Будівництво на ґрунтах, які набухають в умовах Сирійської Арабської Республіки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ БУДІВНИЦТВА, АРХІТЕКТУРи

та ЖИТЛОВої ПОЛІТИки УКРАЇНИ

Державний НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

Махер Шаукі ОМАР

УДК 624.131.524

БУДІВНИЦТВО НА ҐРУНТАХ, які НАБУХАЮТЬ

(в умовах Сірійської Арабської Республіки)

05.23.02 - підвалини та фундаменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ -2002 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (ХДТУБА), Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник

- кандидат технічних наук, доцент Діоніс'єв-Македонський Олександр Дмитрович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, кафедра підвалин, фундаментів та інженерної геології,

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Зоценко Микола Леонідович, Полтавський державний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, завідувач кафедри підвалин та фундаментів;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Романов Станіслав Васильович, Науково-дослідний інститут будівельного виробництва (м. Київ), заступник директора з наукової роботи.

Провідна установа: Донбаська державна академія будівництва і архітектури, кафедра підвалин, фундаментів і підземних споруд, Міністерство освіти і науки України, м. Макіївка

Захист відбудеться “ 25” червня 2002 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 при Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій за адресою: 03680, Київ-37, вул. І. Клименка 5/2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, Київ-37, вул. І. Клименка 5/2.

Автореферат розісланий “ 22 ” травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, с.н.с. Ю. С. Слюсаренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

набухаючий грунт балка пружній

Актуальність теми. У ряді регіонів Сірійської Арабської Республіки, зокрема, в провінції Дерьа регіону Хуран поширені глинисті ґрунти, що набухають. Наявні розрізнені інженерно-геологічні дані про їхні властивості являють собою здебільшого загальнобудівельні характеристики, а відомості про їхні особливості практично відсутні. Місцеві методи проектування і будівництва ґрунтуються на традиціях і не враховують сучасних методик. З цих причин малоповерхові будинки, що є найбільш масовим об'єктом будівництва в містах і селищах провінції, одержують у процесі експлуатації ушкодження, що вимагають додаткових витрат на періодичні ремонти.

У дисертаційній роботі поставлене актуальне завдання всебічно вивчити властивості регіональних глинистих ґрунтів, виявити їхні основні закономірності, удосконалити методи розрахунку основ та фундаментів з урахуванням специфічних властивостей цих ґрунтів й умов експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана в рамках державної програми розвитку будівництва в Сірійській Арабській Республіці і є фрагментом наукової праці кафедри ОФІГ ХДТУБА (№ держреєстрації 0102U001373).

Мета та задачі дослідження.

Метою даної роботи було визначення властивостей глинистих ґрунтів, що набухають, провінції Дерьа, з'ясування причин і механізмів набухання і ступінь їхнього впливу в регіональних умовах, а також удосконалення методу розрахунку основ з урахуванням регіональних особливостей ґрунтів та умов експлуатації.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні задачі.

З'ясувати сучасні дані про механізм набухання ґрунтів.

Дослідити фізичні, фізико-хімічні і механічні властивості регіональних ґрунтів та визначити ступінь їхнього впливу на механізми набухання.

Провести польові дослідження з визначення деформацій підйому відкритої й екранованої поверхні ґрунту від дії кліматичних факторів.

Установити можливість розрахунку підйому поверхні регіональних ґрунтів інженерними методами відповідно до Українських будівельних норм.

Розробити аналітичні методи визначення співвідношення параметрів НДС фундаментної балки, що лежить на ґрунтах, які набухають.

Удосконалити методику проектування малоповерхових будинків на ґрунтах, що набухають.

Об'єкт дослідження: основи з ґрунтів, що набухають, провінції Дерьа Сірійської Арабської Республіки.

Предмет дослідження: властивості регіональних ґрунтів, що набухають, і методи розрахунку основ та фундаментів на них.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використані експериментальні (лабораторні і польові) та аналітичні методи.

Наукова новизна отриманих результатів.

Визначено раніше не вивчені характеристики глинистих ґрунтів, що набухають, провінції Дерьа.

Визначено ступінь впливу різних властивостей регіональних ґрунтів на механізми набухання.

Уперше проведені тривалі польові дослідження підйому поверхні відкритої й екранованої площадок під впливом зміни вологості ґрунту від дії кліматичних факторів.

Показано можливість використання Українських будівельних норм для розрахунку основ із ґрунтів, що набухають, провінції Дерьа з обліком їхніх регіональних особливостей.

