CC BY
61РАЗДЕЛ 3.
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, МЕХАНИКА И СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ
УДК 624.151.5
К ПРОБЛЕМЕ ЖИВУЧЕСТИ ПЕРЕКРЕСТНО - ЛЕНТОЧНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА СКЛОНАХ ПРИ НАЛИЧИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ ОСНОВАНИЯ
Барыкин А.Б.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Рассмотрены вопросы обеспечения живучести перекрестных ленточных фундаментов на склоне. Определены возможные причины линейных повреждений в основании. Приведены: характеристика модели, методика и результаты численного эксперимента по работе сооружения с повреждениями в основании, выполненные в программном комплексе «Р1ах18 3ё». Дан анализ изменения напряженно-деформированного состояния фундамента при возникновении линейных повреждений в основании. Обоснована необходимость дальнейших исследований в рассматриваемой области.
Живучесть, перекрестно-ленточные фундаменты, Р1ах18 3^ линейные повреждения основания, напряженно-деформированное состояние, основание.
Введение
В условиях роста стоимости и дефицита свободных от застройки горизонтальных земельных участков, в Южных и других регионах Крыма наблюдается тенденция к освоению неудобий с преобладающими сложными инженерно-геологическими условиями: склонов, лощин и т.п. Одним из наиболее эффективных типов фундаментов для зданий, возводимых на склонах, являются перекрестные ленточные фундаменты, представляющие собой систему перекрестных продольных и поперечных фундаментных балок прямоугольного сечения. В нижней части склона конструкция упираются в удерживающее сооружение, выполненное, например, в виде свайного ростверка [1].
Конструкция фундамента из перекрестных лент дает возможность возводить здания на склонах большой крутизны без их подрезки. Это снижает объемы земляных работ и в ряде случаев существенно уменьшает опасность активизации оползневых явлений. Устойчивость склона возрастает также за счет исключения передачи усилий сдвига на основание, так как они полностью воспринимаются удерживающей конструкцией [2, 3].
Вместе с тем, наклонное основание обладает рядом особенностей, подвержено воздействию склоновых процессов и менее толерантно к запредельным нагрузкам. Учитывая специфику наклонного основания, одной из проблем в области проектирования и эксплуатации перекрестных ленточных фундаментов является обеспечение живучести системы "основание-фундамент" в случае повреждения основания и возникновения запроектных воздействий.
Анализ публикаций
Значительный вклад в разработку общей теории живучести систем внесли работы отечественных ученых: Рябина И. А., Догодонова А. Г., Шербистова Е. И., Крапивина В. Ф., Парфенова Ю. М., Флейшмана Б. С., Котельникова В. А., Черкесова Г.Н., Стекольникова Ю.И. и др. Вопросам живучести в строительной сфере посвящены работы Абовского Н. П., Шапиро Г. И., Травуша В. И., Перельмутера А. В., Еремеева П. Г., Алмазова В. О, Расторгуева Б. С., Тамразяна А. Г., Колчунова В. Н., Клюевой Н. В. и др. [4-13]. Данные исследования не затрагивают вопросов живучести фундаментных конструкций и, в частности, перекрестных ленточных фундаментов.
Цель и постановка задач Цель работы: на основании результатов численного эксперимента обосновать необходимость проведения исследований в области живучести перекрестно-ленточных фундаментов.
Задачи исследования:
- выбор методики проведения численных экспериментов;
- проведение экспериментальных исследований живучести перекрестных ленточных фундаментов при повреждениях основания (численный эксперимент в программе Р1ах1в);
- анализ результатов численного эксперимента.
Методика исследования
Методика исследования включала: численный эксперимент, анализ и синтез; дедукцию; индукцию.
Результаты и их анализ
Сквозные (линейные) повреждения основания представляют собой распространяющиеся на всю ширину или длину здания участки под фундаментами либо на небольшом удалении от них, на которых не обеспечивается выполнения функций основания, или/и нарушается контакт фундамента с основанием. Такие повреждения могут возникать из-за:
- устройства траншей при прокладке коммуникаций;
- изменения физико-механических характеристик грунта оснований с переходом в текучее или текуче-пластичное состояние, например из-за воздействия воды при утечках трубопроводов;
- склоновых процессов в виде перемещения поверхностных участков массива грунта, возникновения трещин, эрозии грунта, абразии и т.д.
