Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование взаимодействия поверхностных фундаментов на подсыпках с вечномерзлыми грунтами основания

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Исследование взаимодействия поверхностных фундаментов на подсыпках с вечномерзлыми грунтами основания"

Академия наук СССР Сибирское отделение Ордена Трудозого Красного Знамени Институт мерзлотоведения

На правах рукописи

БЕРДИЧЕВСКИЙ ЮРИИ ВИКТОРОВИЧ

УДК 624.139:624.15

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ПОДСЫПКАХ С ВЕЧНОМЕРЗЛЫМИ ГРУНТАМИ ОСНОВАНИЯ

04.00.07- инженерная геология, мерзлотоведение и грунтсзедение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Якутск - 1990

Работа выполнеьа на Игарской паучно-i. хледовательской мерзлотной станции Института мз^злсгсзсдекля СГ АН СССР

Научней руководитель - Заслуженный деятель науки и те' чикл

POCF й ЯАССР, .акгчемик П.И.Мельнг-юв

Официальные оппоненты - доктор чехдаческих нрук• npo<x¿ccop

. К .ф.Войткоеский роктор технических наук А.А.Коновалов

Ведущая ооганизация - Государственный проектшЛ институт

"Hkj ':arr.onpc..mioeKTn

Защита диссертации состоится " № " 1990 г.

в /¿(-Сочасов на заседании спецюпизирован-'ого совета Д 00w.48.JI по мерзлотоведе тю при Институт-» мерэлс 'оведенкч CP Аи CCJCP по адресу: 377030, Якутск," Институт мерзлотовед.-ния, конференц-зал.

С диссертапией можн^ оэ:<-жомиться в биилиот^ке Института мерзлотоведения СО Ail СССР.

Отзывы в двух э^емплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направить по вышеуказанному адресу ученому секретарю спе-;иш»..зированного совета.

Автореферат разослан " " UfrJ/ó^ 1990 г.

Ученый секретар»-

•специализированного совета _, ^

к.г.-м.н., c.n.c. С.И.Заболотник

у™1"'- , сь-н-ая харлктерист.' 1\а рлгшь

г- - • ; Акту-льшсть темч. Инте гсивноз освоение районов Сибири : .■- • •-Крайнего Севера видвинуло ^яд сложшх течиическлх " okc iomv.-^'р^ческих зацич, среди котор"х ееслоо место занкмазт возк.еден-.ю 'и эксплуатация прошшльнных и гражданских эгзьиз и Соопузсзний вечномгрэлых грунтах. Слеп:;фическио пр^родко-к-лжатическ: з условия Севера, отдаленность районов строительства и cik^o-развитая материально-техническая база строите .ььой индусти, затрудняют решение постаьлеик" "х за~ач, предъявляя пошлинные требования к ке-годам устройства, конструктивным рсзекип-. и зксгиуата_^иокным качествам строииль.их объектов. Лояск резервов эффективности строительного произьодстиа в cobcj-j.-shctbg-ванпи конструктиь.шх решений зданий и сооружений, позволил выделить, в ка-ест^е одного из основных направлен«'. решения проблем«, поркшске уровня бундам«нт ■'строгчил, кмеюцьго значительный у;.эльннй "ее в общем объеме строи*. .^л1-кс-;.:онт^.4а jy работ.

Диссертация пос<зр>цена ^ктуа~ьн:-.м вьпросам раэраб тки и лроектирования .эффективных конструкциГ поверлнос'нчх фундаментов. Актуальность проблемы связа1 г с тем, что внедрение з проектирование и отрогтельст^о этих .гоне грукций в значительной мерз затруднено в связи с отсутствие! оперативных катодов расчета их вс модействия с многолетне .юрзлыми о"-но- миями. Работа вполне :а в процессе реалкз-ди" ц-левоГ лгг'чн -i довате-ьско?» программы 0Ц.031 "осстроя JCCP, ГьпТ и Госплана СССР, задание 233/59I/27C от 21.12.19Я0 г. по те;.'"!,! 05.0т.о1Тг и 0r-.0I.CI3e и регионгльной пр.гргчмы 06.Ос.СО Н (задание 06.С6.00.Н.03.03), направленных на р^зрабо/ку, проектирование и вгэдрение в производство новых иыиокоэ&^ектив-ных"конструкций пространственных вентилируемых фундаментов.

Цель работы закл чалась в разработке м ибоснова ии методов инженерного расчета и прогноза взяимодей-тьиг. :.о"зрх..осиных гечтилир^-змых фундаментов с многолетне лерзльп. i грунта»."", в соверпенствозании существующих кокструку"вньл ресений даментов подобного типа.

