Введение к работе
Актуальность работы Освоение природных богатств и энергетических ресурсов Севера европейской части, Сибири и Дальнего Востока предполагает строительство новых объектов энергетики, транспортных коммуникаций, дальнейшего развития жилищно-коммунального строительства, охраны окружающей среды Сезонное промерзание грунтов наблюдается на территории, занимающей около 40% всей площади России, где толщина сезонного промерзания достигает 0,8-3,5 м На остальной территории залегают толщи многолетнемерзлых грунтов, поверхностный слои которых, подвергаемый сезонному оттаиванию и промерзанию, достигает толщины от 0,2 до 3-4 м В связи с этим использование сезонно промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований фундаментов для малоэтажных здании, ростверков свайных фупдамспюв и для подземных сооружений, при глубине промерзания более 1,0 м.позволило бы значительно удешевить стоимость фундаментов и сократить трудоемкость строительства па зі их
территориях
Цель работы Диссертация посвящена решению крупной научной проблемы обеспечения прочности, устойчивости и долговечности малоэтажных зданий, подземных сооружений и свайных фундаментов, возводимых на сезонно промерзающих пучинистых грунтовых основаниях
Задачи исследования
1) теоретическое обоснование закономерностей распределения давления пучения
по ширине и длине фундаментов, по глубине промерзания, с учетом прочностных
характеристик мерзлых грунтов по времени и аналитическое определение его значения,
2) разработка установки для определения степени пучииистости грунтов от
давления в лабораторных условиях и способа ее определения при давлениях, близких к
натурным условиям нагружения фундаментов,
3) исследование прочностных и деформационных характеристик сезонно
промерзающих грунтов по времени по опубликованным научно - техническим
материалам,
4) обоснование расчетных схем взаимодействия фундаментов с промерзающими
пучинистыми грунтами по их подошве и боковой поверхности для определения морозного
выпучивания последних,
5) установление закономерностей взаимодействия сезонно промерзающих
пучинистых грунтов с подземными сооружениями,
-
определение дополнительных нагрузок на фундаменты, здания и подземные сооружения при использовании сезонно промерзающих пучинистых грунтов в качестве их оснований,
-
разработка рекомендаций для проектирования малоэтажных зданий на мелко заглубленных фундаментах и подземных сооружений,
-
внедрение результатов выполненных исследований на строительных площадках Западной Сибири
Объект исследования- малоэтажные здания, надземные и подземные сооружения, свайные фундаменты, возведенные па сезонно промерзающих пучинистых грунтовых основаниях
Предмет исследований влияние сезонно промерзающих пучинистых грунтов на прочность, устойчивость, трещиностойкость и деформации малоэтажных зданий, надземных и подземных сооружений и свайных фундаментов
Методы исследовании
а) аналитические исследования по распределению давления морозного пучения по
ширине, длине и боковой поверхности фундаментов по глубине сезонного промерзания с
учетом длительной прочности сезонно промерзающих грунтов,
б) лабораторные исследования степени пучинистости грунтов ненарушенной
структуры от давления,
в) натурные исследования деформаций малоэтажных зданий, надземных и
подземных сооружений методом нивелирования с обработкой результатов измерений
методами маїематической статистики, '
г) натурные исследования глубины промерзания грунтов на застроенной
і ерритории г Омска с высоким уровнем грунтовых вод
Научная нопшна полученных результатов состоит в следующем 2) решена задача о распределении давления пучения по ширине и длине фундаментов по глубине промерзания с их количественными значениями, в зависимости от действующих нагрузок, размеров фундамента, с соблюдением условий равновесия между нагрузкой и давлением пучения,
2) предложена новая расчетная схема взаимодействия фундамента с промерзающим пучинистым грунтом по его подошве и боковой поверхности, с учетом длительной прочности мерзлого грунта на растяжение и сдвиг, и соблюдением условия
равновесия, позволяющее определить распределение давления от фундамента по глубине промерзания и, соответственно, величину послойного выпучивания грунта, как в обратной засыпке, так и под подошвой фундамента по мере промерзания грунта,
