Введение к работе
Актуальность темы диссертации. К ограждающим конструкциям относятся шпунты, стеновые ограждения колодцев, тоннелей и строительных котлованов, подпорные стенки и многие другие.
Задачи об определении величины давления грунта на ограждающие конструкции при наличии нагрузок на поверхности ставились уже давно, но до последнего времени еще не нашли своего строгого решения, что привело к использованию в практике строительства различных упрощенных методов, базирующихся на ряде гипотез и допущений, основными из которых являются:
поверхность скольжения принимается в виде наклонной плоскости, назначение угла наклона которой не всегда строго обосновано;
практически всегда учитывается лишь одна вертикальная нормальная составляющая напряжений;
величина коэффициента бокового давления грунта не всегда входит в расчетные формулы;
величина временной нагрузки, расположенной на поверхности котлована, суммируется с собственным весом грунта и не оказывает влияния на распределение горизонтальных нормальных и касательных напряжений в грунтовом массиве и т.д.
Поэтому, решение задачи об оценке величины бокового давления грунта на ограждающие конструкции с учетом нагрузки на поверхности грунта, является актуальным.
В связи с этим в настоящем диссертационном исследовании поставлена цель:
предложить методы расчета величины бокового давления грунта на жесткие
элементы удерживающих сооружений и подбора сечений элементов гибких
ограждений котлованов, а также определение безопасных параметров,
обеспечивающих длительную устойчивость вертикальных незакрепленных откосов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Провести анализ существующих методов расчета предельной высоты вертикального откоса. На основании результатов этого анализа предложить расчетную модель и разработать инженерный метод расчета высоты вертикального откоса, обеспечивающую его длительную устойчивость.
-
Предложить инженерный метод расчета величины бокового давления грунта на жесткие удерживающие сооружения, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива, который не использует гипотезу о плоских поверхностях скольжения, был бы приемлем для сыпучих и связных грунтов и учитывал бы одну из важнейших характеристик напряженного состояния грунтового массива в естественном состоянии - коэффициент бокового давления грунта ^0.
-
Разработать инженерный метод, позволяющий проводить подбор сечений элементов гибких ограждающих конструкций котлованов, учитывающие деформационные свойства грунта.
-
Проверить адекватность предложенных методов путем сопоставление результатов, получаемых на их основе, с результатами экспериментальных и теоретических исследований, проведенных независимо от нас другими исследователями.
-
Разработать компьютерные программы-калькуляторы, в которых формализованы предложенные методы расчета.
Достоверность результатов диссертационного исследования, выводов и рекомендаций обоснована:
-
Теоретическими и экспериментальными предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости (методы конечных элементов и теории функций комплексного переменного), теории пластичности, теории предельного равновесия, инженерной геологии и механики грунтов;
-
Результатами анализа известных расчетных методов и использованием апробированных гипотез и допущений;
-
Удовлетворительной сходимостью результатов сопоставительных расчетов с результатами экспериментальных данных, полученных другими авторами и результатами расчетов известными методами при адекватных значениях коэффициента бокового давления грунта, находящихся в интервале его природных значений.
-
Использованием в качестве инструмента исследования верифицированных компьютерных программ, зарегистрированных в государственном реестре.
-
Результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в строительную практику.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что
-
Определены графические и аналитические зависимости, позволяющие определить безопасную высоту однородного вертикального откоса, при которой гарантирована его длительная устойчивость при тех или иных физико-механических свойствах грунта, слагающего откос.
-
Получены и изучены закономерности изменения сил бокового давления на жесткие ограждающие конструкции в зависимости от геометрических параметров котлована, внешней равномерно распределенной нагрузки и ее интенсивности, физико-механических свойств грунта, включая величину коэффициента бокового давления грунта 0.
-
Разработан инженерный метод расчета величины бокового давления грунта на жесткие ограждения котлованов и удерживающие сооружения, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива, который, в отличии от известных, не предполагает принятия гипотез о форме поверхностей скольжения, а их положение и форма зависят от физико-механических свойств грунта, включая коэффициент бокового давления ^0, геометрических параметров котлована и внешней равномерно распределенной нагрузки. Полученные графические и аналитические зависимости составили базу данных компьютерной программы-калькулятора, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности определять величины бокового давления грунта на ограждающие конструкции.