Для достижения иоставлен"ой цлга' потребо^алос гстл ь следующие задали: проанализировать с"[мству*гций опыт рао' та и проектирования цокильно-фукдамечтной части з.'Ш'Ий, я lzjX'-

кчх по I принципу использования вечномерзлых сзнований; разработать инженерный метод теплотехнического расчета поверхностных вентилируемых фундаментов на подсыпка..; разработать а.ич ритм расчета граничных условия задачи тепловс го и механического ез£1...юдеРствия элементов системы "основание- ло-вер..ностны2 фундамент-здание" и реализовать его в приграч- __ мном комплексе дл" про. чоза указанного взаимодействия; выполнит! катьматичаское моделирование проиессов теплообмена б системе "с:нование-фу.1дш )н?-здание"; проверит.. достоЕер-лость /е^одики расчета граничных условий и обоснованность принять.; при ее разработке допущений пу ем постановки натурного эксчер 'мента по исслеп,оьании теплового взаимодействие поверхности ж ¿^щдомьнтов с рччномроз^ыми грунтами; провести комп/ier 1Ные модельные и натурные исследования различного т"-гл к нструкц"Ч складчатых поверхностных фундаме.:гсз ча подсаках; р 1зрябога .-ь рекомендации по расчету гэплового взаи-мо.г,?."зтеия поверхностных i знтигчруешх фуьдамент_в с вечно-кер;»шмг основаниями; рассмотреть принципы конструирования и олпт проекти^ог шин нулевых ци; лов зде_«н"' ьа фундаментах-этого 7к ¡а.

Ч.т.ды исследований включают анализ состояния волоса гк нгучно-ТЕ.гнкческой питьратур^, модельные и нг^'урше эксперименты, аналитические ипледоьаш.л,. pf-.четы ..а ЬЫ и г.бс^щгчие ~кслер '.ментальных и тэоретич ских исследований.

Hay». :ая от.зн-. работы заключается в с:едуки;ем: на основании ан лиза условий взаимодействия повер-нс тных ленти-лируешх (¿"кдакентов эданиь н" i. одсыпках с многолетнемерялы-ft грунтами, предложена рг"четная моде, ь особы ый на не., ¡.а-'од :ut зпернто pv. .e va системы вентилирования фундечентог . одобн го типа; разработан и реализован в программном комплексе алгоритм расчета граничных условий зрдачи прогноза т п..ово/u к о)гхш.»ыеск'1го взаимодейстрчя элементов системы "основа ле-поиерхн'отны". фундамент-здание"; впервые, на с,-нозш./и юлномас штабных на,рурн"х •экспериментальных исследо-вш.лй. „¿""а овле. л законе..ерности хода, процесса тег...ообмена в rw пгны. ти-.&х элчм' нтов iwbb^ хноотного фундамента и фор-. пировал я темпа; гтур-ого режима „гухс ойнсо основания лод-ct ;ка - литодкый Б9""Н0мерзль;й .,pj..rT,H в предпостр эчшй пе-

риод и з процессе возведения здания на пперхносткпх вей.или-руемых фундаментах; на основании результатов натурного и серии модельных окспери: знто^, разрэботакь новые ксн^труч .".¡рчь:® решения поверхнос':.ых складчатых фундаментов.

Практическое зиачзнко работы состоят в гем, что -"-зуль-■1*аты выполненных исследований позволили разработать np?:ir>apw-т с льны рекомендации по теплотехническому расчету по веру :о сг-ных фундаментов к . подсыках и схемы компановки нулевых цикле з зданкй с применение" эт..х коислукц:й, £ такжз был;:-"с~ поль^оваш при проектирована; следующих сбъе тоз: ремой! ло-механнческих мастерских Игарского АТП (гг^о'ктаровщих - ""ьЛ "Гипроов'л отранс"); пожарного депо Цгар'кого Jíili" (ЯКО "карского ЛИК); коровника ни 200 ro'jfoB в г.Е1Т>д1..'естях Рчутско:: ACCF (ГБЧ "Якутагроироект"); гарегз-етоянки на 25 автомобилей г п.Немцы СКр. КСЬ); ади<тясур??ивиг -бытгэо» о корпуса. ПС'мО "Но-^и-.ьскстроЛ" на тгрриторп" Огакер в раГоке t льаого Нори^ыка (строятся), гарэяа-стояшси на 3 -г л>мобиля йггеской Шили в--г.Игарке (построен).

На защиту Вносятся:

1. Инженерш/" метод расчета сиите...ы веь шлиро^анич по-¿-ерхгюс-чых фугадакентоя здш..1й на гчдсылках, воззод;.мых' на вечномерзлкх глуктах по первому принципу.

