторых случаях эффективным является приспособление конструкций сооружений к полному или частичному восприятию неравномерных деформаций основания, путем проведения конструктивных мероприятий. Такое приспособление может осуществляться тремя способами:

1) усиление конструкций и повышение жесткости здания;

2) придание конструкциям максимальной гибкости;

3) регулирование напряженно-деформированного состояния грунтового основания.

Помимо перечисленных традиционных способов и методов защиты

зданий от неравномерных деформаций оснований геотехниками разрабатываются инновационные конструкции фундаментов, применимых только в определенных грунтовых и эксплуатационных условиях. При этом они позволяют экономить средства, время, уменьшить объемы работ и обеспечить эксплуатационную надежность зданий на весь срок службы.

К таким технологиям можно отнести:

- устройство теплоизоляционных фундаментов;

- устройство фундаментов способных к развитию и приспособлению при изменении грунтовых условий или эксплуатационных нагрузок;

- устройство регулируемых фундаментов.

Если рассматривать теплоизоляционные фундаменты, то такие конструкции наиболее эффективно применять в районах с вечной мерзлотой, где глубина сезонного промерзания значительна. Поэтому разработкой и изучением таких конструкций занимаются в северных районах нашей страны С.Петербурге, Екатеринбурге и т.д. Наиболее известные научные работы, посвященные теплоизоляционным фундаментам, принадлежат ученым УралНИИАС В.В. Лушникову, Ю.Р. Оржеховскому и В.В. Веселову.

Что же касается второй группы инновационных разработок фундаментов то к ним можно отнести, например: фундаментную плиту с отверстиями под сваи. Развитием таких технологий занимаются многие научно-исследовательские организации выполняющие проектирование сложных строительных объектов и фундаментов на территориях со сложными инженерно-геологическими условиями.

Устройство регулируемых фундаментов подразумевает выполнение конструкций фундаментно-подвальной части с возможностью размещения в ней силовых элементов (домкратов, термопластин) с помощью которых корректируется геометрическое положение здания в пространстве. Такие конструкции применялись при строительстве жилых домов в г.Волгодонске, на территории которого преобладают просадочные грунты, залегающие на глубину до 40м. В 1960 годах институтом НИИОСП и «Мосгражданпроектом» был

разработан и реализован проект «гибкого» дома для строительства на просадочных грунтах, в основе которого заложен принцип подъема здания плоскими домкратами при проявлении недопустимых осадок основания [96,113]. Развитие, идея о проектировании регулируемых фундаментов под вновь строящиеся здания, получила благодаря широкому применению в 80-90-х годах технологии подъема и выравнивания эксплуатируемых зданий и сооружений имеющих сверхнормативные деформации. В конце 80-х годов благодаря работам С.Н. Клепикова этот метод подъема здания плоскими домкратами нашел отражение в СНиП [13]. Существенный вклад в исследовании и проектировании зданий с регулируемыми фундаментами на территориях со сложными инженерно-геологическими условиями принадлежат Киевскому НИИСК [57-59,87,89]. Сегодня развитием данного направления фундаментостроения активно занимается научно-производственная фирма «Интербиотех [31 -46,66-67,70-76,97,98,103,111,116].

В большинстве случаев на практике приходится сталкиваться с объектами строительства уже имеющих последствия развития неравномерных деформаций грунтового основания, устранение которых является более сложной задачей, чем проведение защитных мероприятий на стадии проектирования и строительства. Методы восстановления эксплуатационной надежности аварийных зданий претерпевших неравномерные деформации подробно рассмотрены П.А. Коноваловым [79], согласно приведенным методикам можно выделить три основных направления:

- укрепление фундаментов - восстановление и усиление конструкций для восприятия дополнительных усилий;

- усиление оснований - устройство искусственного основания и подведение свай;

- корректировка геометрического положения зданий в пространстве -выравнивание неравномерных осадок и кренов зданий.

Первые два направления повышения эксплуатационной надежности аварийных объектов позволяют восстанавливать несущую способность

конструкций зданий и их оснований, но не могут в полной мере устранить сверхнормативные неравномерные деформации характеризующиеся креном, скручиванием или изломом надземных конструкций. Поэтому третье направление является наиболее эффективным в борьбе с последствиями неравномерных деформаций. В основе данных мероприятий положена компенсация неравномерных осадок основания, заключающаяся в создании локальных неравномерных перемещений не вызывающих недопустимых значений деформаций в строительных конструкциях и не нарушающих эксплуатационную пригодность объектов.