Отримано аналітичні співвідношення параметрів НДС основи фундаментної балки, що лежить на набухаючому ґрунті, і знайдене рішення виведених диференціальних рівнянь за допомогою методу кінцевих різниць.

Розроблено залежності, що дозволяють використовувати ПК “Міраж” для розрахунку системи “будинок-фундамент-основа” на ґрунті, що набухає.

Практична значущість роботи.

Проведені лабораторні і польові дослідження властивостей набухаючих ґрунтів провінції Дерьа в САР дозволяють грамотно проводити інженерно-геологічні дослідження для цілей будівництва. Розроблені методи розрахунку дозволяють вірогідно оцінювати НДС малоповерхових будинків на ґрунтах, що набухають, і підвищити надійність їхніх конструкцій при проектуванні та будівництві.

Особистий внесок здобувача.

Автором самостійно виконаний аналіз існуючих уявлень про механізми набухання ґрунтів та його впливу на будинки, виконані лабораторні дослідження ґрунтів, розроблена методика та проведені польові дослідження в провінції Дерьа Сірійської Арабської Республіки й аналіз отриманих результатів, проведені інженерні розрахунки деформації поверхні відповідно до Українських будівельних норм і зіставлення їх з результатами польових досліджень, аналітично визначені параметри НДС основи та фундаменту на ґрунті, що набухає, і складена система кінцево-різницевих рівнянь для розрахунку стрічкового фундаменту, а також методика розрахунку системи “будинок-фундамент-основа” на шарі ґрунту, що набухає, з використанням програмного комплексу “Міраж” й виконано приклад розрахунку триповерхового будинку.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертації повідомлені на конференції, присвяченій 70-річчю ХДТУБА (Харків, 2000), 56-й науково-технічній конференції ХДТУБА (Харків, 2001), науковому семінарі з механіки ґрунтів та проблем польового фундаментобудування (Одеса, 2001).

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 8 статей у виданнях, що входять у затверджений ВАК України перелік наукових видань, де можуть публікуватися основні результати дисертаційних робіт, у тому числі 3 самостійні статті.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертація викладена на 143 сторінках, складається зі вступу, 4 розділів власних досліджень, висновків і списку використаної літератури, що включає 94 джерела, а також додатка на 2 сторінках. Робота ілюстрована 19 таблицями і 32 малюнками, що займають 30 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, поставлена мета і сформульовані завдання дослідження, відзначені новизна і практична цінність роботи та дана її загальна характеристика.

У першому розділі наведена коротка характеристика району досліджень, провінції Дерья регіону Хуран на півдні САР, зазначена наявність у ньому ґрунтів, що набухають та викликають ушкодження малоповерхових будинків, розглянуті загальні властивості глинистих ґрунтів, проаналізовані гіпотези, що пояснюють природу набухання й усадки глинистих ґрунтів, та основні напрямки розрахунків деформацій набухання й усадки, застосовувані при проектуванні.

У даний час установлено, що всі глинисті ґрунти набухають. Вивченням впливу різних складових природи глинистих ґрунтів на механізм набухання і визначенням очікуваних величин підйому й усадки будинків і споруд, зведених на набухаючо-усадочних ґрунтах, займалися багато дослідників: К. Терцагі, Н.М. Герсеванов, Г.І. Покровський, І.В. Попов, Н.Я. Хархута, Ю.М. Васильєв, Ф.Д. Овчаренко, Є.А. Сорочан і багато інших. Деякі з них вважають, що головною складовою механізму набухання - усадки є зміни капілярного тиску при зміні вологості ґрунту, інші - що головною складовою механізму набухання - усадки є будова кристалічних ґрат, і тому основний вплив на величину набухання - усадки робить мінералогічний склад глинистих порід. Деякі пояснюють природу набухання особливостями тонкодисперсної будови глинистих ґрунтів та розклинювальним ефектом водяних і гідратних шарів навколо мінеральних часток. Гіпотеза “осмотичного всмоктування” пояснює набухання переміщенням води від ділянок з меншою концентрацією електролітів у поровому розчині в напрямку з більшою концентрацією. Ряд дослідників установили, що величина і швидкість набухання знаходяться в прямій залежності від кількості глинистих часток і їхнього мінералогічного складу, що кількість і склад обмінних катіонів, вміст яких у різних глинах по-різному істотно впливає на величину й інтенсивність набухання, що істотно впливає на величину і швидкість набухання початкова вологість і щільність ґрунту.