2. Алгоритм расчете граничное услоячЛ к сгс реализация з программном комплексе оделенного np"iнсьа процессов .'валового и механического взаимодействия элементов с/смх.ш "ооногчннв-повергчостный фундамент-здание".

3. Результаты экспериментальных ксследо^ан!'Ч процессв теплообмена в системе "ог ювание-поверхносткый фундамент-ад .■

ние;".

4. Результаты комплексных : одег .них ." шторных -вeiítiñ конструкций посер' ност/м. ф/ндахент^а складчатого типа.

5. Предварительные рекомендации ю тгллотехн::чь^ому , расчету л общие принципы конс-руиров«. шя нулевых циклов ьда-ний на поверхност фукдеи'энтазс. " ' -v "

Апробация работы. Основные- полежи-шя дилсерта1чш дс..окопы и обсуждены на: Красноярских краевых ьаугс.о-т'зхи! конфере.циях (Красноярск, IC34, 198о); Ер^орсг'-Л чраевс* ^ь,-учно-технической конференции (Вл.дипосток, I0u5); "о: -¿/эрен-. .

Ц-.МУ. молодых J -генкх K.V.3 СО АН СССР (Якутск, Т986, 1983) и МГУ (!..осква,1939); научно-техкичес:оМ конференции Томо,.огс ИСИ (Томск, I9P5); Бессоюзной конференции "Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья" (Чита, 1987); Всесоюзной конференции по фундамонтостроению в сложных гс злогическ».х условиях (Уфа, 1987); Всесоюзной научно-грактическол конференции (Магадан, 1939); расширенном заселении Научного Совета по криологии Земли АН СС<Т (Москва, I9S9).

Публикации. По материалам выполнс иных исследований -публикован^ iö работ.

Структура, к объем работы. Диссертация состоит из введения, шести г.ггь, заключения и приложений, содержит T5Q страниц машинописного текста, 62 иллюстрации, 12 "аблиц, список литературк и- 153 .наименований.

содержание работы

Во введении обоснованы актуальность работы, ее научная новизна, сформулированы цель и задачи, пер-чисчгчь' метод*' исследований.

Ь первой главе дан анализ современного состояния вопроса и постановка задачи исследований.

Более чек полувеково" опыт массового строительства в районах распространения е чномерзлых грунтов позволил выде -лить перспективные, с точки зрения ицгусчриальных способов возведения нулевчх циклов зданий и сооружений, конструкции фундаментов и методы использования грунтов в их основании. Успехи в решении проблем фундирования б промышленном и граж--. датском строительстве на многолетнемерзлых основаниях в зна- • чительной мерс определяются достижениями советского мерзлого- ■ ведения, развитие которого связрно с именами таких ученых как М.Н.Сумгин, Н.А.Цытович, П.И.Мельников и др. Существ^-оций в настоящее время высокий научно-техничес::ил уровень развития отечественного фундаментостроеник на вечнс.лерзлых грунтах • ст^л bopv.o7.cph благодаря работам т_ких ученых ка" Ю.Я.Велли, К.*З.Зойтковский, С.С.Вялов, Ю.¡¿.Гончаров, В.В.Докучаев, ¿).К,Зах зцхий, В.Н.Иванов, Р.Ы.Каменский, М.В.Ким, А.А.Коле-соь, А.А.Коновалов, В.ИЛАакаров, К.£.Маркин, П.И.Мельников, Ь.О.Орлов, Г.З.Псрхаев, И.К.Растегаев, Н И.Салтыков, Г.Ы.Фе-льдми, Л.Н.Хрусталев, Н.А.Цытович и многих других. Анализ