Существует две основные группы методов корректировки геометрического положения зданий в пространстве:

1. Опускание здания или его части - способы, в которых применяются удаляемые из-под стен зданий материалы, разуплотнение грунтов оснований, вплоть до выборки грунта под фундаментными конструкциями, подлежащих опусканию, создание локальных перемещений под фундаментами путем их уплотнения.

К таким способам относят технологии: выбуривание грунта из под подошвы фундамента, регулируемое замачивание основания со стороны здания с меньшими деформациями, вдавливание фундаментов в грунтовое основание посредством создания между ними и надфундаментными конструкциями распорных усилий.

Апробация таких технологий на практике нашла место при выравнивании в 80-х годах целого ряда экспериментальных 9-ти этажных и 5-ти этажных панельных зданий на плитных фундаментах в г. Волгодонске. Сегодня методы выбуривания грунта из-под подошвы фундамента и регулируемое замачивание основания широко применяется при выравнивании зданий и сооружений в Украине.

2. Подъем и выравнивание здания или его части - способы поддомкрачивания надфундаментных конструкций с использованием различных подъемных приспособлений (клиновых устройств и домкратов).

Различие существующих технологий подъема и выравнивания сооружений обуславливается не только применяемым оборудованием, но и особенностями реализации подготовительных и специальных работ при устранении сверхнормативных деформаций зданий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Скибин, Михаил Геннадьевич, 2014 год

Список

и + - ж

Номер прибора Дата тарировки

► 100 23.09.2010

101 23.09.2010

102 23,09.2010

Закрыть

Рисунок 2.11 Справочник приборов.

Тарировка датчиков необходима для расшифровки и анализа результатов измерений, полученных при эксперименте. Градуировка месдоз производилась в градуировочном баке с цилиндрической рабочей камерой диаметром и высотой 0,3 м. Месдозы устанавливались в контактный слой песка с удельным

весом 16,5 кН/м3 на расстоянии 1,5 см от поверхности (рис. 2.12).

БАК С ЗОЛОЙ

РАБОЧАЯ КАМЕРА

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ НАСОС

МАНОМЕТР Я

Рисунок 2.12 Градуировочный бак.

Активное вертикальное давление создавалось гидравлическим насосом и передавалось на датчики через резиновую мембрану. Результаты опроса датчиков на каждом этапе нагружения фиксировались в соответствующем меню программы «СОТИ». Программа позволяет вести одновременную тарировку пяти приборов. По результатам автоматически строились градуировочные графики для каждого датчика. Окно тарировки содержит основные характеристики прибора, согласно номенклатуре занесенной в справочнике приборов (рис. 2.13). По окончании тарировки результаты сохранялись в справочнике приборов в табличном и графическом виде.

С? Тарировка

Номер прибора |Ю15 [891 ^ I1012 Номер канала [оо

Кол-во шагов [й

325 31 |914

~Б 3 [оь 3 |о8 3

Шаг измерений |о.6

Модель прибора МЦМ-5-06

Шаг |3начени^^~ Датч.1 датч.2|датч.3 Датч.4 Датч.5

0.6 1.2 1.8 2.4

3

3.6 4.2 4.8

Шаг 1. Установите значение 0 ]

ок

Отмена

СТАРТ!

1015

891

1012

325

914

Номер измерения

Сброс

Закрыть

Рисунок 2.13 Окно «Тарировка» программы «СОТИ».

Следующий этап - создание схемы эксперимента, предполагает подготовку схем расположения датчиков, создание списка используемых в данном опыте месдоз.

Для исследования напряжений в основании регулируемого фундамента выбрано два сечения:

- первое сечение по оси дискретной нагрузки, что при подъеме соответствует действию домкрата (сечение 1 - 1);

- второе межу дискретными нагрузками, т.е. между домкратами (сечение 2

-2).

Месдозы устанавливались как на контакте фундамента и основания, так и в самом основании модели регулируемого фундамента, на глубине - 0.25Ь, 0.5Ь, 1Ь, 1.5Ь и 2Ъ, с шагом в поперечном направлении 0.5Ь, где Ь - ширина подошвы фундамента. Схемы расположения датчиков в сериях экспериментов представлены на рис. 2.14-2.16.