Виходячи з проведеного аналізу, зроблені висновки про актуальність дослідження, поставлені завдання і намічені шляхи їхнього рішення.

Другий розділ присвячений експериментальним дослідженням властивостей набухаючих ґрунтів провінції Дерьа, що виконувалися в основному в лабораторії будівельного факультету Дамаського державного університету за участю автора, а деякі - у м. Харкові.

Ґрунти-моноліти, зразки порушеної і непорушеної структури, відбиралися на будівельних майданчиках зі шпар і шурфів, в основному із глибин від 0,3 до 12,0 м у містах і селищах Дерьа, Бусра, Аль-Мезеріб, Шехмескін, Ізра та ін.

Лабораторними дослідженнями були визначені мінералогічний склад підстильних базальтів, а для глинистих ґрунтів - гранулометричний та мінералогічний склад, склад обмінних катіонів, вологісні характеристики, пористість і щільність часток. Лабораторними і польовими дослідженнями визначений опір зрушенню, стискальність, залежність набухання від тиску і ряд інших показників. У результаті встановлено наступне. Глинисті ґрунти провінції Дерья є полімінеральними, але домінуючим мінералом є монтморілонит (60-65% глинистої фракції). Мінералогічний склад глинистих ґрунтів в інтервалі 1,0-15,0 м мало змінюється. Тільки в зоні сезонної зміни вологості, тобто на глибині до 3-4 м спостерігається трохи підвищений зміст каолініту, однак і в цій зоні вміст монтморілониту більше.

Визначення гранулометричного складу показали, що в межах стандартних градацій відсотковий склад твердих часток коливається в досить широких межах, але при цьому досліджувані глини дуже дисперсні, тому що склад глинистих часток є більшим ніж 50%.

При дослідженнях складу і кількості обмінних катіонів установлено, що за ступенем впливу на величину набухання катіони розташовуються в ряд: Na⁺>Mg⁺⁺ > Ca⁺⁺ >K⁺ > Fe⁺⁺⁺ > H⁺.

У результаті визначення впливу концентрації солей у поровому розчині на набухання глин зроблений висновок, що збільшення концентрації солі в поровому розчині до 30 г/л призводить до зростання величини набухання.

Результати визначення характерних вологісних показників наведені в табл. 1, аналізуючи яку можна відзначити наступне. Природна вологість глинистих ґрунтів в інтервалі від поверхні до глибини 3,5-4,0 м коливається від 12-14% до 55-57% . Між кількістю глинистих часток та природною вологістю існує досить тісний зв'язок: чим більше в ґрунті глинистих часток, тим вища вологість. Максимальна гігроскопічність досліджуваних глинистих порід залежить від ступеня їхньої дисперсності і гідрофільності, середнє значення гігроскопічної вологості складає 6,5%, а середня максимальна гігроскопічність близько 9%. Середнє значення вологості на межі усадки складає 10%.

Значення максимальної гігроскопічності і межі усадки досить близькі, різниця між ними не перевищує 10%. Це свідчить, що вологість на межі усадки також формує адсорбційну оболонку міцели. Крім того, визначивши максимальну гігроскопічну вологість, можна орієнтовно судити про величину вологості на межі усадки і навпаки. Установлено пряму залежність між вологістю на межі усадки і вологістю на грані плинності. Це підтверджує тісний зв'язок між вологістю межі усадки і гідрофільністю ґрунту.

Залежність величини набухання від початкової вологості наступна - чим нижча початкова вологість, тим вище набухання ґрунту. Середнє значення вологості набухання коливається в межах 41-42%. Співвідношення між значеннями вологості набухання і вологостями на гранях пластичності підлягають закономірностям:

w_sw = (1,23 - 1,28)w_p

w_sw= (0,676- 0,690)w_L.

У проведених дослідженнях величина нижньої межі пластичності коливається від 22% до 48% при середньому значенні 33% і вологість на грані плинності також коливається в дуже широких межах при середньому значенні, що дорівнює 61%.

