Помощь студентам в учебе
Влияние неравномерной деформации и уплотнения грунта на усилия в элементах каркаса
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 8
1.1 Методы исследования процессов деформирования системы «здание-
фундамент-основание» 8
1.2 Исследование сжимаемости и моделирования грунтового основания 17
2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 20
2.1 Общие сведения по созданию расчетных схем 20
2.2 Моделирование грунта подсыпки в расчетной схеме 30
3 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ
СОСТОЯНИЕ КАРКАСА ВКЛЮЧЕНИЕ В РАБОТУ ФУНДАМЕНТОВ, ГРУНТОВОЙ ПРОСЛОЙКИ И ПЛИТЫ ПОЛА ЦОКОЛЬНОГО ЭТАЖА 32
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА ПОДСЫПКИ 43
4.1 Определение гранулометричекого состава грунта подсыпки 43
4.2 Определение модуля деформации 46
5 АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАРКАСА ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ ВОЗВЕДЕНИЯ ЭТАЖЕЙ И ИЗМЕНЕНИЕМ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА ПОДСЫПКИ 52
6 ПЛАНИРОВАНИЕ ПОЛНОГО ФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 71
6.1 Цель полного факторного эксперимента 71
6.2 Построение расчетной схемы для проведения ПФЭ 72
6.3 Проверка однородности дисперсий критерием Кохрена 76
6.4 Проверка значимости коэффициентов регрессии 76
6.5 Проверка адекватности с помощью критерия Фишера 78
6.6 Декодирование уравнения регрессии 79
6.7 Сопоставление результатов 79
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 88
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 8
1.1 Методы исследования процессов деформирования системы «здание-
фундамент-основание» 8
1.2 Исследование сжимаемости и моделирования грунтового основания 17
2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 20
2.1 Общие сведения по созданию расчетных схем 20
2.2 Моделирование грунта подсыпки в расчетной схеме 30
3 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ
СОСТОЯНИЕ КАРКАСА ВКЛЮЧЕНИЕ В РАБОТУ ФУНДАМЕНТОВ, ГРУНТОВОЙ ПРОСЛОЙКИ И ПЛИТЫ ПОЛА ЦОКОЛЬНОГО ЭТАЖА 32
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА ПОДСЫПКИ 43
4.1 Определение гранулометричекого состава грунта подсыпки 43
4.2 Определение модуля деформации 46
5 АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАРКАСА ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ ВОЗВЕДЕНИЯ ЭТАЖЕЙ И ИЗМЕНЕНИЕМ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА ПОДСЫПКИ 52
6 ПЛАНИРОВАНИЕ ПОЛНОГО ФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 71
6.1 Цель полного факторного эксперимента 71
6.2 Построение расчетной схемы для проведения ПФЭ 72
6.3 Проверка однородности дисперсий критерием Кохрена 76
6.4 Проверка значимости коэффициентов регрессии 76
6.5 Проверка адекватности с помощью критерия Фишера 78
6.6 Декодирование уравнения регрессии 79
6.7 Сопоставление результатов 79
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 88
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
В современном мире большое распространение и развитие получило высотное строительство, такой прогресс ставит перед нами задачу создания простых, экономичных, но одновременно точных методов расчета напряженно- деформированного состояния конструкций зданий, взаимодействующих с грунтовым основанием. Высотные здания имеют свою специфику, существенно отличающую их от обычных зданий.
К особенностям высотных зданий относятся:
• высокая нагрузка на несущие конструкции, в том числе на основания и фундаменты;
• определение величин нагрузок на основание и расчеты оснований, фундаментов высотных зданий следует выполнять, рассматривая совместную работу системы «основание-фундамент-здание»;
• влияние неравномерных осадок грунтового основания на напряженно- деформированное состояние конструкций здания;
• высокое значение горизонтальных, в первую очередь, ветровых нагрузок;
• проблемы обеспечения совместной работы несущих конструкций;
• высокое значение горизонтальных, в первую очередь, ветровых нагрузок.