СХЕМА УСТАНОВКИ ДАТЧИКОВ

° Р

гг^-

0.25Ь

о5ь |_--1---1-_-|._-1-11111

ь |---1---г~-Г--|-

,5Ь I-----1---I---1 _

11111 2Ь 1-- + --1---Г—1-

>_Ш_I ¿00

л.

4.

1111 I §

111111а 200 _1020_

1

1 - 1

ГЛ

Д-

0.5/, |- - Ц/4- -4-1-1— -Р\Н - -I-

I / I III 1X1

"¡1 I I I

тп-т-гг

[150 ¡^150 [150 [150 [150 ],.

I

Рисунок 2.14 Схема расположения датчиков в основании модели регулируемого фундамента во второй серии экспериментов.

СХЕМА УСТАНОВКИ ДАТЧИКОВ

1

1 - 1

I

I

I

I

Рисунок 2.15 Схема расположения датчиков в основании модели регулируемого фундамента в третьей серии экспериментов.

1 - 1

IЕ

0,56 1—к—^ — I——I —Р

4-И-Н1Н-!

;,5Й I--I-4-1--4-4-

I I I I I \ I I I I

150

\iso\n

1—»-1—

150

V,

б)

т_г_

■\—-I—

I I -г_г_

.J__J__

ч-V

л.

£ и—

(-I

Г" I-I I

~7~Т—I

—1--4--1

I I I —Г —Г—I __1-Л__I

В)

—I—I—I-

—1

о.

-I-и

%

•в

___£

-к— —I---1---К--1

11^111 ■1—т—т—г—г—I

-■I——1-—1--4--1

! I I

-г-т-I ]. }00 |, 100

I

—I

т>т

I

г-

г_т_т~т—[ I

■I---I--ф-4--^4

111111 г~т-| т__г_п

]___|__ + _4__1_4

-4-1-1-

— л— + —I---1- —

4

"1--1-"

4-1—

I

I I

1—т —

■I--Х- —■

I I 1—Г-'

]. ш |. ям

V,

-1---1 Л31Г Ц-и

- + —

I I I

— т—Г—I

— 4--1-4

I I I

—т—г—|

гоо ]. 300 |. 200

V

Рисунок 2.16 Схема расположения датчиков в основании модели регулируемого фундамента в четвертой серии экспериментов: а) в сечении; б) в плане на глубине 0,5Ь; Ь; 1,5Ь; в) в плане на глубине 2Ь.

Затем выполнена настройка программы «СОТИ», в окне «Создание схемы эксперимента». Окно содержит 5 основных полей: схема эксперимента, компоненты схемы, панель настройки визуализации и панель управления для перехода в режим проведения эксперимента и документирования (рис. 2.17).

Настройка производится в следующей последовательности:

1) Указывается название эксперимента;

2) В поле с компонентами схемы заносятся номера используемых датчиков, указываются их координаты в соответствии со схемой расположения, присваиваются номера каналов для подключения к вторичному оборудованию;

3) Добавляются фигуры, которые визуально изображают контуры модели фундамента;

4) Указывается вид эпюр и изолиний, положение сечений в которых они будут строиться.

Визуально настройки схемы эксперимента отображаются в графических окнах: «План-Вид сверху», «Вид спереди», «Вид слева» (рис. 2.17).

лан - Вид сверху ■-■ш'чДиМШ'** ^ ^

: Создание схемы эксперимента

Схемы экспериментов

МН1ИМ + I -

С : коп

Дата создэнЖазвание

|примечами([

►¡31.08.2010 Рег.Фунд.Опыт 1. Скибин 13.09.2010 Новый

АЙ]

Датчики I фигуры \ Эпюры | Изолинии

•I I; - + - -

¡Прибор ОриецХ

И 897 2 -0.2 -0.225 0.6 02

891 2 -0.2 -0.075 0.6 04

1026 2 -о.г -0.375 0,45 06

934 2 -0.2 -0.225 0.45 08

1018 2 -0.2 -0.075 0.45 10

5-60 2 -0.2 -0.375 0.3 12

5-27 2 -0.2 -0.225 0.3 14

5-57 г -0.2 -0.075 0.3 16

896 2 -0.2 0.075 0,6 20

861 2 -0.2 0.225 0.6 22

754 2 -0,2 0.375 0.6 24

1010 г -0.2 0.075 0.45 26

Г< та

Показать План

Вид слева

Вид спереди

Обновить все виды

Разрешить отображение Я? Положения датчиков 17 Сигма X 17 Сигма У 17 Сигма Т

17 Положения фигур Г Положения эпюр

Г" Положения изополей

Перейти к опытам

0

В

Документирование

Настройки Закрыть

1

3

А* 4 ь а.