Щільність та пористість залежать від цілої низки факторів: мінералогічного складу, вологості, глибини залягання породи. До глибини 4,0-4,5 м щільність у середньому складає 1,80 г/см³. З глибини 4,5 м щільність ґрунту трохи збільшується і досягає до 2,08 г/см³. Залежність пористості від вологості прямо пропорційна і лінійна - чим вища вологість, тим вища і пористість. Масові визначення показали досить велику розкиданість величин щільності 1,49-2,08 при середньому значенні 1,8 г/см² , щільності часток 2,73-2,76 при середньому значенні 2,75 г/см², щільності сухого ґрунту 1,18-1,64 при середньому значенні 1,42 г/см², коефіцієнта пористості 0,59-1,00 при середньому значенні 0,78. Проведені дослідження показують, що вологість і щільність найістотніше впливають на характер деформацій набухання.

Таблиця 1. Характерні вологісні показники четвертинних червоно-коричневих глин провінції Дерьа

Червоно-коричневі глини	Інтервал значень	Середньоарифметичне значення	Кількість визначень
Природна вологість, w, %	12-57	27	386
Вологість на границі розкочування, wр, %	22-48	33	120
Вологість на границі плинності w, %	35-94	61	120
Максимальна молекулярна вологоємність, %	25-39	31	По фондових матеріалах
Максимальна гігроскопічна вологість, %	6-14	9	23
Вологість на межі усадки, %	6-13	10	23
Вологість набухання, %	32-59	42	26
Число пластичності, Ip, %	14-46	28	120
Показник плинності, IL		-0,21	120

Кут внутрішнього тертя і питоме зчеплення в процесі розущільнення під час набухання досить істотно знижуються, у середньому з 14⁰ до 17⁰ і з 64 до 16 кПа.

Стискальність ґрунтів визначалася за допомогою компресійних приладів у лабораторії і штампом у польових умовах. Компресійний модуль деформації при набуханні зменшився вдвічі, а штамповий - у 1,64 рази, що свідчить про те, що після набухання стискальність збільшується в середньому на 70%. Крім того, установлено, що структурна міцність залежить від вологості і глибини добору зразка. У зоні сезонної зміни вологості (до глибини 2,5-3,0 м) структурна міцність змінює значення від 0 до 50 МПа, а на глибині 5-7 м від поверхні землі досягає 100 і більше МПа.

Аналіз експериментальних даних за результатами штампових випробувань показав, що деформації стискання при тиску 200 кПа практично загасають на глибині, що відповідає півторакратній ширині фундаменту, тим часом, як значення нижньої границі стисливої товщі, розраховане за вказівками БНіП 2.02.01-83, складає величину майже в два рази більшу.

Визначення відносного набухання без навантаження показало, що цей показник коливається від 9% до 16% при середньому значенні 13%, тобто це сильнонабухаючі глини. Для розрахунків деформацій набухання основи визначено відносне набухання при тисках р=0,05-0,3 МПа.

У третьому розділі наведені результати польових досліджень набухання й усадки масивів глинистого ґрунту від сезонних змін вологості.

Експериментальна площадка розташована в межах селища Шехмескін, у 10 км на північ від м. Дерьа. На ній обладнано дві ділянки -№ 1 - “відкрита” площадка і № 2 - “закрита” площадка. Потужність глинистих порід складає 10-15 м. Ґрунтові води знаходяться на глибині понад 30 м.

На ділянці № 1 вивчався характер зміни вологості ґрунтів зони аерації, визначалися пошарові переміщення масиву, а також установлювалася нижня межа руху ґрунту під дією кліматичних факторів. На ньому були встановлені глибинні і поверхневі марки. Глибинні - на відмітках 0,5 м; 1,0 м; 1,5 м; 2,0 м; 3,0 м, поверхневі на глибині 0,25 м. Поверхня ділянки злегка задернована.

Поверхня ділянки № 2 була перекрита водонепроникним екраном розміром 15 15 м у плані, яким служило асфальтове покриття, покладене на сплановану поверхню ділянки. У центрі ділянки встановлено кущ глибинних і поверхневих марок. Глибинні марки встановлені на тих же відмітках, що і на ділянці №1. Від центру площадки на відстані 3,5 м і 6,5 м був виставлений ряд поверхневих марок у межах екрана і по одній на відстані 1,0 м від краю екранованої площадки, тобто за її межами.

Виміри вертикальних переміщень поверхневих і глибинних марок розпочалися 1 січня 1997 р. і безперервно велися з щомісячним виміром до 30 червня 2000 р. Крім цього періодично замірялася температура ґрунтів в інтервалі глибин від 10 до 250 см. Установлено, що зміни температури ґрунтів по глибині взагалі відсутні чи дуже незначні.