Грунтовые массивы взаимодействуют с сооружениями, эксплуатационная надежность, устойчивость и прочность которых зависит от физико-механических свойств грунтов. Как правило, грунты обладают в тысячи раз большей деформативностью и в сотни раз меньшей прочностью, чем материалы, из которых возводятся здания и сооружения. Нередко появляются осадки фундаментов, которые отражаются на усилиях и несущей способности элементов каркаса.
Выбор типа фундамента зависит от разновидности грунтового основания: при скальном основании целесообразно выбрать фундамент в виде свай стоек при глубоком залегании скалы или столбчатые фундаменты при близком залегании. Надежность проектирования фундаментов зависит от принятия адекватных расчетных схем оснований и моделей грунтов. Работа посвящена моделированию совместной работы каркаса с грунтовым основанием с учетом этапности возведения каркаса и изменения деформационных свойств дисперсного грунтовой прослойки в зависимости от напряжений в нем.
Актуальность выбранной темы работы.
В городе Челябинске преобладают позднепалеозойские интрузии представленные такими видами грунта как: граниты, гранодиориты, граниты биотитовые, граниты лейкократовые мелко- и среднезернистые и другие, то есть прочные скальные грунты, показанные на рис. 1[6].
Такой тип грунта обеспечивает прочное, несжимаемое основание для установки фундамента и далее возведения несущего каркаса здания. Но данное основание нужно выравнивать бетонной подготовкой, которая при больших перепадах отметок скалы будет «требовать» большое количество материала, то есть дорогой. Поэтому в практике встречаются случаи, когда выполняется выравнивающая грунтовая прослойка, а уже по ней выполняют бетонную подготовку, на которую в дальнейшем устанавливают фундамент. При опирании на такую прослойку возможны неравномерные осадки фундаментов и, как следствие, возникают дополнительные усилия в элементах каркаса. Но заказчик этого не учитывает, поэтому бывают случаи, когда он отказывается от авторского надзора, частично заменяя проектную бетонную подготовку грунтовой прослойкой без полного понимая последствий экономии.
Данная работа будет посвящена исследованию напряженно- деформированного состояния каркаса многоэтажного здания на скалу через подсыпку из крупнообломочного грунта.
Цель магистерской работы. Оценка влияния сжимаемой прослойки из крупнообломочного грунта между столбчатыми фундаментами и несжимаемым скальным грунтом, на напряженно-деформированное состояние каркаса с учетом разной толщины прослойки и изменения ее жесткостных свойств в зависимости от давления на подсыпку.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. Определить гранулометрический состав грунта подсыпки.
2. Определить зависимость модуля деформации грунта подсыпки от прикладываемого на него давления.
3. Выполнить сравнительную оценку напряженно-деформированного состояния элементов каркаса при расчете в различных постановках:
• без учета податливой грунтовой прослойки (т.е. жесткое защемление по низу несущих конструкций);
• с учетом податливой прослойки из крупнообломочного грунта;
• с учетом податливой прослойки и плиты пола цокольного этажа;
• с учетом податливой прослойки, плиты пола цокольного этажа и грунтового основания под всей ее поверхностью.
4. Выполнить анализ напряженно-деформированного состояния каркаса здания с учетом возведения этажей и изменением модуля деформации грунта подсыпки .
5. С помощью полного факторного эксперимента, выполнить анализ перераспределения усилий, обусловленный изменением жесткости и толщины грунта подсыпки.
К особенностям высотных зданий относятся:
• высокая нагрузка на несущие конструкции, в том числе на основания и фундаменты;
• определение величин нагрузок на основание и расчеты оснований, фундаментов высотных зданий следует выполнять, рассматривая совместную работу системы «основание-фундамент-здание»;
• влияние неравномерных осадок грунтового основания на напряженно- деформированное состояние конструкций здания;
• высокое значение горизонтальных, в первую очередь, ветровых нагрузок;
• проблемы обеспечения совместной работы несущих конструкций;
• высокое значение горизонтальных, в первую очередь, ветровых нагрузок.