$11 & ! . . £К

з]

д с пе реди <■ П X ' Вид еле ва

Рисунок 2.17 Окно программы СОТИ «Создание схемы эксперимента»

После создания схемы эксперимента и настройки программы

выполнялась подготовка всего оборудования к проведению эксперимента.

Подготовка к опытам проводилась в следующей последовательности. В лотке машины МФ - 1 отрывался прямоугольный котлован на всю длину лотка шириной и глубиной приблизительно равной 1м. Затем производилась послойная обратная укладка песка слоями по 6 - 7 см с тщательным уплотнением и контролем плотности в 10-15 точках каждого слоя, который осуществлялся иглой плотномером.

В соответствии со схемами расположения датчиков (рис. 2.14 - 2.16) в основание устанавливались тензометрические приборы (рис. 2.18). Для этого в первую очередь на выровненной поверхности основания, с помощью отвеса и направляющей рейки - двигающейся по кромке лотка, отмечались места расположения приборов.

Рисунок 2.18 Установка датчиков в основание модели.

На подготовленное основание устанавливались модели регулируемого фундамента, чему предшествовала подготовка и разметка контактной поверхности: срезка лишнего слоя песка и разметка осей и границ модели. Для создания равномерно распределенной нагрузки на модель монтировалась траверса с шаровыми опорами под домкраты испытательной машины МФ-1. Одновременно выставлялись гидравлические домкраты. Затем устанавливалась траверсная ферма, к которой крепился прогибомер (рис.2.19).

Рисунок 2.19 Установка модели регулируемого фундамента.

На следующем этапе подготовки к опыту устанавливались датчики перемещений, фиксирующих деформации модели фундамента. Затем к тензостанции подключались месдозы, проверялась ее работа, работа силовой установки машины МФ-1 и производилась настройка программы СОТИ для проведения эксперимента (рис. 2.20).

В)

Рисунок 2.20 Подготовка к эксперименту: а) установка датчиков перемещений; б) подключение тензометрических датчиков; в) настройка и

проверка системы опроса датчиков.

Проведение эксперимента обеспечивалось работой всех систем АСНИ и включало:

1) Фиксацию показаний с датчиков перемещений и тензометрических

преобразователей на различных этапах нагружения;

2) Нагружение модели регулируемого фундамента до необходимого давления на основание.

3) Изменение характера нагрузки на модель из равномерно-распределенной к дискретной, путем демонтажа опор ОП1 и ОП2.

Управление нагружением модели регулируемого фундамента осуществлялось с пульта управления машины МФ-1. Контроль приложенной к модели нагрузки осуществлялся по шкале маятникового силоизмерителя. В первой серии экспериментов модель нагружалась ступенями по 1000кг на один домкрат вплоть до предельного состояния, в последующих экспериментах нагрузка на модель прикладывалась в 4-ре ступени, при которых среднее давление по подошве модели фундамента соответствовало: 0,22Рпр=1 ООкПа, 0,43Рпр=200кПа, 0,54Рпр=250кПа, 0,65Рпр=300кПа. Поддержание нагрузки на одном уровне производилось регулировкой подачи масла из насосной станции в гидравлическую систему машины. При достижении соответствующей ступени нагрузка поддерживалась на одном уровне не менее двух минут или до стабилизации осадок, которые фиксировались визуально по прогибомеру.

Исходными данными для анализа результатов изменения НДС основания регулируемого фундамента являлись начальные показания датчиков при нулевой нагрузке на модель фундамента, затем показания фиксировались на каждой ступени нагружения. Значения деформаций фиксировались визуально и заносились в протокол эксперимента.