Для исследования работы перекрестных ленточных фундаментов на склоне при наличии линейных сквозных повреждений в основании был проведен численный эксперимент, который выполнялся в программном комплексе Р1ах1Б 3ё. Исследовались два вида линейных повреждений - в продольном и поперечном направлении склона (рис.1).
д
Рис. 1. Исследуемый перекрестно-ленточный фундамент: а - конструкция в плане; б,в - модель в программе Р1ах18 3с1 при наличии повреждений в продольном и
поперечном направлении
В качестве исходных данных для численного эксперимента принимались следующие параметры модели:
1) грунт - суглинок со следующими физико-механическими характеристиками:
- модуль деформации E=28000 кН/м ;
- коэффициент Пуассона v=0,3;
- сцепление грунта с=34 кН/м ;
- угол внутреннего трения ф=23 град;
- коэффициент пористости е=0,55;
- объемный вес грунта выше уровня грунтовых вод yunsat=20 кН/м3;
- объемный вес грунта ниже уровня грунтовых вод ysat=21 кН/м .
2) железобетонный перекрестный ленточный фундамент со следующими характеристиками:
- площадь сечения А=0,24 м2;
- объемный вес у=25 кН/м ;
- модуль Юнга Е=21*106 кН/м2;
- момент инерции I3=0,0032 м4;
- момент инерции I2=0,0072 м4.
3) нагрузка - распределенная интенсивностью 80 кН/м .
Повреждение в грунте имело ширину и высоту 1м, создавалось путем выключения характеристик грунта на заданном участке массива в соответствующей фазе расчета. Расчет модели предусматривал четыре последовательных фазы:
- initial phase -расчет грунта в первоначальном состоянии;
- phase 1 - расчет с фундаментом без нагрузки;
- phase 2 - расчет при приложении к фундаменту нагрузки интенсивностью 80 кН/м ;
- phase 3 - расчет при выключении из работы системы одно из заданных повреждений.
Для анализа результатов рассмотрим вторую и третью фазы расчета. Результаты расчета в виде максимальных отрицательных и положительных усилий (момента М, поперечной силы Q и продольного усилия N) представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Максимальные усилия в модели перекрестно-ленточного фундамента при наличии сквозного линейного повреждения в продольном направлении (номер балки указан
на рис.1, а)
№ балки Phase 2 Phase 3
N, kN Q, kN M, kNm N, kN Q, kN M, kNm
«+» «-» «+» «-» «+» «-» «+» «-» «+» «-» «+»
1 -16,4 - -48,98 37,44 - 43,67 -42,34 - -70,99 56,32 - 96,36
2 -7,77 - -32,29 27,15 -0,7013 32,95 -49,41 - -56,91 62,13 -23,18 98,99
3 -7,912 - -45,27 62,52 - 58,17 -25,07 - -72,35 56,73 -0,948 113,1
4 -270,2 - -49,94 26,31 -47,5 48,9 -296 - -63,25 33,97 -61,98 54,54
5 -226,5 - -44,39 21,04 -27,6 47,16 -216,7 - -42,38 24,55 -37,91 56,12
6 -259,9 - -46,09 17,66 -21,31 34,2 -261,8 - -46,46 19,32 -21,13 35,32
Эпюры изгибающих моментов, полученные в результате расчета, представлены на рис. 2 и 3. Как видно из рис. 1, изгибающий момент при введении продольного повреждения в наибольшей степени возростал в поперечных балках над повреждением. Так увеличение в балке 1 составило 120%, в балке 2 - 200%, в балке 3 - 82%. Существенным были изменения продольной силы в поперечных балках, составившие 2,6 раза в балке 1, 6,35 раза в балке 2 и 3,17 в балке 3. Максимальные изменения поперечной силы наблюдались у повреждения и составили 1,5 раза в балке 1, 2,9 раза в балке 2 и 1,6 раза в балке 3.