Результати експерименту на “відкритій” площадці показали, що рух різних шарів у масиві відбувається по-різному. У період дощів (листопад - квітень) верхні шари (0,25-1,0 м) мають максимальну вологість і максимальний підйом. У той же час для нижніх шарів (1,5-3,0 м) характерна мінімальна вологість і вони дають усадку. У посушливий період (травень - жовтень) за рахунок вологопровідності нижні шари масиву мають максимальну вологість і набухають, а верхні шари мають мінімальну вологість і дають усадку. На глибині 4,0 м вологість ґрунту практично не змінюється і переміщення його на цій глибині дуже незначні.

Аналіз зміни вологості на глибинах в інтервалі 1,5-2,5 м показує, що кінетика переносу вологи тут зводиться до закону вологопровідності, що пояснює переміщення вологи дією градієнта вологості.

Результати експерименту на “закритій” площадці наступні (мал. 2, 3). Через місяць після будови екрана почався підйом поверхні. Через деякий час був зафіксований підйом глибинних марок.

Так само, як і на “відкритій” площадці, на “закритій” у всіх шарах, що спостерігаються, виявляються піки підйомів, пов'язані в поверхневих шарах з сезоном дощів, а в нижніх (1,5 - 3,0 м) - з посушливим сезоном. Опускання верхніх шарів відзначається в посушливий сезон, а нижніх - у сезон дощів. Оскільки екран практично не пропускав у ґрунт атмосферні опади і виключав випари, сезонні зміни вологості й об'ємні деформації, що відбуваються при цьому, можна пояснити тільки законом термовологопровідності, тобто ефектом термоосмосу.

Істотним є те, що на відміну від “відкритої” площадки, на “закритій” сезонні зміни вологості і викликані цим висхідні і спадні рухи шарів ґрунту нівельовані і відбуваються на тлі загального збільшення вологості і підйому поверхні. Систематичний підйом відбувається нерівномірно: найбільше переміщення поверхні спостерігається в центральній частині, найменше - побіля краю екрана. Поверхневі марки, розташовані за межами екрана, на відстані 1,0 м від його краю, переміщуються так само, як і на “відкритій” площадці, тобто екран не впливає на їхній рух.

У четвертому розділі викладені методи розрахунку основ із ґрунтів, що набухають, і будівельних конструкцій на них та пропозиції щодо їхнього удосконалення.

У даний час для розрахунку основ із ґрунтів, що набухають, та фундаментів на них розроблені різні методи, з яких важко виділити переважаючий, кожен з них володіє рядом переваг і недоліків. Крім того, ці методи складні. Інженерні методи, включені в БНіП 2.02.01-83, базуються на результатах експериментальних досліджень, проведених у СРСР. Можливість використання їх для розрахунку основ із ґрунтів, що набухають, САР вимагає перевірки. Вона отримана за результатами виміру деформацій набухання ґрунтів під дією кліматичних факторів, описаних у третьому розділі. За розрахунком величина амплітуди підйому поверхні “відкритої” площадки складає 57,64 мм, а заміряна - 45 мм, тобто розрахунок дав завищене значення в 1,28 рази. Теоретичне значення підйому поверхні “закритої” площадки складає 224,5 мм, заміряне - 153 мм, тобто теоретичне значення вище заміряного в 1,467 рази. Тобто розрахунки дають дещо завищені результати. Це - позитивне явище, тому що воно забезпечує велику надійність проектування. Також виконаний розрахунок підйому будинку в м. Музаріб, прогноз складає 207 мм, з виправленням, отриманий в розрахунках для “закритої” площадки, максимальний підйом буде 141,1 мм.

У запропонованому методі розрахунку будинків на грунтах, що набухають, у першому наближенні розглянута розрахункова схема в вигляді балки на пружній основі, навантаженій вище розташованими конструкціями. За модель ґрунтової основи прийнята одношарова пружна модель Власова-Леонтьєва з двома коефіцієнтами постелі. Величину підйому балки при набуханні ґрунту представляємо:

(1)

Система диференціальних рівнянь з перемінними коефіцієнтами щодо трьох невідомих - переміщень верха основи в зоні контакту з фундаментом - v, контактного тиску між основою і фундаментом (відсічі) - q та згинаючого моменту в поперечному перерізі балки, що описує НДС балки на ґрунті, що набухає, отримана у вигляді:

.