Управление опросом и фиксация значений показаний с месдоз выполнялось программой «СОТИ» в окне «Проведение эксперимента» (рис. 2.21). Окно содержит протокол измерений на каждом этапе нагружения и общий протокол измерений. Каждый этап опроса сохраняется как эксперимент с заданными параметрами: значение нагрузки на модель, времени проведения и названия. Значения измеренных сигналов с тензометрических преобразователей автоматически пересчитываются программой, в соответствии с данными тарировки, в соответствующие им значения напряжений в основании модели.

Протоколы эксперимента сохраняются в программе с возможностью их дальнейшей обработки при анализе результатов.

-

.Проведение эксперимента

i i ;

ш ж

Имя прибора Тип при Марка прибо[ Дата тарирси Каь^ Ревер Послед -42

897

891

1026

934

1018

5-60

5-27

5-57

Мездоз

Мездоз

Мездоз

Мездоз

Мездоз

Мездоз

Мездоз

Мездоз

Мездоз

896

<Ж1

Эксперименты

МЦМ-5-06

МЦМ-5-06

МЦМ-5-06

МЦМ-5-06

МЦМ-5-06

МЦМ-МЛ-5-OÉ 26.08,2010

МЦМ-МЛ-5-0е 25,08,2010

мцм-мл-5-oe

MUM-5-06

16,08.2010

16.08.2010

16.08,2010

25.08.2010

27.08.2010

26.08.2010

26.08.2010

02

04

06

08

10

12

14

16

20

измерение 0

F=

0.592

02.09..Л

измере =

F=

нет нет нет нет нет нет нет нет нет

76 -90 104 1021 169 0

848 -286 481

0.229 -9999 0.091

0

0.252

-9999

0,387

0,32

0

93 -48 0

8038 211 110 855 -2110 501 М

Усилие

У"1-Н I м

Время зкспдНазвание |Примечаь

ш

Датчики | Фигуры Эпюры j Изолинии | Р 1/2

I И w| + l-U с-

0 02.09,2010 измерение 0 7.5 02.09.2010 измерение 1(1к 4.9 02.09.2010 измерение 2(2к 18.3 02.09.2010 измерение 3(2,! 21.9 02.09.2010 измерение 4(3к 0 02.09.2010 измерение 5(ра

Название Тип

|Коор1 Коор2

► 1

Сигма2 по Z

-0.2 0.075

< 1 ч!

Показать План

Вид слева

Вид спереди

Обновить все виды

Разрешить отображение I? Положения датчиков 1? Сигма X Сигма V р Сигма 2

р Положения фигур Р Положения эпюр

Г Положения изополей

Показать эпюру

Настройки Закрыть

Схема: Per.Фунд.Опыт 1, Эигперимент:введите название Усилие о

Время: 22:14:25

ПУСК

Рисунок 2.21 Окно программы СОТИ «Проведение эксперимента».

Первоначальный анализ данных результатов экспериментов проводился в программе «СОТИ» в соответствующей вкладке, запуск из подменю «Работа». Окно анализа результатов (рис. 2.22) содержит результаты измерений и обработки данных измерений, информацию по приборам используемых в рассматриваемом эксперименте и графические окна для вывода эпюр и изолиний (план, вид спереди, вид слева). При проведении экспериментов зачастую появляются некорректные данные, связанные с повреждением датчика или отсутствием сигнала, которые влияют на построение эпюр и изолиний, для этого в программе реализована возможность корректировки результатов эксперимента. Для формирования отчета по проведенному исследованию при анализе реализована функция «документирования». Все результаты опытов

экспортируются в HTML- файл, в виде таблиц, схем и графических объектов (Прил. 3.).

Анализ результатов эксперимента

а ■ 0 £2

Эксперименты

м + - *

Усилие Время экш« Название

Примечание

U

4

О 19.03.2011 тест 0 19.03.2011 тест 2 0 19.03.2011 Усилие 0 (0 кг/с 2.44 19.03.2011 Усилие 2,44(1 и 2.44 19.03.2011 Усилие 2,44(1 к 4.88 19.03.2011 Усилие 4,88(2 к 4.88 19.03.2011 Усилие 4,88(2«

Датчики | Фигуры | Эпюры Изолинии | ф 1/2

I ► I м| + | - ^ | I С

Название Тип

Koopl

►jl |2

Сигма2 в OYZ Сигмаг в OYZ

0 -0.2

□

Показать План

Вид слева Вид спереди

обновить все видь

Разрешить отображение

1*7 Положения датчиков

р СигмаХ Сигма У Сигма г

Положения фигур Г~ Положения эпюр

Г" Только текущей Г" Положения изополей Г" Только текущей

Показать изолинии

Документирование

Настройки

Закрыть

Рисунок 2.22 Окно программы СОТИ «Анализ результатов эксперимента».

