Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ ВЕРОЯТНОСТНО-
СТАТИСТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМЫ «СООРУЖЕНИЕ-
ОСНОВАНИЕ» В УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИЙ, СЛОЖЕННЫХ НАБУ
ХАЮЩИМИ ГРУНТАМИ 11
1.1. Проблема строительства в сложных грунтовых условиях 11
1.2. Инженерно-строительное освоение территорий, сложенных
набухающими грунтами 13
Состояние вопроса 13
Генезис процесса набухания 15
1.2.3. Закономерности деформирования глинистых грунтов при
набухании и усадке 17
Прогноз деформированного состояния глинистых грунтов при их набухании 21
Вид деформации поверхности 23
Развитие теории расчета зданий и сооружений на деформируемых грунтовых основаниях как системы «сооружение-основание» 29
Составные системы в строительных конструкциях 34
Вероятностный подход к расчету системы «сооружение-основание» 40
Применение теории надежности в расчетах зданий и сооружений 43
1.7. Выводы по главе 48
ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ СТОХАСТИЧЕСКОГО ОСНОВАНИЯ, СЛОЖЕННОГО
НАБУХАЮЩИМИ ГРУНТАМИ 50
2.1. Общая характеристика набухающих грунтов 50
2.2. Статистическая природа неравномерности деформаций грунтового
основания 52
2.3. Расчетная модель неоднородно деформируемого грунтового
основания, сложенного набухающими грунтами 56
Определение статистических характеристик грунтового основания методом численного эксперимента 65
Выводы по главе '. 78
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ «СООРУЖЕНИЕ-ОСНОВАНИЕ» НА
НАБУХАЮЩИХ ГРУНТАХ 80
Состояние вопроса 80
Расчет совместной работы стохастических систем «сооружение-основание» 83
3.3. Расчет систем «здание-основание» с учетом фактора
времени .97
3.4. Выводы по главе 101
ГЛАВА 4. РАСЧЕТ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ «СООРУЖЕНИЕ-
ОСНОВАНИЕ» В ВИДЕ СОСТАВНОГО СТЕРЖНЯ С УЧЕТОМ
ПОДАТЛИВОСТИ ПОПЕРЕЧНЫХ СВЯЗЕЙ 102
4.1. Вывод основных уравнений составного стержня на упругом
основании 102
4.2. Выбор метода решения уравнений составного стержня на упругом
основании 105
4.3. Определение осадки составного стержня как жесткого
штампа 107
4.4. Определение внутренних усилий в ветвях составного
стержня ПО
4.5. Расчет системы «сооружение-основание» в пространственной
постановке 112
4.6. Пример расчета составного стержня с учетом податливости
поперечных связей 116
4.7. Выводы по главе 120
ГЛАВА 5. НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМЫ «СООРУЖЕНИЕ-ОСНОВАНИЕ» В
УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИЙ, СЛОЖЕННЫХ НАБУХАЮЩИМИ
ГРУНТАМИ 121
Общая характеристика проблемы 121
Оценка надежности конструкций 122
5.3. Оценка надежности конструкций с учетом фактора
времени 127
5.4. Пример вероятностного расчета монолитного железобетонного
здания на набухающих грунтах 129
5.4.1. Предпосылки к вероятностному расчету системы
«сооружение-основание» 129
5.4.2. Учет влияния фактора времени 130
Определение математических ожиданий, статистических характеристик перемещений и усилий при изгибе с кручением системы «сооружение-основание» 131
Определение математических ожиданий и статистических характеристик при расчете системы «сооружение-основание» на втором этапе 133
5.4.5. Определение характеристики безопасности расчетного
сечения 135
5.5. Выводы по главе 137
ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 138
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема строительного освоения территорий, сложенных набухающими грунтами, в настоящее время является весьма актуальной. Глинистые набухающие грунты широко распространены в Российской федерации. Они встречаются на территории Закавказья, Поволжья, в том числе Волгограда и Волгоградской области, и других районах. Недооценка их набухания явилась причиной повреждения многих промышленных и гражданских сооружений. Несмотря на то, что процессы набухания существенно осложняют строительство и эксплуатацию зданий и сооружений, районы их распространения интенсивно осваиваются. Это объясняется дефицитом свободных территорий для строительства, темпы которого в последнее время показывают тенденции к росту.
Здания и сооружения, возводимые на набухающих грунтах, в процессе эксплуатации подвергаются воздействию дополнительных нагрузок вследствие изменения формы земной поверхности. Повреждения зданий, вызванные неравномерными деформациями оснований, могут достигать таких размеров, что дальнейшая их эксплуатация становится невозможной. На восстановление деформированных зданий приходится затрачивать значительные средства. В то же время достигнутые успехи в области объективной оценки опасности процессов набухания и усадки, а также защиты сооружений в период строительства и эксплуатации на данных территориях позволяют с достаточной уверенностью принимать решения об освоении территорий, сложенных набухающими грунтами.
Вопросы строительного освоения данных территорий не могут быть правильно решены без одновременного учета природы процесса набухания и конструктивных особенностей проектируемых объектов. Проблема оценки опасности процессов набухания и усадки и вопросы, связанные с защитой
зданий и сооружений от данных процессов, должны быть учтены при проектировании в рамках системы «сооружение-основание». В этих условиях необходимо применять вероятностный подход к оценке процессов набухания и усадки и пространственную работу системы «сооружение-основание», которые в наибольшей степени отвечают особенностям системы.
