Введение к работе
В наращивании экономического потенциала России огромная роль принадлежит районам Севера, Сибири и Даль-пего Востока. Освоение природных богатств и энергетических ресурсов этих районов предполагает модернизацию существующих и строительство новых промышленных и энергетических объектов, создание на их территории сети транспортных коммуникаций и линий связи, жилых и общественных зданий. Зто предопределяет потребность решения ряда проблем, связанных с обеспечением прочности, устойчивости и долговечности зданий и сооружений, возводимых па мерзлых и промерзающих основаниях. Одной из них является проблема морозного пучения грунтов и его силового воздействия на фундаменты зданий и сооружений, решению которой посвящена настоящая работа. Основание, сложенное пучинистымн при промерзании грунтами, находящееся в силовом взаимодействии с фундаментами сооружений, составляет объект настоящих исследований.
Известны многочисленные примеры серьезных повреждений морозным пучением грунтов промышленных и гражданских зданий, транспортных и гидротехнических сооружений, линий электропередачи, трубопроводов и других сооружений. В результате сокращаются сроки их службы, ухудшаются условия эксплуатации. Ежегодно затрачиваются огромные средства на устранение этих повреждений н проведение различных противопучннных мероприятий. С одной стороны, это наносит ощутимый ущерб хозяйству страны, а с другой,— является свидетельством недостаточной изученности и неучета в практике проектирования и строительства силового воздействия морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений.
Несмотря на имеющиеся несомненные успехи в изучении некоторых принципиальных вопросов, связанных с морозным пучением грунтов и его воздействием на сооружения, следует признать, что в целом проблема силового взаимодействия
фундаментов сооружений с промерзающими грунтами остается недостаточно изученной. Существует необходимость в дальнейшем исследовании и теоретическом обобщении этой проблемы, базирующихся на современных представлениях о морозном пучении грунтов, при всем многообразии факторов, влияющих на формирование и динамику сил морозного пучения, а также в разработке надежных методов расчета этих сил. Поэтому тема настоящей работы имеет важное практическое значение и является актуальной в научно-теоретическом плане.
В соответствии с изложенным цель работы состоит в комплексном экспериментальном и расчетно-теоретическом исследовании силового взаимодействия фундаментов с пучинисты-ми в процессе промерзания грунтами, позволяющем:
а) установить закономерности деформирования промерза
ющих грунтовых оснований в зоне силового влияния фунда
ментов разных типов;
б) обосновать расчетные схемы силового взаимодействия
фундаментов с промерзающими грунтами и на их основе раз
работать методы расчетов силовых воздействий морозного
пучения грунтов на фундаменты, а также доступные способы
определения характеристик промерзающих грунтов, исполь
зуемых в этих расчетах;
в) разработать эффективные способы защиты существу
ющих фундаментов от сил пучения.
Для достижения поставленной цели в работе решается комплекс задач, связанных с оценкой напряженно-деформированного состояния промерзающих грунтов в зоне силового взаимодействия с фундаментами сооружений и его нейтрализацией, включающий:
-
Изучение особенностей силового взаимодействия фундаментов с промерзающими пучинистыми грунтами путем анализа и обобщения результатов известных отечественных н зарубежных исследований по этой проблеме и организации специальных полевых и лабораторных исследований.
-
Уточнение и разработку расчетных схем силового воздействия морозного пучения сезоннопромерзающих - грунтов на фундаменты и на их основе создание методов расчета:
а) касательных и нормальных сил пучения на боковых
гранях фундаментов;
б) нормальных сил пучения по подошве фундаментов;
в) деформаций'морозного выпучивания мелкозаглублен-
ных фундаментов;
г) нагрузки на мслкозаглубленные фундаменты, исключающей их морозное выпучивание.
-
Разработку доступных методик и приборов для определения силовых и деформационных характеристик промерзающих грунтов, используемых в расчетах.
-
Разработку эффективных и экономичных способов защиты существующих фундаментов от морозного выпучивания и основ их проектирования.
Для решения этих задач использовались методы исследования, связанные с выполнением экспериментальных работ в полевых и лабораторных условиях, аналитических и конструкторских решений. Полевые экспериментальные исследования, выполненные в разных районах Западной Сибири, включали инструментальные наблюдения за опытными фундаментами в пучинистых грунтах при их сезонном промерзании с использованием специального силомерного полевого оборудования и оригинальных устройств для стабилизации деформаций фундаментов эксплуатируемых сооружений от морозного выпучивания. В лабораторных условиях экспериментальные исследования выполнялись также с использованием оригинального оборудования и приборов с целью выявления закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния промерзающего грунта, взаимодействующего с моделями фундаментов, и установления феноменологических зависимостей деформаций и сил морозного пучения, грунтов от влияющих факторов. Аналитические решения ряда рассмотренных задач реализованы с применением электронной вычислительной техники.