Грунтовые массивы взаимодействуют с сооружениями, эксплуатационная надежность, устойчивость и прочность которых зависит от физико-механических свойств грунтов. Как правило, грунты обладают в тысячи раз большей деформативностью и в сотни раз меньшей прочностью, чем материалы, из которых возводятся здания и сооружения. Нередко появляются осадки фундаментов, которые отражаются на усилиях и несущей способности элементов каркаса.
Выбор типа фундамента зависит от разновидности грунтового основания: при скальном основании целесообразно выбрать фундамент в виде свай стоек при глубоком залегании скалы или столбчатые фундаменты при близком залегании. Надежность проектирования фундаментов зависит от принятия адекватных расчетных схем оснований и моделей грунтов. Работа посвящена моделированию совместной работы каркаса с грунтовым основанием с учетом этапности возведения каркаса и изменения деформационных свойств дисперсного грунтовой прослойки в зависимости от напряжений в нем.
Актуальность выбранной темы работы.
В городе Челябинске преобладают позднепалеозойские интрузии представленные такими видами грунта как: граниты, гранодиориты, граниты биотитовые, граниты лейкократовые мелко- и среднезернистые и другие, то есть прочные скальные грунты, показанные на рис. 1[6].
Такой тип грунта обеспечивает прочное, несжимаемое основание для установки фундамента и далее возведения несущего каркаса здания. Но данное основание нужно выравнивать бетонной подготовкой, которая при больших перепадах отметок скалы будет «требовать» большое количество материала, то есть дорогой. Поэтому в практике встречаются случаи, когда выполняется выравнивающая грунтовая прослойка, а уже по ней выполняют бетонную подготовку, на которую в дальнейшем устанавливают фундамент. При опирании на такую прослойку возможны неравномерные осадки фундаментов и, как следствие, возникают дополнительные усилия в элементах каркаса. Но заказчик этого не учитывает, поэтому бывают случаи, когда он отказывается от авторского надзора, частично заменяя проектную бетонную подготовку грунтовой прослойкой без полного понимая последствий экономии.
Данная работа будет посвящена исследованию напряженно- деформированного состояния каркаса многоэтажного здания на скалу через подсыпку из крупнообломочного грунта.
Цель магистерской работы. Оценка влияния сжимаемой прослойки из крупнообломочного грунта между столбчатыми фундаментами и несжимаемым скальным грунтом, на напряженно-деформированное состояние каркаса с учетом разной толщины прослойки и изменения ее жесткостных свойств в зависимости от давления на подсыпку.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. Определить гранулометрический состав грунта подсыпки.
2. Определить зависимость модуля деформации грунта подсыпки от прикладываемого на него давления.
3. Выполнить сравнительную оценку напряженно-деформированного состояния элементов каркаса при расчете в различных постановках:
• без учета податливой грунтовой прослойки (т.е. жесткое защемление по низу несущих конструкций);
• с учетом податливой прослойки из крупнообломочного грунта;
• с учетом податливой прослойки и плиты пола цокольного этажа;
• с учетом податливой прослойки, плиты пола цокольного этажа и грунтового основания под всей ее поверхностью.
4. Выполнить анализ напряженно-деформированного состояния каркаса здания с учетом возведения этажей и изменением модуля деформации грунта подсыпки .
5. С помощью полного факторного эксперимента, выполнить анализ перераспределения усилий, обусловленный изменением жесткости и толщины грунта подсыпки.
1. Магистерская работа учитывает работу системы «здание-фундамент- основание» при воздействии на ее конструкции осадок фундамента из -за неравномерной выравнивающей подсыпки, то есть полное взаимодействие всех элементов системы.