-
Предложен инженерный метод расчета сечения гибких элементов ограждающих конструкций котлованов, основанный на анализе величин перемещений точек грунтового массива, которые напрямую зависят не только от деформационных характеристик грунтов (Е0; ,), как это обычно имеет место быть, но и от геометрических параметров котлована, интенсивности, ширины и положения внешней равномерно распределенной нагрузки на дневной поверхности. Метод формализован в компьютерную программу-калькулятор, которая позволяет на стадии предварительного проектирования с приемлемой для инженерной практики степенью точности подбирать сечения гибких элементов ограждающих конструкций
Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проводимых на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2010-2013 г.г.
Представленные в диссертационной работе результаты исследований могут быть использованы для:
определения безопасных параметров однородных вертикальных откосов, обеспечивающих их длительную устойчивость;
вычисления сил бокового давления грунта на жесткие ограждающие конструкции котлованов и других грунтовых сооружений при наличии равномерно распределенной нагрузки различной интенсивности, ширины и положении на поверхности грунтового массива;
расчета сечений элементов гибких ограждающих конструкций вертикальных выемок и котлованов в зависимости от деформационных характеристик грунта и параметров внешней равномерно распределенной нагрузки;
проведения курсового и дипломного проектирования студентами и магистрантами строительных вызов.
Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах: ежегодных научно-технических конференция преподавателей, аспирантов и студентов Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2010-2013гг); международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.); научно -техническом семинаре «Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции» (Новосибирск, 2011 г.); на международной IV научно - технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2013 г.); на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете. Личный вклад автора заключается в:
определении параметров, составлении механико-математических моделей и расчетных схем МКЭ исследуемых объектов (вид, размеры, граничные условия, степень дискретизации);
составлении рекомендаций для определения параметров, обеспечивающих длительную устойчивость вертикальных откосов;
проведении, обработке результатов и анализе численных исследований величины бокового давления на жесткие удерживающие сооружения с учетом внешней нагрузки, физико-механических свойств грунта, в том числе и коэффициента бокового давления, построении графических зависимостей и записи их аналитических аппроксимаций;
разработке инженерного метода расчета сил бокового давления на жесткие удерживающие сооружения и формализации его компьютерной программе-калькуляторе;
разработке предложений по проведению расчета и подбору сечений гибких элементов ограждающих конструкций с учетом деформационных характеристик грунтов (Е0; 0), геометрических параметров котлована, интенсивности, ширины и положения внешней равномерно распределенной нагрузки на его дневной поверхности; разработке соответствующего инженерного метода и формализации его в компьютерной программе-калькуляторе;
проведении сопоставительных расчетов, анализе и сравнении их результатов с экспериментальными и теоретическими данными, полученными другими авторами;
внедрении результатов и рекомендаций диссертационной работы в практику проектирования и строительства.
На защиту выносятся:
-
Механико-математические модели и расчетные схемы МКЭ исследуемых объектов.
-
Выявленные закономерности влияния физико-механических свойств, величины коэффициента бокового давления грунта, параметров котлована и внешней равномерно распределенной нагрузки на величину бокового давления на жесткие удерживающие сооружения.
-
Инженерный метод расчета величины бокового давления на жесткие удерживающие сооружения.
-
Предложения по расчету сечений элементов гибких ограждающих конструкций в зависимости от деформационных характеристик грунта, параметров котлованов и внешней поверхностной нагрузки.
-
Компьютерные программы-калькуляторы, в которых формализованы предложенные методы расчета.
-
Результаты сопоставления экспериментальных и теоретических данных, полученных другими авторами, с результатами расчетов тех же объектов на основе сделанных в диссертационной работе предложений.
-
Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.
Результаты научных исследований внедрены:
- при проведении предварительных поверочных расчетов несущей способности
шпунтового ограждения котлована на объекте: «Комплекс из трех 24-х этажных
жилых домов со встроенными помещениями, подземной автостоянкой и
многофункционального здания» по адресу: г. Волгоград, Советский район, ул.
Авиаторская;
- в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 научных статьях, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы, из 130 наименований и приложений. Общий объем работы - 200 страниц машинописного текста, в том числе 147 страниц основного текста, содержащего 58 иллюстрации и 8 таблиц.