Таблица 2
Максимальные усилия в модели перекрестно-ленточного фундамента при наличии сквозного линейного повреждения в продольном направлении (номер балки указан __на рис.1, а)_
№ балки Phase 2 Phase 3
N, kN Q13, kN M2, kNm N, kN Q13, kN M2, kNm
«+» «-» «+» «-» «+» «-» «+» «-» «+» «-» «+»
1 -16,4 - -48,98 37,44 - 43,67 -16,22 - -49,86 38,27 - 45,69
2 -7,77 - -32,29 27,15 -0,701 32,95 -7,768 - -36,95 35,94 -2,973 38,62
3 -7,912 9,379 -45,27 62,52 - 58,17 -10,99 14,41 -53,08 74,93 - 79,77
4 -270,2 - -49,94 26,31 -47,5 48,9 -248,5 - -47,81 44,82 -40,49 33,1
5 -226,5 - -44,39 21,04 -27,6 47,16 -153,2 3,49 -38,63 52,19 -45,59 55,82
6 -259,9 - -46,09 17,66 -21,31 34,2 -200,8 - -35,56 57,6 -63,51 59,88
Рис. 2. Эпюры изгибающих моментов в лентах, а - без повреждения, б - при наличии сквозного линейного повреждения в продольном направлении
Рис. 3. Эпюры моментов в лентах, а - без повреждения, б - при наличии сквозного линейного повреждения в поперечном направлении
В продольных лентах, расположенных в непосредственной близости к повреждению, наибольшее увеличение максимального изгибающего момента достигло 30% в ленте 4 и 37% в ленте 5. Одновременно наблюдалось изменение и формы эпюр изгибающих моментов в данных лентах. Увеличение максимальных величин изгибающих моментов в ленте 6, удаленной от повреждения было незначительным. На фоне небольшого увеличения продольной силы в ленте 4 произошло его снижение в ленте 5. Увеличение
поперечной силы в наибольшей степени наблюдалось в ленте 4 а максимальное его значение составило 26%.
Введение поперечного повреждения в основание сопровождалось изменением формы эпюр изгибающих моментов в продольных балках во втором пролете с изменением знака ординат на участках у повреждения. В поперечных балках 1 и 2 введение поперечного повреждения не привело к существенному изменению усилий. В балке 3, расположенной ниже повреждения, изменение максимального изгибающего момента составило 37%, продольной силы 54%, а поперечной силы 21%.
Учитывая, что при введении сквозных повреждений в грунтовом основании происходят значительные изменения в ординатах эпюр изгибающих моментов, поперечных и продольных сил, а так же изменения в форме эпюр со сменой знака на отдельных участках, можно сделать вывод о значительном влиянии повреждений на напряженно-деформированное состояние фундамента. Соответственно для обеспечения безопасности эксплуатации перекрестных ленточных фундаментов на склонах необходимо проведение исследований и разработка методики оценки их живучести при возникновении повреждений грунтового основания.
Выводы
1. Возникновение линейных повреждений в грунтовом основании приводит к значительному росту изгибающих моментов, продольных и поперечных сил в перекрестных ленточных фундаментах на склоне. Наибольшие изменения наблюдаются в лентах у повреждений.
2. Увеличение усилий в фундаментных лентах и изменение формы их эпюры зависит от размеров и расположения повреждений, характеристик самого фундамента.
3. Потеря несущей способности перекрестного ленточного фундамента на склоне при возникновении линейных повреждений в основании может наступать в результате превышения максимальных расчетных усилий, а так же изменения знака изгибающего момента.
4. Для перекрестных ленточных фундаментов на склонах, где вероятно возникновение линейных повреждений в основании, необходим расчет конструкций на живучесть. Для разработки методики расчета требуется проведение экспериментальных и теоретических исследований.
Список литературы
1. Барыкин А. Б. К вопросу о биопозитивности строительства на сложном рельефе / Б. Ю. Барыкин, А. Б. Барыкин // MOTROL. — Commission of motorization and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. — Lublin, 2012. — Vol. 14, № 6. — P. 125— 135.
