Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время заглубленные сооружения стали полноправными элементами городской застройки. В условиях дефицита хороших и удобных для строительства площадок все чаще под подземные и заглубленные сооружения отводятся площадки с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями, к которым относятся и закарстованные территории.
Проектирование плитных фундаментов на закарстованных территориях выполняется на основе расчетов, в которых основным параметром является расчетный диаметр карстового провала в основании плиты. Существующие методы определения расчетного диаметра карстового провала не учитывают влияния заглубленного сооружения на изменение напряженно-деформированного состояния основания при образовании и росте карстовой полости в карстующихся грунтах, а опытные данные о размерах обрушения и возможных диаметрах провалов под фундаментами заглубленных сооружений отсутствуют. Поэтому в данной работе разрабатывается метод расчета плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях по результатам исследования взаимодействия фундамента с основанием над полостью в карстующихся грунтах.
Актуальность работы обосновывается растущим объемом подземного строительства на закарстованных территориях и отсутствием методов расчета, учитывающих специфику фундаментов заглубленных сооружений, а именно близость к карстующимся грунтам, в которых развивается карстовая полость.
Научная идея работы, определяющая направление исследований, заключалась в следующем. На основе анализа НДС основания заглубленного сооружения над растущей карстовой полостью в карстующихся грунтах определить расчетный диаметр карстовой полости и, исследуя взаимодействие плитного фундамента с основанием, найти функциональную связь между этим параметром и снижением коэффициента постели основания в зависимости от конструкции подземной части и характеристик грунтов основания.
Целью работы является разработка метода расчета плитного фундамента заглубленного сооружения с учетом его взаимодействия с основанием над карстовой полостью в карстующихся грунтах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) анализ существующего расчетного и экспериментального опыта, на основании которого дать качественную картину влияния развития карстовой полости на НДС основания над полостью и определить целесообразную область исследований;
исследование НДС основания заглубленного сооружения над карстовой полостью и разработка метода определения расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах;
исследование взаимодействия плитного фундамента и основания над карстовой полостью и разработка метода расчета коэффициента постели основания плитного фундамента над карстовой полостью;
разработка предложений по расчету плитного фундамента заглубленного сооружения с учетом его взаимодействия с основанием над карстовой полостью.
Научная новизна работы состоит в следующем:
сформулирован новый подход к расчету заглубленных зданий и сооружений на закарстованных территориях, отличающийся от нормативного тем, что в качестве расчетного критерия принят не расчетный диаметр карстового провала под фундаментом, а максимальный расчетный диаметр карстовой полости в карстующихся грунтах;
предложен метод определения расчетного диаметра карстовой полости, при котором свод над полостью устойчив;
установлены новые закономерности изменения напряжений и деформаций основания плитного фундамента заглубленного сооружения в зависимости от характеристик фундамента, основания и размеров карстовой полости;
разработан метод расчета коэффициента постели основания плитного фундамента заглубленного сооружения над карстовой полостью.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется применением основных положений и моделей классической механики грунтов, проведением расчетов в сертифицированных геотехнических расчетных программах, реализующих МКЭ с использованием верифицированных нелинейных моделей грунта, достаточной для практических расчетов сходимостью результатов физического и численного исследования образования и роста карстовой полости в карстующихся грунтах.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований могут быть использованы проектными организациями при проектировании плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях.
Практические результаты работы сводятся к следующему:
разработаны рекомендации по расчету плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях, учитывающие взаимодействие фундамента и основания над карстовой полостью в карстующихся грунтах;
результаты исследований внедрены при проектировании фундамента жилого дома с двумя подземными этажами на карстоопаснои площадке в г. Уфе.
Личный вклад автора состоит:
в выполнении анализа результатов модельных исследований, проведении численных исследований, обобщении и оценке полученных результатов;
в разработке метода определения расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах, при котором свод над полостью устойчив;
в разработке метода расчета коэффициента постели плитного фундамента заглубленных сооружений над карстовой полостью в карстующихся грунтах;
в практическом использовании разработанного метода расчета коэффициента постели над карстовой полостью при проектировании фундамента жилого дома с двумя подземными этажами на карстоопасной площадке.
На защиту выносятся результаты исследований, на базе которых разработаны предложения по расчету плитных фундаментов подземных сооружений на закарстованных территориях, включающие:
метод определения расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах, при котором свод над полостью устойчив;
метод расчета коэффициента постели основания плитного фундамента заглубленных зданий и сооружений над карстовой полостью;
предложения по расчету плитного фундамента заглубленных сооружений с учетом его взаимодействия с основанием над карстовой полостью.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: общероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» (Санкт-Петербург, 2009); научно-практическая конференция аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» (Пермь, 2009); конференция по геотехнике для молодых ученых, аспирантов и студентов «Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения» (Санкт-Петербург, 2010); международная геотехническая конференция «Геотехнические проблемы мегаполисов» (Москва, 2010); всероссийский семинар «Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции (инженерная геология, геоэкология, основания и фундаменты)» (Новосибирск, 2011); международная конференция «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011); международная научная конференция, посвященная 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий ВАК Минобразования и науки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Диссертационная работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включающего 44 рисунка, 24 таблицы, список использованных источников из 120 наименований.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю д. т. н., проф. Готман Н. 3., за консультативное участие техническому директору 000 «Архстройизыскания» Травкину А. И., коллективу отдела оснований и фундаментов ГУЛ института «БашНИИстрой» за оказанную помощь в работе над диссертацией.