Научная новизна работы заключается в комплексном решении проблемы силового взаимодействия фундаментов с промерзающими пучиннстыми грунтами, базирующемся на единых общепризнанных инженерно-физических основах морозного пучения сезоннопромерзаюших грунтов и обеспечивающем возможность научно обоснованного прогнозирования сил и деформаций морозного выпучивания фундаментов.
Наиболее важные научные результаты могут быть сформулированы следующим образом,
1. Экспериментальными исследованиями вскрыт и объяснен ряд особенностей деформирования морозным пучением промерзающего слоя грунта, находящегося в силовом взаимодействии с фундаментами, заглубленными ниже и выше фронта промерзания.
2. Обоснованы две возможные схемы сопротивления мало-
заглубленных фундаментов морозному выпучиванию: фунда
менты с постоянной внешней нагрузкой, выпучивание кото
рых не ограничено дополнительными связями, и фундаменты,
подвижка которых силами морозного пучения ограничена
жесткими или податливыми связями.
В зависимости от рассматриваемой схемы сопротивления фундаментов морозному выпучиванию формулируется постановка практических задач, связанных с оценкой силового воздействия на эти фундаменты морозного пучения грунтов.
-
Разработан метод расчета деформаций морозного выпучивания одиночных малозаглубленных фундаментов с постоянной внешней нагрузкой с учетом зависимости интенсивности морозного пучения грунта от напряженного состояния промерзающего неоднородного основания с переменным во времени параметром жесткости.
-
Решена задача о динамике формирования по подошве малозаглубленных фундаментов с ограниченной податливостью нормальных сил пучения промерзающего грунта в основании с учетом взаимообусловленности величины этих сил, податливости фундаментов и деформаций их неоднородного основания с переменным во времени параметром жесткости. Составлены алгоритм и программа расчета на ЭВМ.
-
Решена задача об изгибе стены здания с малозаглуб-ленными фундаментами от неравномерного в пределах ее длины морозного пучения грунтов основания как совместно деформируемой системы стена—основание.
-
Разработаны оригинальные приборы и устройства, предназначенные для экспериментального определения параметров силового воздействия морозного пучения грунтов на боковые грани фундаментов.
-
Обобщен обширный банк полученных результатов экспериментального определения эквивалента касательных сил морозного пучения грунта как сопротивлений смерзания грунта с материалом фундаментов при непрерывном сдвиге и обоснованы феноменологические зависимости значений этих сил от величины деформаций морозного пучения грунта и скорости их развития у боковых граней фундаментов, а также от значений отрицательной температуры грунта в широком спектре величин указанных деформаций. Исследованы границы применимости этих зависимостей.
8. С использованием полученных феноменологических за
висимостей разработан метод расчета динамики касательных
сил морозного пучения грунта в процессе его сезонного промерзания по боковым граням фундамента. При этом учитываются также форма и размеры фундамента, зависимостыш-тенсивности пучения грунта на разных уровнях от напряженного состояния в зоне силового влияния фундамента, изменение отрицательной температуры на поверхности грунта и ряд других влияющих факторов.^Составлены алгоритм и программа расчета на ЭВМ.
9. Разработаны теоретические основы кустового эффекта
сван при силовом воздействии на них морозного пучения
грунтов.
-
Усовершенствован приближенный метод расчета касательных сил пучения грунта с использованием экспериментально установленных квазиустойчивых сопротивлений смерзания грунта с материалами фундаментов.
-
Получено аналитическое решение задачи о величине бокового давления промерзающего слоя грунта на грани фундаментов.
-
Разработан оригинальный способ зашиты фундаментов существующих сооружений от действия касательных сил пучения без вскрытия их из-под грунта.
Две научные разработки по теме диссертации защищены авторскими свидетельствами на изобретения.