На основании результатов анализа экспериментальных данных в программе «СОТИ» и с помощью электронных таблиц (программа Excel) построены эпюры и изолинии распределения напряжений в основании моделей регулируемого фундамента и графики зависимости осадки моделей от нагрузки.

2.2.5 Определение предельного давления на основание.

Предельное состояние системы «модель регулируемого фундамента -

песчаное основание» определялось в первой серии экспериментов из двух опытов. Данные эксперименты являются необходимыми для установления границы рабочих давлений для принятой модели регулируемого фундамента.

Напряжения в основании при проведении данных опытов не исследовались, нагрузка на модель передавалась равномерно-распределенная, модель принята жесткой в продольном направлении.

Регистрация предельных значений всех измеряемых величин производилась следующим образом. В момент, когда при увеличении подачи масла в гидравлическую систему стрелка силоизмерителя останавливается, но осадка модели заметно продолжается, наступает некоторое условное равновесие, которое продолжается приблизительно 1-1.5 минуту, за которые необходимо снять показания с датчиков перемещений и силоизмерителя. Нагрузка, соответствующая этому моменту является предельной. Затем наступает процесс разрушения основания, сопровождающийся падением нагрузки и быстрым ростом осадки, на данном этапе наблюдается выпор грунта из-под фундамента.

Результаты опытов первой серии экспериментов представлены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Нагрузка на модель Среднее расчетное Значение осадки, Б, мм

№ п/п Суммарная от Погонная, давление по 1 опыт 2 опыт

домкратов, ЗР, кг ц, кН/м подошве, Рср, кПа

1 0 0 0 0 0

2 3000 12,05 40,2 -0,61 -0,91

3 6000 24,1 80,3 -1,75 -2,24

4 12000 48,2 160,7 -4,96 -5,53

5 18000 72,3 241 -7,57 -8,35

6 24000 96,39 321,3 -10,45 -10,95

7 30000 120,49 401,6 -13,93 -14,86

8 33000 132,54 441,8 -18,7 -19,5

9 33600 134,95 449,8 - -20,1

10 34200 137,36 457,9 - -21,7

11 34500 138,57 461,9 -25 -26

Предельное давление, Рпр, кПа 461,9 457,9

По результатам построены графики зависимости осадка - давление.

ЗАВИСИМОСТЬ "ДАВЛЕНИЕ-ОСАДКА " ДАВЛЕНИЕ, Р, к Па

0 50 100 150 200 250 300 350 ^00 ¿>50 500

0 -5 ^ -10 1/? д ^ -20 о -25

—♦— ОПЫТ

ч N1

А

-30

Рисунок 2.23 Графики зависимости осадки основания модели регулируемого от давления для первой серии экспериментов.

Таким образом, среднее значение предельного давления по результатам серии экспериментов, составило: Рпр = (461,9+457,9)/2 = 459,9кПа.

По графикам на рис. 2.23 видно, что зависимость между осадкой основания модели и давлением в интервале нагружения от 0 до 400кПа носит линейный характер, что соответствует рабочему интервалу давлений для данного фундамента, т.е. эксплуатационных давлений удовлетворяющих требования действующих норм [19,20]. Исходя из этого, принимаем ступени нагружения моделей регулируемого фундамента из расчета средних значений напряжений по подошве фундамента - 100, 200, 250 и ЗООкПа. При этом нагрузки на модель и натуру регулируемого фундамента из условий

моделирования будут соответствовать значениям, приведенным в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Среднее давление по подошве, Р, кПа Значение давлений в долях от предельного, Р/Рпр Значения нагрузок на модель Значения нагрузок на натурный фундамент

От домкратов, кН Погонная, кН/м Дискретная, кН Погонная, кН/м Дискретная, кН

100 0,22 73,2 30 12 150 300