де EI_z - згинальна та зсувна жорсткість балки; t і k₁ - коефіцієнти, що характеризують пружні властивості основи; M_z і k - згинальний момент у поперечному перерізі і коефіцієнт, що враховує нерівномірність розподілу дотичних напружень по висоті балки; q і p - відсіч і навантаження; а і с - коефіцієнти, що залежать від характеристик ґрунту, що набухає.

Рішення цієї системи виконуємо методом кінцевих різниць. При перемінній жорсткості балки та перемінній вологості ґрунту уздовж її, їхня кінцево-різницева апроксимація системи при використанні центральних різниць з рівним кроком розбивки має вигляд:

;

.

Тут індекси i-1, i, i+1 позначають величини невідомих у вузлах розбивки i-1, i, i+1 відповідно, i n, - крок розбивки по довжині балки.

Граничні умови для лівого і правого кінця балки мають відповідно наступний вид:

,

Кількість рівнянь

m = (3n-2)

дорівнює кількості невідомих

k = (3n-2),

де n - кількість вузлів на балці.

Отримані також рішення визначення НДС балки на шарі ґрунту перемінної товщини, що набухає, і балки постійної жорсткості на шарі ґрунту, що набухає, стаціонарної вологості.

При визначенні підйому балки від набухання ґрунту враховано, що ґрунт основи знаходиться під дією зовнішнього силового впливу, обумовленого вищерозташованим шаром ґрунту і навантаженням, переданим фундаментом. Загальна деформація елементарного об'єму ґрунту представлена сумою деформацій, що викликані силовим впливом і набуханням.

,

де e_ij - тензор сумарних деформацій, e'_ij - тензор деформацій, викликаних дією силового фактора, e"_ij - тензор деформацій, викликаних дією зволоження і зв'язаного з ним набухання ґрунту.

Деформацію, викликану набуханням, визначаємо за формулою:

,

де m - коефіцієнт, що залежить від фізичних характеристик ґрунту, що набухає, p_i - тиск у напрямку набухання, p_sw - тиск набухання, при якому набухання цілком зникає, ДW - зміна вологості.

При визначенні підйому поверхні ґрунту і фундаменту від набухання вважаємо, що деформації ґрунту в горизонтальному напрямку відсутні у зв'язку з двостороннім стисканням навколишнього ґрунту, що знаходиться в однакових умовах. Тому

e_x=e_e=0

і тільки

e_z?0

Деформація елемента у вертикальному напрямку, яка відповідає тільки набуханню ґрунту, має вигляд:

Визначивши у_z як функцію координати z

у_z=гz+у_zq

обчислюємо повну величину підйому фундаменту інтеґруванням рівняння

з якого знаходимо а и с.

,

Таким чином, за допомогою отриманих залежностей можна здійснити розрахунок балки на основі, що набухає. Однак дане рішення наближене, тому що будинок є просторовою системою.

При нерівномірних деформаціях основи елементи будинку - стіни і перекриття - деформуються як у своїй площині, так і з площини, тобто поводяться як оболонки. Тому будинок може бути представлено просторовою оболонкою, що складається із зовнішніх і внутрішніх стін - оболонок і зв'язаних з ними оболонок-перекриттів. Для того, щоб врахувати роботу пружної основи, що володіє властивостями до набухання, фундаменти спираємо на елементи, що моделюють зв'язки кінцевої жорсткості.

Розрахункова схема будинку на ґрунті, що набухає, являє собою просторову систему, що складається з кінцевих елементів-оболонок, пружно з'єднаних у вузлах, яка спирається на балковий ростверк, що лежить в основі Власова-Леонтьєва з двома коефіцієнтами постелі. Для визначення напружно-деформованого стану в елементах запропонованої розрахункової схеми використовуємо МКЕ і програмний комплекс розрахунку конструкцій на міцність - ПК “МІРАЖ” разом з вище отриманими залежностями, що враховують вплив набухання ґрунту.

Як приклад визначення НДС будинку зі стрічковими фундаментами на шарі ґрунту, що набухає, був прийнятий будинок оздоровчого центру в м. Музаріб. У результаті встановлено, що з усіх зусиль, що формують напружений стан, переважають подовжні сили Nх, як у стінах, так і в перекриттях. Представлений малюнок показує рівень розподілів зусиль у будинку при набуханні ґрунту.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. На півдні Сірійської Арабської Республіки, в провінції Дерьа регіону Хуран, зустрічаються глинисті ґрунти, що набухають та викликають ушкодження зведених на них малоповерхових житлових будинків.