Внедрение результатов исследований и практическая значимость работы. Научные разработки используются при проектировании и реконструкции различных сооружений на пу-чнппстых при промерзании грунтах, в изыскательской практике при экспериментальном определении параметров силового воздействия морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений, для стабилизации деформаций различных сооружений от действия морозного пучения грунтов. Результаты исследований использовались Новосибирским отделением «Энергосетьпроект» при проектировании линий электропередачи в южной зоне распространения вечномерзлых грунтов; институтом «Снбгипротранс» и Мостотрссгом № 11 — при проектировании и строительстве железнодорожных линий Тюмень—Сургут—Нижневартовск и Сургут—Уренгой; Западно-Сибирским отделением «Гипроводхоз» — при проектировании и реконструкции наземных павильонов сельских насосных станций с незаглубленными фундаментами на подсыпках; Красноярской железной дорогой — при реконструкции свай-но-эстакадных мостов; Свердловской железной дорогой — при реконструкции контактной сети линий электроснабжения и
другими организациями. Ежегодный экономический эффект от внедрения научных разработок составил в цепях 1975-85 гг. около 1 млн. р. Только Красноярской железной дорогой в 1983 г. получена экономия 650 тыс. р. Результаты исследований вошли в «Рекомендации по совершенствованию конструкций и норм проектирования искусственных сооружений, возводимых на пучинистых грунтах с учетом природных условий БАМ» (Москва, 1981), в «Руководство по применению защитных мер от морозного выпучивания опор существующих свайно-эстакадных мостов закрытым способом, правилам приемки в эксплуатацию, надзору и профилактическому ремонту (Новосибирск—Красноярск, 1985), в ГОСТ «Грунты. Метод лабораторного определения эквивалента касательных сил морозного пучения». Результаты исследований по теме диссертации нашли отражение в учебном пособии для строительных вузов Н. А. Цытовнча «Механика мерзлых грунтов», использованы для обоснования ряда научных положений в диссертационных работах на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, а также в монографиях и научных статьях многих авторов.
Исходные материалы и личный вклад автора в исследование проблемы. Основой для решения рассматриваемой проблемы явились более чем тридцатилетние (1959—1990 гг.) экспериментальные и теоретические исследования автора, выполненные на кафедре «Инженерная геология, основания и фундаменты» Новосибирского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров железнодорожного транспорта (Сибирской государственной академии путей сообщения). Все теоретические исследования, вошедшие в диссертационную работу, выполнены лично автором. Многолетние полевые исследования (1970—1984 гг.) в разных районах Западной Сибири, лабораторные экспериментальные и конструкторские исследования выполнены либо автором, либо при его участии н под его научным руководством. Большая часть исследований сформировалась в процессе выполнения более 15-ти научно-исследовательских госбюджетных н хоздоговорных тем по заказам различных организаций, в которых автор принимал участие и осуществлял научное руководство ими.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены в докладах и сообщениях и обсуждены на семинаре по рациональным методам устройства фундаментов в районах глубокого сезонного промерзания грунтов (Ленин-
град, 1964), VIII Всесоюзном межведомственном совещании по мерзлотоведению (Якутск, 1966), научно-технической коїь ференцни ио особенностям строительства в условиях Восточной Сибири (Иркутск, 1969), Всесоюзном межведомственном совещании по обобщению опыта строительства в суровых условиях (Хабаровск, 1969), VI совещании-семинаре по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях (Красноярск, 1970), Научно-техническом семинаре по совершенствованию методов проектирования и строительства железных дорог в суровых условиях (Новосибирск, 1979), Всесоюзном совещании по проектированию и исследованию гидротехнических сооружений (Ленинград, 1979), Семинаре по исследованию состава, строения и свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород (Москва, 1980), Всесоюзном совещании по обмену опытом строительства па вечномерз-лых грунтах (Воркута, 1981), Совещании но геокриологическому прогнозу в осваиваемых нефтегазоносных районах Севера (Москва, 1982), Зональной конференции по проблемам механики грунтов, оснований и фундаментов в условиях глубокого сезонного промерзания (Владивосток, 1983), Всесоюзном совещании по геокриологическому прогнозу при строительном освоении территории (Воркута, 1985), Конференции по инженерно-геологическим изысканиям в области вечной мерзлоты (Благовещенск, 1986), Региональной конференции по инженерно-геологическим проблемам Забайкалья (Чита, 1987), Всесоюзной конференции по проблемам инженерно-геологических изысканий в крполптозоне (Магада і, 1989), Региональной конференции по проектированию свайных фундаментов опор мостов в условиях Сибири (Новосибирск, 1990), III Всесоюзном координационном совещании-семинаре (Владивосток, 1991), Научно-технических конференциях кафедр НИИЖТа (Новосибирск, 1962, 1967, 1972, 1984, 1990), НИСИ (Новосибирск, 1968, 1988, 1991), ЛИСИ (Ленинград, 1964, 1980).
Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 50 работ, в том числе две монографии; авторских свидетельств — 2.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделлв основного содержания и заключения.