Существуют методы расчета фундаментов на набухающих основаниях в виде балки на упругом основании. Вопросы учета пространственной работы системы «сооружение-основание» в настоящее время изучены недостаточно. При расчете протяженных в плане многоэтажных зданий на неравномерные деформации основания целесообразно использование пространственной модели горизонтального составного стержня.
Разнородность деформаций процесса набухания во времени и в пространстве имеют ярко выраженную случайную природу. Одновременно случайным разбросом обладают свойства строительных материалов, геометрия конструкций, значительной неопределенностью обладает и расчетная модель сооружения. Следовательно, систему «сооружение-основание» применительно к набухающим грунтам желательно рассматривать с учетом случайной природы физических и геометрических параметров системы, а также случайного характера внешних воздействий. Для расчета и проектирования таких систем должны применяться методы теории вероятности, случайных функций и полей, а так же теории надежности, которые дают возможность наиболее адекватно отразить случайную природу основных расчетных параметров, взаимосвязь между внешними воздействиями и прочностью конструкции, оценить ее безопасность и долговечность.
При расчете зданий с учетом процессов набухания и усадки важным вопросом является разработка и практическое применение вероятностных моделей, позволяющих рассматривать здание и набухающее основание как единую пространственную систему. Для задач подобной сложности
перспективным является применение дискретно-континуальной модели тонкостенного составного стержня.
Теория пространственных тонкостенных составных стержней в основном разработана в детерминированной и вероятностной постановке для расчета зданий на воздействие статических нагрузок. Вопрос применения горизонтальных составных систем в качестве расчетных моделей зданий на набухающих территориях до настоящего времени не рассматривался.
Большой опыт проектирования и строительства зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях показывает, что прогнозирование ожидаемых перемещений и усилий в несущих конструкциях желательно проводить с учетом фактора времени. При этом следует учитывать не только развитие деформаций земной поверхности во времени, но и реологические свойства конструкций сооружения и грунтов основания.
Стохастическая дискретно-континуальная пространственная расчетная модель горизонтального составного стержня может быть эффективно использована для расчета зданий при набухании и усадке, оценке долговечности и безопасности несущих конструкций.
На основании отмеченного выше тема диссертации, посвященная разработке вероятностно-статистической методики расчета системы «сооружение-основание» на неравномерные деформации набухающего основания, оценке надежности зданий в данных условиях, является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методики вероятностного расчета и оценки надежности пространственных систем «сооружение-основание» в приложении к расчетам зданий в условиях опасности процессов набухания и усадки.
Научная новизна диссертационной работы:
разработана методика численного эксперимента для определения статистических характеристик грунтового основания, в том числе и . в процессах набухания-усадки;
в качестве расчетной модели здания принята пространственная стохастическая модель в виде горизонтальной тонкостенной составной системы под действием случайной нагрузки со стороны неравномерно деформируемого набухающего основания;
решена задача определения напряженно-деформированного состояния пространственного тонкостенного составного стержня в вероятностной постановке на набухающем основании;
дано дальнейшее развитие метода спектральных канонических разложений применительно к решению пространственной задачи изгиба с кручением горизонтального тонкостенного составного стержня под действием случайного воздействия от неравномерных деформаций набухающе-усадочного основания;
разработана методика вероятностного расчета зданий с учетом фактора времени на действие неравномерных деформаций основания, сложенного набухающими грунтами на основе предложенной пространственной модели;
разработана методика оценки безопасности и долговечности зданий как пространственных стохастических систем на территориях, сложенных набухающими грунтами.
Практическая ценность работы. Для практического использования рекомендуются: методика численного эксперимента по определению статистических характеристик грунтового основания, в том числе в процессе набухания-усадки; методика вероятностного расчета зданий как пространственных тонкостенных систем на действие неравномерных деформаций набухающего основания с учетом фактора времени; методика расчета монолитных зданий на опасность процессов набухания и усадки с
учетом заданного уровня риска; методика расчета безопасности и долговечности зданий.
Достоверность результатов работы. Научные положения, выводы, рекомендации, изложенные в диссертационной работе, соответствуют современным представлениям теории сооружений, теории оценки процессов набухания и усадки, теории надежности. Достоверность полученных результатов обусловлена применением современных методов исследования, подтверждается результатами теоретических исследований и экспериментов других авторов.
На защиту выносятся следующие вопросы:
методика численного эксперимента для определения статистических характеристик грунтового основания, в том числе в процессе набухания-усадки;
расчетная пространственная модель здания в виде горизонтального составного стержня с учетом податливости поперечных связей;
расчетная стохастическая пространственная модель зданий в виде горизонтального тонкостенного составного стержня;
решение задачи изгиба с кручением тонкостенного стержня с учетом фактора времени в детерминированной и вероятностной постановке;
методика вероятностного расчета тонкостенного составного стержня с оценкой надежности системы «сооружение-основание» в условиях опасности процессов набухания и усадки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-технической конференции ВолгГАСА (г. Волгоград 2003 г., секция «Надежность и долговечность строительных конструкций и оснований»), на VI и VIII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград 2001, 2003 г.г., направление «Экология, охрана среды,
строительство»), на ежегодных научно-технических конференциях 2001-2003 г. ВолгГАСА.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов, изложена на 156 страницах текста, содержит 37 рисунков и 7 таблиц. Список используемой литературы включает 169 наименований.