3) обосновано определение зависимости степени пучинистости грунта от давлення,
с учетом сжатия образца грунта и деформации конструкции крепления динамометра на
его поверхности для измерения в лабораторных условиях максимального значения
давления пучения испытуемого грунта, что подтверждено патентом па изобретение, а
установка - свидетельством на полезную модель,
4) установлена зависимость прогибов отдельных участков подземных сооружений
от величины их морозного выпучивания с учетом их изгибной жесткости и па этой основе
приняты конструктивные решения для неотапливаемых зданий, водопропускных
сооружений, одноэтажного холодильника с камерами, тоннеля, отстойника,
прямоугольного закрытого емкостного сооружения, фундамента малоэтажного здания,
фундамента-опоры для технологических трубопроводов, возводимых па пупгтшетьтх
грунтовых основаниях, новизна технических решений которых подтверждена патентами
на изобретения и свидетельствами на полезные модели,
-
предложен способ определения дополнительной нагрузки на подземное сооружение от намерзания грунта обратной засыпки на его боковые поверхности, что подтверждено патентом на изобретение,
-
обоснована расчетная схема взаимодействия одиночных сваи и спайного ростверка с пучйнистым грунтовым основанием с учетом длительной прочности мерзлого грунта на растяжение и соблюдением условия равновесия между удерживающими ті выпучивающими силами, позволяющее определить распределение давления от спайного фундамента по глубине промерзания и, соответственно, величину послойного выпучивания грунта вокруг одиночной сваи и самой сваи, а также ростверка свайного фундамента и площадь растянутой арматуры в сваях и в ростверке, что подтверждено патентом на изобретение
Достоверность научных результатов и выводов подтверждена натурными наблюдениями за выпучиванием малозаглубленных фундаментов, свай и свайных фундаментов, подземных сооружений и успешной эксплуатацией зданий и сооружений в течение многих лет, построенных с учетом разработок автора
Практическая значимость работы заключается в следующем 1) разработан аналитический метод определения дополнительных усилий в фундаментах, зданиях и подземных сооружениях с учетом законов механики мерзлых
грунтов (длительной прочности на растяжение и сдвиг и модуля деформации мерзлого грунта), и статики сооружении (условий равновесия),
2) разработан метод проектирования малоэтажных зданий и подземных
сооружении с использованием сезонно промерзающих пучинистьисгрунтов в качестве-
основании под них по I и II группе предельных состояний с учетом дополнительных
нагрузок от сил морозного пучения, позволяющий получить новые проектно-
консірукторские и технологические решения, по своим технико-экономическим и
экологическим показателям превосходящим существующие отечественные и зарубежные
аналої и,
-
создана усіаповка и разработан способ определения степени пучинистости грунта от давления в лабораторных условиях, позволяющие определить степень пучшшетосіи грунтов под фундаментами в натурных условиях с учетом собственного веса промерзаемого грунта,
-
разрабоїап метод проекшрования свайных фундаментов с использованием сезонно промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований и для обратных засыпок, позволяющий увеличить несущую способность фундамента и удешевить его стоимосіь за счеі исключения мероприятии по защите его от вредного влияния морозного пучения, нредусмоірепньїе действующими нормами проектирования,
5) разрабоїап метод проектирования многоэтажных зданий с учетом
дополнительных нагрузок при промораживании грунта основания в период их
строительсіва,
6) разработан меюд проектирования надземных технологических трубопроводов
на мелкозаглубленных фундаментах с использованием сезонно промерзающего грунта в
качесівс основания
Рслліилцші работы Научные разработки использованы при проектировании и строительстве более десяти подземных пешеходных переходов в г Омске, резервуара для храпения питьевой воды, объемом 10000 м3 в г Омске, двух отстойников на очистных сооружениях ливневой канализации в г Ханты-Мансийске, более десяти трансформаторных подстанций в г Омске и области, в г Ханты-Мансийске, более 50 хозблоков в р п Азово Омской области, свайных фундаментов под каркасные здания в г г Омске и Хашы-Маисииске, под технологическое оборудование наружных установок завода «Пластмасс» в г Омысе, надземной теплотрассы протяженностью более 4,5 км в г Омске, 9-ій этажного жилого дома в г Омске, водопропускного сооружения под дамбой в г Ханты-Мансийске В результате внедрения новых методов проектирования получен экономический аффект более 56 миллионов рублей в ценах 2004 года Установка для