2. В ходе проведенного исследования были установлены зависимости напряженно -деформированного состояния каркаса здания от вариантов моделирования:
• с жестким защемлением по низу колонн;
• с учетом податливой прослойки из крупнообломочного грунта;
• с учетом податливой прослойки и плиты пола цокольного этажа;
• с учетом податливой прослойки, плиты пола цокольного этажа и грунтового основания под всей ее поверхностью.
При учете в модели равномерной податливой прослойки усилия в крайних колоннах увеличились в среднем на 11.45%, в средних уменьшились на 29.7% для цокольного этажа, а для остальных этажей усилия уменьшились в среднем от 12.3% на первом этаже до 4.3% на двадцать втором этаже. Увеличение в крайних колоннах связано с большей площадью опирания фундаментов, т.е. меньшей их осадкой при аналогичных нагрузках. При учете неравномерной податливой прослойки усилия увеличились для колонн с наименьшей толщиной подсыпки от 31.5% для цокольного этажа до 10% на шестом этаже, выше - равномерно.
3. При равномерной грунтовой прослойке значение усилий и их перераспределение в колоннах зависят в основном от нагрузки и площади опирания фундаментов, тогда как при неравномерной подсыпке еще влияет ее толщина. В данной работе на участке с неравномерной подсыпкой (при одинаковой площади опирания всех колонн) под колонной без подсыпки произошло увеличение усилия на 31 % по сравнению с вариантом с защемлениями. На участке с равномерной подсыпкой произошло увеличение усилий максимум на 20%, в колонне с вдвое большей площадью опирания и аналогичной нагрузке с соседними колоннами. Оба результата происходят из - за перераспределения усилия на колонну с меньшей осадкой из чего можно сделать вывод, о необходимости правильного подбора геометрических размеров фундамента и выполнения равномерной подсыпки под все колонны для обеспечения равномерной осадки.
При включении в работу плиты пола цокольного этажа за счет ее жесткости происходит перераспределение осадки, следовательно, и усилий в колоннах которые становится более равномерными. При моделировании с включением в работу грунтового массива и плиты пола цокольного этажа возникает перераспределение усилий на основание по площади. Условно можно считать, что площади опирания колонн становятся равномерными и на перераспределение усилий влияет только толщина подсыпок. Возникает ситуация похожая на распределении усилий без плиты и грунта при неравномерной подсыпке. Но за счет плиты и грунта экстремальные значения усилий уменьшились на 4.3%. Стоит также понимать, что учитывать в работе плиту можно только при жестких армированных узлах сопряжения плиты с фундаментами.
4. Лабораторные испытания грунта подсыпки показали зависимость изменения модуля деформации грунта от приложенного на него давления. По этим данным деформационная характеристика грунта увеличилась от 30 МПа до 200МПа. На основе этих данных при моделировании поэтапного возведения здания, усилия в колоннах при расчете с учетом изменения модуля деформации грунта подсыпки приблизились (с разницей в среднем на 8%) к усилиям в модели с защемленными колоннами.
5. Выполнен полный факторный эксперимент, в результате которого получено уравнение зависимости усилий в средней колонне (при данных условиях) от модуля деформации и толщин грунтовых прослоек соседних колонн. По приведенным в главе 6 опытам максимальное расхождение усилий, полученных из уравнения и из расчета модели, составляет 0.0155%.
По результатам проведенных исследований установлено, что в зданиях с жесткими узлами сопряжения несущих элементов и условия подготовки основания имеют значительное влияние на распределение усилий в элементах каркаса здания. Каждый случай возможной неравномерной осадки фундаментов ввиду ошибок строительного производства необходимо рассматривать индивидуально, учитывая опирания несущих конструкций на основание и деформационные свойства грунта.
Так же необходимо обязательно учитывать поэтажное возведение здания, при котором происходит постепенное уплотнение грунтов и перераспределение усилий в несущих элементах каркаса.