2. Проведені різноманітні лабораторні дослідження виявили регіональні особливості глинистих ґрунтів і ступінь впливу різних властивостей цих ґрунтів на механізм набухання.

3. Визначено мінералогічний і гранулометричний склад ґрунтів, природну вологість, вологість на грані пластичності, максимальну гігроскопічну вологість, вологість набухання і вологість на межі усадки та їх взаємозв'язок.

4. Вивчено загальні фізичні і механічні властивості ґрунтів та їхню зміну у процесі набухання-усадки.

5. Визначено специфічні характеристики ґрунтів, що набухають.

6. Лабораторними дослідженнями встановлено, що визначальний вплив на величину набухання червоно-коричневих глин провінції Дерьа роблять початкова вологість і щільність ґрунту, глибина залягання і тиск на ґрунт.

7. Проведеними тривалими, продовж 3,5 років, польовими випробуваннями визначені переміщення поверхні і глибинних шарів відкритої й екранованої площадок під дією кліматичних факторів та супровідні їм зміни вологості.

8. Унаслідок розрахунку підйому поверхонь відкритої і закритої екранованої площадок показана можливість використання Українських будівельних норм при проектуванні основ із ґрунтів, що набухають, у Сірійській Арабській Республіці з урахуванням регіональних особливостей.

9. Отримано аналітичні співвідношення параметрів НДС фундаментної балки, що лежить на ґрунті, що набухає, і знайдене числове рішення виведених рівнянь за допомогою методу кінцевих різниць, що дозволяє визначити всі параметри НДС фундаментної балки та основи.

10. Розроблено залежності, що дозволяють використовувати ПК “Міраж” для розрахунку системи “будинок-фундамент-основа” при набуханні ґрунту в основі.

11. Виконано числовий розрахунок НДС триповерхового будинку, зведеного на глинистих ґрунтах, що набухають.

12. Дисертаційна робота має практичну спрямованість. Отримані результати призначені для використання в практиці проектування та будівництва.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Чопанов А.В, Омар М.Ш. Закономерности возникновения объемных деформаций глинистых грунтов в зоне сезонного изменения влажности // Науковий вісник будівництва (ХДТ УБА). - 1999. - Вип. 8. - С.63-65.

2. Омар М.Ш. Региональные особенности (САР) // Науковий вісник будівництва (ХДТ УБА). - 2000. - Вип. 10. - С.101-104.

3. Воблых В.А., Дионисьев-Македонский А.Д., Омар-М.Ш. Расчет подъема основания и фундамента при набухании грунта // Науковий вісник будівництва (ХДТ УБА). - 2000. - Вип. 11. - С.131-137

4. Воблых В.А., Дионисьев-Македонский А.Д., Кичаева О.В., Омар-М.Ш. Расчет ленточного фундамента на слое набухающего грунта // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях. - 2000. - Вып. 119. - С.30-33.

5. Воблых В.А., Дионисьев-Македонский А.Д., Омар-М.Ш. Расчет ленточного фундамента на набухающем слое в условиях стационарной влажности // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях. - 2000. - Вып. 128. - С.99-101.

6. Омар М.Ш. Минерологический состав и его влияние на набухание глинистых грунтов южной части Сирии (район Хуран) // Науковий вісник будівництва (ХДТ УБА). - 2001. - Вип. 14. - С. 155-157.

7. Омар М.Ш. Гранулометрический состав и его влияние на набухание глинистых грунтов // Науковий вісник будівництва (ХДТ УБА). - 2001. - Вип. 15. - С.146-148.

8. Омар М.Ш., Кичаева О.В. Расчет здания с ленточным фундаментом на слое набухающего грунта с использованием ПК “Мираж” // Коммунальное хозяйство городов. - Киев, “Техника”. - 2001. - Вып. 27. - С.186-189.

Аннотация

Махер Шауки Омар. Набухающие грунты и строительство на них (в условиях Сирийской Арабской Республики). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.02 - Основания и фундаменты. - Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций, Киев, 2002.

В диссертационной работе выполнено определение свойств набухающих глинистых грунтов провинции Дерья в САР и усовершенствование методов расчета оснований и зданий с учетом особенностей этих грунтов и условий эксплуатации. Проведенными лабораторными и полевыми исследованиями определены широкий спектр физических, физико-химических и механических свойств региональных грунтов. В результате выяснено их влияние на причины, степень и механизмы набухания.