определения зависимости степени пучинистости грунта от давления использовалась в Омском филиале СоюзДорНИИ
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на VIII научно-технической конференции НИИОСПа им Н М Герсевапова (г Москва, 1978 г), на ежегодных научно-технических конференциях СибАДИ (г Омск, 1981-1983 гг), региональных конференциях «Проблемы фундамептостроения на пучинистых грунтах» (г Чита, 1985 г), «Инженерно-геологические проблемы Забайкалья» (г Чита, 1987г), «Проблемы проектирования и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений» (г Пенза, 16-17 сентября 2004 г), на международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (г Алма-ата, республика Казахстан, 23-25 сентября 2004 г), «Взаимодействие сооружений и оснований методы расчета и инженерная практика» (г Санкт-Петербург, 26-28 мая 2005 г)
За работу «Проектирование и строительство зданий и сооружений на пучшшегых грунтовых основаниях», отмеченную в конкурсе на лучшие научные и творческие работы в области архитектуры, градостроительства и строительных наук, автор награжден дипломом РААСН в 1999 г, за научную «Гипотезу о распределении нормальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого слоя грунта под фундаментами», отмеченную в конкурсе на лучшие научные и творческие работы в области архитектуры, градостроительства и строительных наук, - награжден дипломом РААСН в 2003 г Международной академией авторов научных открытий и изобретений выдано Свидетельство №301 от 20 04 2004 о регистрации научной гипотезы «Гипотеза о распределении нормальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого слоя грунта под фундаментами»
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 39 работ, в том числе 1 свидетельство на научную гипотезу, 12 свидетельств на патенты и полезные модели Список основных публикаций приведен в автореферате
Личный вклад автора В работе обобщены материалы инженерно-геологических исследований и наблюдений за деформациями объектов, выполненных ОАО «ОмскТИСИЗом», результаты многолетних (1976-2004 гг) исследовании автора, выполненных в ТЛИ ОАО «Омскгражданпроект», лабораторные исследования в холодильной камере Омского филиала СоюзДорНИИ совместно с его сотрудниками
Лабораторные исследования и натурные наблюдения за деформациями зданий, надземных и подземных сооружений вьшолнены по методике и под руководством автора, все теоретические исследования выполнены автором лично
Натурные наблюдения за деформациями зданий, надземных и подземных-сооружений выполнены под Научным руководством автора, сотрудниками ОАО «ОмскТИСИЗ» Ю М Ширмановым, Л В Колода и Л П Королем Лабораторные исследования степени пучинистости грунтов вьшолнены автором совместно с инженером Л Н Чекаповой и лаборантами Омского филиала СоюзДорНИИ
На защиту выносятся-
-научная гипотеза о распределении нормальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого слоя грунта (ТСГ) под фундаментами,
расчетная схема взаимодействия фундамента с промерзающим пучинистым грунтом по его подошве и боковой поверхности с учетом длительной прочности твердомерзлого слоя грунта (ТСГ) на растяжение с соблюдением условия равновесия между напряжениями в грунте от внешней нагрузки и напряжениями (давлением) морозного пучения,
установка и способ определения степени пучинистости грунта от давления в лабораторных условиях,
расчетная схема взаимодействия сезонно промерзающих пучинистых грунтовых оснований с малоэтажными зданиями, подземными и надземными сооружениями при неравномерном морозном пучении грунта основания по их длине,
методика определения дополнительных нагрузок на здания и подземные сооружения от сил морозного пучения грунта основания и обратной засыпки,
методы расчета зданий и подземных сооружений, свайных фундаментов на сезонно промерзающих пучинистых грунтах
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы (310 наименований) и четырех приложений Содержит 326 страниц, в том числе 103 рисунка и 76 таблиц Приложения размещены на 94 страницах, в том числе 4 таблицы и 65 рисунков