2. В ходе проведенного исследования были установлены зависимости напряженно -деформированного состояния каркаса здания от вариантов моделирования:
• с жестким защемлением по низу колонн;
• с учетом податливой прослойки из крупнообломочного грунта;
• с учетом податливой прослойки и плиты пола цокольного этажа;
• с учетом податливой прослойки, плиты пола цокольного этажа и грунтового основания под всей ее поверхностью.
При учете в модели равномерной податливой прослойки усилия в крайних колоннах увеличились в среднем на 11.45%, в средних уменьшились на 29.7% для цокольного этажа, а для остальных этажей усилия уменьшились в среднем от 12.3% на первом этаже до 4.3% на двадцать втором этаже. Увеличение в крайних колоннах связано с большей площадью опирания фундаментов, т.е. меньшей их осадкой при аналогичных нагрузках. При учете неравномерной податливой прослойки усилия увеличились для колонн с наименьшей толщиной подсыпки от 31.5% для цокольного этажа до 10% на шестом этаже, выше - равномерно.
3. При равномерной грунтовой прослойке значение усилий и их перераспределение в колоннах зависят в основном от нагрузки и площади опирания фундаментов, тогда как при неравномерной подсыпке еще влияет ее толщина. В данной работе на участке с неравномерной подсыпкой (при одинаковой площади опирания всех колонн) под колонной без подсыпки произошло увеличение усилия на 31 % по сравнению с вариантом с защемлениями. На участке с равномерной подсыпкой произошло увеличение усилий максимум на 20%, в колонне с вдвое большей площадью опирания и аналогичной нагрузке с соседними колоннами. Оба результата происходят из - за перераспределения усилия на колонну с меньшей осадкой из чего можно сделать вывод, о необходимости правильного подбора геометрических размеров фундамента и выполнения равномерной подсыпки под все колонны для обеспечения равномерной осадки.
При включении в работу плиты пола цокольного этажа за счет ее жесткости происходит перераспределение осадки, следовательно, и усилий в колоннах которые становится более равномерными. При моделировании с включением в работу грунтового массива и плиты пола цокольного этажа возникает перераспределение усилий на основание по площади. Условно можно считать, что площади опирания колонн становятся равномерными и на перераспределение усилий влияет только толщина подсыпок. Возникает ситуация похожая на распределении усилий без плиты и грунта при неравномерной подсыпке. Но за счет плиты и грунта экстремальные значения усилий уменьшились на 4.3%. Стоит также понимать, что учитывать в работе плиту можно только при жестких армированных узлах сопряжения плиты с фундаментами.
4. Лабораторные испытания грунта подсыпки показали зависимость изменения модуля деформации грунта от приложенного на него давления. По этим данным деформационная характеристика грунта увеличилась от 30 МПа до 200МПа. На основе этих данных при моделировании поэтапного возведения здания, усилия в колоннах при расчете с учетом изменения модуля деформации грунта подсыпки приблизились (с разницей в среднем на 8%) к усилиям в модели с защемленными колоннами.
5. Выполнен полный факторный эксперимент, в результате которого получено уравнение зависимости усилий в средней колонне (при данных условиях) от модуля деформации и толщин грунтовых прослоек соседних колонн. По приведенным в главе 6 опытам максимальное расхождение усилий, полученных из уравнения и из расчета модели, составляет 0.0155%.
По результатам проведенных исследований установлено, что в зданиях с жесткими узлами сопряжения несущих элементов и условия подготовки основания имеют значительное влияние на распределение усилий в элементах каркаса здания. Каждый случай возможной неравномерной осадки фундаментов ввиду ошибок строительного производства необходимо рассматривать индивидуально, учитывая опирания несущих конструкций на основание и деформационные свойства грунта.
Так же необходимо обязательно учитывать поэтажное возведение здания, при котором происходит постепенное уплотнение грунтов и перераспределение усилий в несущих элементах каркаса.