Длительными, протяженностью 3,5 года, полевыми исследованиями установлены амплитуды вертикальных перемещений поверхностных и глубинных слоев открытого и экранированного массива грунта и изменениями их влажности в зависимости от климатического фактора - сезон дождей или сухой сезон. Вычисление подъемов поверхности открытого и экранированного массивов по Украинским строительным нормам дало завышенные в 1,28 и 1,467 раза значения по сравнению с замеренными при полевых исследованиях. Определение НДС системы “здание-фундамент-основание” с учетом влияния набухания грунта выполнено в 2 этапа. На первом расчетная схема принята в виде балки на упругом основании, представленном моделью Власова-Леонтьева, обладающей набухающими свойствами. Для этой расчетной схемы получены системы дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами и их апроксимации методом конечных разностей для различных случаев распределения жесткости балки и влажности грунта и зависимости, позволяющие определить подъем балки при набухании грунта.

На втором этапе здание представлено пространственной оболочкой, состоящей из оболочек-стен и оболочек-перекрытий, фундамент - системой перекрестных балок, опирающихся на элементы, модулирующие связи конечной жесткости, и основание - моделью Власова-Леонтьева. Применяя метод конечных элементов и программный комплекс “Мираж”, методом последовательных приближений, используя полученные зависимости, учитывающие набухающие свойства грунта, определяются все характеристики НДС как здания в целом, так и его элементов. В качестве проверки выполнен расчет 3-х этажного здания с ленточными фундаментами на набухающем грунте. Диссертационная работа имеет практическую направленность, полученные результаты предназначены для применения в практике проектирования и строительства на набухающих грунтах.

Ключевые слова: набухающий грунт, механизм набухания, балка на упругом основании, метод конечных элементов, программный комплекс “Мираж”.

АНОТАЦІЯ

Махер Шаукі Омар. Будівництво на ґрунтах, які набухають (в умовах Сірійської Арабської Республіки). - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.02 - Підвалини та фундаменти. - Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, Київ, 2002.

У дисертаційній роботі виконане визначення властивостей глинистих ґрунтів, що набухають, й удосконалення методів розрахунку основ і будинків з урахуванням особливостей цих ґрунтів та умов експлуатації. Проведені лабораторні і польові дослідження з визначенням фізичних, фізико-хімічних і механічних властивостей регіональних ґрунтів

Визначення НДС системи “будинок-фундамент-основа” з урахуванням впливу набухання ґрунту виконано для розрахунку схеми у вигляді балки на пружній основі, представлено моделлю Власова-Леонтьєва, що має властивості до набухання, для якої отримані системи диференціальних рівнянь і їх апроксімація методом кінцевих різниць для різних випадків розподілу жорсткості балки та вологості ґрунту і для схеми, в якій будинок представлений просторовою оболонкою, фундамент - системою перехресних балок, а основа - окремими елементами кінцевої жорсткості і моделлю Власова-Леонтьєва. Її вирішення виконується із застосуванням методу кінцевих елементів за допомогою ПК “Міраж” та методу послідовних наближень.

Ключові слова: ґрунт, що набухає, механізм набухання, балка на пружній основі, метод кінцевих елементів, програмний комплекс “Міраж”.

SUMMARY

Omar Maher Shauki. Building on swelling grounds (in requirements of the Syrian Arabian Republic). - Manuscript.

Thesis on deriving of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.03.02 - Basement and foundations. - The State Research Institute of Building Constructions, Kiev, 2002.

In a thesis the definition of properties of clay swelling grounds, both refinement of computational methods of the foundation and buildings is carried out in view of singularities of these grounds and external environment. The laboratory and field researches on definition physical, physicochemical and mechanical characteristics of regional grounds are held.

The definition of the intense and distorted status of a system "building- foundation-basement" in view of influence of a bloating of a ground is carried out for the calculated scheme as a beam on the elastic foundation, introduced Vlasov's and Leontiev's model, possessing swelling properties, and for which one the systems of the differential equations and their approximating by a method of finite differences for different cases of allocation of hardness of a beam and dampness of a ground and for the scheme are received, in which one the building is introduced a dimensional envelope, foundation - system of crossbar beams, and basement - separate members of terminating hardness and Vlasov's and Leontiev's model. Its solution is executed with applying of a finite element method with the help the PC "Mirage" and approximation method.

Keywords: a swelling ground, operation of a bloating, beam on the elastic foundation, finite element method, programmatic complex “Mirage”.

Размещено на Allbest.ru

...