Оценка влияния величины коэффициента бокового давления грунта на результаты расчётов грунтовых массивов по первому предельному состоянию

Актуальность темы

диссертации. Изучение технической литературы, в которой рассматриваются способы определения величины коэффициента бокового давления грунта, позволяет сделать вывод о том, что этому вопросу уделяется огромное внимание. Исследования, посвященные коэффициенту бокового давления, проводятся как при помощи экспериментальных, так и на основе аналитических методов, при помощи которых пытаются установить универсальную связь коэффициента бокового давления с расчетными параметрами, которые определяются экспериментально, и являются постоянными величинами для некоторого данного типа грунта. В основном это работы, в которых изучались аналитические взаимные связи коэффициента бокового давления грунта с коэффициентом Пуассона V и (или) углом внутреннего трения ср.

Общеизвестно, что при расчетах по второму предельному состоянию коэффициент бокового давления грунта практически всегда используется в качестве одного из переменных расчетных параметров, в то время, как при расчете грунтовых массивов по первому предельному состоянию, эта величина практически никогда не принимается во внимание.

Результаты расчетов устойчивости откосов и склонов, несущей способности оснований сооружений, проведенных с использованием расчетных методов, основанных на анализе напряженного состояния грунтового массива, говорят о том, то величина коэффициента бокового давления при всех прочих равных условиях оказывает на них существенное влияние.

Используя при геотехнических расчетах величину коэффициента бокового давления грунта в качестве переменного расчетного параметра, можно, с одной стороны, получить существенный экономический эффект за счет получения повышенных расчетных значений коэффициентов запаса устойчивости К или несущей способности оснований Рпд> & с другой — напротив, избежать возникновения аварийной ситуации при получении меньших расчетных значений К и Рпд, по сравнению с результатами расчетов, проведенных методами, не учитывающими величину.

Поэтому, задача об оценке степени влияния величины коэффициента бокового давления грунта на результаты расчетов по первому предельному состоянию, является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по оценке степени влияния величины коэффициента бокового давления на результаты геотехнических расчетов грунтовых массивов по первому предельному состоянию.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ экспериментальных и аналитических методов определения величины коэффициента бокового давления грунта и определены реальные границы изменения его величины для связных грунтов.

2. Проведен анализ методов расчета устойчивости откосов и несущей способности оснований ленточных фундаментов, в результате которого установлено, что величина практически не учитывается в инженерных расчетах.

3. Разработан инженерный метод и соответствующая компьютерная программа, позволяющие выполнять расчеты устойчивости однородных грунтовых откосов, учитывая при этом природные значения коэффициента бокового давления грунта.

4. Предложен подход, позволяющий определить интервалы изменения геометрических параметров откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта. Для его реализации разработана компьютерная программа-калькулятор.

5. На основе анализа напряженного состояния активной зоны основания заглубленного ленточного фундамента и изучения процесса образования и развития областей пластических деформаций под его подошвой, разработан инженерный метод расчета величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки, одним из переменных параметров которого, выступает величина коэффициента бокового давления грунта.

6. Проведен анализ напряженного состояния и процесса развития областей пластических деформаций в грунтовом массиве, вмещающем систему «фундамент — подземная выработка», результаты которого позволили установить, что степень взаимного влияния этих объектов существенным образом зависит от величины Даны рекомендации по определению расстояния между этими объектами в зависимости от величины на котором исключается их негативное воздействие друг на друга.

7. Выполнено сравнение результатов расчетов реальных объектов, описанных в технической литературе, с результатами расчетов методом, базирующемся на анализе напряженного состояния грунтового массива и позволяющим ввести в рассмотрение величину ?0. Установлено, что при использовании в качестве расчетного параметра реальных значений коэффициента бокового давления грунта, получаемые результаты адекватно описывают поведение грунтовых массивов в натуре.

8. Внедрение результатов диссертационного исследования. Достоверность результатов диссертационного исследования, выводов и рекомендаций обоснованы:

1. Теоретическими и экспериментальными предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости (методы конечных элементов и теории функций комплексного переменного), теории пластичности, инженерной геологии и механики грунтов;

2. Удовлетворительной сходимостью результатов сопоставительных расчетов реальных грунтовых массивов при адекватных значениях коэффициента бокового давления грунта с поведением этих объектов в природе.

3. Использованием в качестве инструмента исследования верифицированных компьютерных программ, зарегистрированных в государственном реестре.

4. Результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в строительную практику.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что получены и изучены закономерности преобразования полей напряжений и процесса возникновения и роста областей пластических деформаций в грунтовых массивах, составляющих однородные откосы, основания заглубленных фундаментов и вмещающих систему «фундаментподземная выработка» в зависимости от величины коэффициента бокового давления грунта ?0;

— построены графические зависимости величины коэффициента запаса устойчивости К ненагруженного откоса от численных значений его геометрических параметров, физико-механических свойств и величины коэффициента бокового давления грунта, которые составили базу данных разработанной компьютерной программы;

— предложены рекомендации для определения интервалов изменения геометрических параметров нагруженного откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунтадля их реализации разработана компьютерная программа-калькулятор;

— разработан инженерный метод, включающий простые формулы и графики, позволяющий вычислять величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на однородное основание заглубленного фундамента при всех возможных сочетаниях численных значений переменных расчетных параметров, рассмотренных в диссертационной работе, и величинах коэффициента бокового давления грунта, входящих в диапазон его природных значений;

— установлено, что значение коэффициента бокового давления грунта сказывается на величине «безопасного» расстояния, при превышении которого полностью исключается взаимное влияние объектов, составляющих систему «фундамент — подземная выработка».

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 величины коэффициента запаса устойчивости свободных от внешних нагрузок однородных откосов при любых природных значениях коэффициента бокового давления грунта;

— определения интервалов изменения геометрических параметров нагруженного откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта;

— определения величин расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на однородное основание заглубленного ленточного фундамента в зависимости от величины коэффициента бокового давления грунта;

— расчета «безопасных» расстояний между объектами системы «фундамент — подземная выработка» в условиях стесненной городской застройки;

— оценки погрешности инженерных расчетов по первому предельному состоянию методами, в которых не учитывается природное значение коэффициента бокового давления грунта.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах: международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.) — всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, 2012 г.) — III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г.) — Всеукраинский научно-практический семинар с участием иностранных специалистов «Современные проблемы геотехники» (Украина, Полтава, 2012 г.) — на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.

Личный вклад автора заключается в:

— составлении механико-математических моделей и расчетных схем МКЭ исследуемых объектов (граничные условия, размеры, вид, степень дискретизации);

— проведении численных исследований устойчивости свободных от внешней нагрузки и нагруженных однородных откосов и оснований заглубленных фундаментов с учетом величины коэффициента бокового давления грунта, обработке и анализе полученных данных, построении графических зависимостей и записи их аналитических аппроксимаций;

— разработке инженерного метода расчета устойчивости ненагруженных однородных откосов в зависимости от величины коэффициента бокового давления грунта;

— составлении рекомендаций для определения интервалов изменения геометрических параметров нагруженного откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта;

— разработке инженерного метода определения величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на основание с учетом реальных значений.

— определении «безопасных» расстояний между объектами системы «фундамент — подземная выработка»;

— проведении сопоставительных расчетов и анализе их результатов;

— разработке приемов по ликвидации неравномерностей осадок частей составного фундамента, возникающих в связи с особенностями полей напряжений в основаниях этих фундаментов;

— внедрении результатов диссертационной работы в строительную практику.

На защиту выносятся:

1. Расчетные схемы МКЭ и механико-математические модели исследуемых объектов.

2. Выявленные закономерности влияния величины коэффициента бокового давления грунта на устойчивость свободных от внешней нагрузки и нагруженных откосов, однородных оснований заглубленных ленточных фундаментов и поведение системы «фундамент — подземная выработка».

3. Инженерный метод расчета устойчивости однородного не нагруженного откоса в зависимости от реальных значений коэффициента бокового давления грунта.

4. Рекомендации для определения интервалов изменения геометрических параметров нагруженного откоса и характеристик равномерно распределенной нагрузки, когда при расчете на устойчивость следует учитывать величину коэффициента бокового давления грунта, а также «безопасных» расстояний между объектами системы «фундамент — подземная выработка».

5. Инженерный метод определения величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на основание с учетом реальных значений.

6. Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.

Результаты научных исследований внедрены:

— при проведении предварительных поверочных расчетов несущей способности ленточного фундамента и составлении «Заключения о возможности предполагаемой реконструкции (надстройки 2-х этажей) здания заводоуправления с пристройками, расположенного по адресу: г. Волгоград ул. Профсоюзная, дом 13»;

— в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 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 146 наименований и приложений. Общий объем работы — 210 страниц машинописного текста, в том числе 158 страниц основного текста, содержащего 64 иллюстрации и 19 таблиц.