2. Барыкин А. Б. Ресурсосберегающие принципы проектирования зданий на сложном рельефе / Б. Ю. Барыкин, А. Б. Барыкин // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. (По материалам девятой междунар. науч.-практ. конф. "Геометрическое и компьютерное моделирование: энергосбережение, экология, дизайн", 24-28 сент. 2012 г.). — Симферополь : НАПКС, 2012. — Вып. 41. — С. 39—44.
3. Барыкин Б.Ю. Взаимодействие перекрестно-ленточного фундамента на склоне с песчаным основанием: диссертация на соискание учен. степ. канд. тех. наук. — Днепропетровск,1990. — 271 с.
4. Александрович В.Ф. Фазы деформации, пластические зоны в основании и осадки ленточного фундамента./ Александрович В.Ф., Федоровский В.Г. // Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении: Т.П. Методы проектирования эффективных конструкций оснований и фундаментов.— НИИОСП — М.:Стройиздат,1987 — С. 114-115.
5. Алексеев С.И. Автоматизированный метод расчета фундаментов по двум предельным состояниям./ Алексеев С.И. — Псков: Псковский политехнический институт Санкт-Петербургского государственного университета, 1996. —206с.
6. Алмазов В.О. Проблемы сопротивления зданий прогрессирующему разрушению / В.О. Алмазов, А.И. Плотников, Б.С. Расторгуев // Научно-технический журнал Вестник МГСУ, № 2. Т.1. 2011. Периодическое научное издание. Москва. МГСУ. -с. 15-20.
7. Дьяков И. М. Предпосылки и некоторые аспекты применения теории живучести к оценке работы подпорных стен на запредельные нагрузки / И. М. Дьяков // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. — Симферополь : НАПКС, 2011. — Вып. 39. — С. 29—34.
8. Дьяков И. Оценка живучести отдельно стоящих фундаментов на основе изучения процесса их разрушения / Игорь Дьяков // MOTROL. — Commission of motorization and energetics in agriculture : Polish Academy of sciences. — Lublin, 2013. — Vol. 15, № 5. — P. 115—122.
9. Дьяков И. М. Живучесть фундаментов и ее роль в прогрессирующем разрушении зданий и сооружений / И. М. Дьяков // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. — Симферополь : НАПКС, 2013. — Вып. 46. — С. 63—71.
10.Клюева Н.В. Метод экспериментального определения параметров живучести железобетонных стержневых систем / Н.В. Клюева, А.С. Бухтиярова, А.А. Дорофеев // Материалы междунар. науч.-техн. конф. "Строительная наука-2010: теория, практика и инновации - Северо-Арктическому региону». Архангельск : САФУ, 2010. - С. 191-200.
11.Клюева Н.В. Алгоритм расчета живучести статически неопределимых железобетонных балок / Н.В. Клюева, Н.Б. Андросова, А.С. Бухтиярова // Изв. ОрелГТУ. Сер. Строительство. Транспорт. 2007. № 3. С. 14-22.
12. Колчунов В.И. К вопросу алгоритмизации задачи расчета живучести железобетонных конструкций при потере устойчивости / В.И. Колчунов, М.В. Моргунов, Л.В. Кожаринова, Н.О. Прасолов // Труды юго-западного государственного университета. Промышленное и гражданское строительство, №12, 2012. - с. 52-54.
13.Тамразян А.Г. Рекомендации к разработке требований к живучести зданий и сооружений //Научно-технический журнал Вестник МГСУ, № 2. Т.1. 2011. Периодическое научное издание. Москва. МГСУ. - с. 77-83.
УДК 624.131.543
ВИДЫ КАТАСТРОФ В ОПОЛЗНЕВОМ ПРОЦЕССЕ Ефремов А.В.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Описаны виды катастроф оползней, возникающих в процессе перехода оползней из стационарного положения (устойчивое и неустойчивое) в активное состояние. Раскрыты сущность катастроф различного вида и условия их возникновения. Дана классификация вида катастроф и их характеристика в различных условиях поведения. Исходя из положений второго закона Ньютона о движении тел по наклонной плоскости, выявлено соотношение между силами сдвига пород оползня и силами сопротивления их сдвигу.
Оползни, катастрофы, устойчивое поведение, равновесное поведение, трёхмерное пространство