)тих р~бот показал, что использование вечнс.лерзлых грунтов основания в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строитель« а к в течение всего пер^огя эксплуатации сооружения, является рчиболез _1азрабртакнкм и освоенным принципом строительства на вечномчрэлчх грунтах. лн тирохо м с успехом пр;:— ченя"тся в практике, наиболее соответствует природ:-:^, условиям районов р спространгчия вечн^мерзлых гру: тог и объективной тенденции изменения этих условий е результате е'.стройки. Конструктивные р^шенля фундаментов на вечномерз.т_чх грунтах, непрерывно cor-¡ршенствуяиь, за достаточно короткий период прошли путь эволюции от обычных бутовых лент д высок-— тс :нолсгичных и индус 'риальнкх свай. Практика, подтвердила эффег. гивпсть раг работали-тс в СССР конструкций л способоэ j '.тройства свайных .оснований на ккоголетнемерзлых грунтах. В настоящее 1_ремя о^ной из основных тенденций развития фун-диментос. роенкя на Еечномерзл. х основаниях является уменьшение глуби* ч наложения фундаментов за счет развитой поверхности оьиряния на грунт. Гаиболее полно э а тенденцля, в совокупности с опытом кспольпвану" вечномеролых ос ований при фунд1ровании нч «их традиционными методами, учтена при ра' -работгэ л исследованиях конструкций вентилируеыгх пространственных фундаментов, опирг-чцихся на поверхность подсыпки, устрпелной на ¿.риродном вечномер: юм основании, сги фунда-Чонты, имея ряд существенных достоинств конструктивного и технологччрского порядка, являются г-ологически чистыми конструкциями. ГЬи выполнении элеме :тарнкх требований стандартного проекта оргя»ирацил работ на ¿зтрск^тзо ку; .всо цикла с их применением, можно добиться сох; \гения естественного или строюго соблюдения заданного р„'жима мерзлотно-груктоьлх условий площадкч стройте..ьства. Конструкции могут использоваться з массовом строительстве наряду с традиционными решениям* ф^вдймен.ов, в частности, сваями.

С ,НИМ ИЗ OCHOBF4X мероприятий ' 2K~')4aJ0:;iilv возможности появлс"ия недопустимых деформаций зданий л соог.-кений на' Еь^номерьл'Ч грунтах, является рег2"1ирова'"ш температурного режима основания. В ча тности, сохранеи-.е грунтов о г юзан;.л в м^рзлс i сос""5"шш Ао"чсно -бе.'мчнваться ус.ро.'.ст ом : хы,ц-ныу подполий чли холодных первых атыкс-й, укладки л охль.«да:о-

труб и-и применение,.' вентилируемых фучдамек.'ов (СНиП 2.02 .С4-8!3). Методы расчета таких устройств ^'ьпи обоснованы .. получили развитие в работах Ю.Я.Велли, К.Ф.Ь^йткоеского, В.НЛ.заноза, А.Л.Коновалова, Н.и,Куть«щкоЯ, Ю.М.М£ :ова, 1'.ВЛЮрхаова, К.К.Сгчтыкова, Л.п. Хрусталева, H.A. Цытовича и других.

Пространствеч; *je вь:;тилир^ ме фундаменты с:кмеа;ант функции несущей конструкции и устройства д^я охлаждения грунтов, оффе ;т работы котор.г. достигается в зимнее время при ДБ^лЗГЧИ го сквозны" полостям наружного холодного воз-.гуха. Ор^анисаци.; aef ?илируемого пространства с хороши а&родыам :чзскими свойствам , удобство расположения каналов для применения е^нтилирсза"ия ~ мехгшческим побуждением, возможность регулирования температурного -режима основания по,ц ризккли 4i }?тгл одного сооружения, удачная сочетаемость с пчцсып..о«1 в сачзотве гтомрчуэчного слоя мел,ду фундаментом л природ, ым ве тн дерзльм rpj.nvM, позволяет говорит-- о перспективна ?.ти конструкции охлаждаемого устройства в рчде .»с вl±x .1 ¡о сvногс фу ндаме нте

Аьлл/.з существующих спосос'"в расчета толщин" подсыпки, о преде. ения расетн"Х температур группа и подпольного прост] -шстЕа, г ч"иже kjTC ;ов расче а модуля или системы вентилирование подполья, показах, что они недс.таточно полно

OuoOeHhwCT'i ра'отч как самой ¿.онструкц/и 'п. зерх-üocvüoro ¿ундаменча, так и системы "природ:^., грунт-подсып-. ка-^тч.амен-.4 ¡з целом. Существующий ^етод теп от_хпического расчета пое рхностнкх фукцамен"оъ (Н.В.Кутвицкая) предусм"-r; ibo/t необх димость летне" коиерпвгци.. с.'зтеи о: .аздечия основания. Резу. ьтат i аналитического обзора подтвердили актуально, гь задачи разработки гчиече^ного мето.-.а расчета поверхностных вентилируемых фундаментов на поджилках.

Существуют чй оиы^ исследований, эг",.перпментального проектирования и ст^ зите..ьстча зданий на чеьочхностны/ пр: з-матпчь-ских фу н,п,аканта "-обол ~чка пз! ж" ы пш^ь ряд их Ьггдоотг "лс ' ..ак т> хнолсгич^ского, так и конструктивного ¿»я,. 1. .¡повь.п'чше к'жгл.ксгах модальных и n'iTypiiic ис -ледо-ьан.<й кс* .с'г;-кци.. 150в рхностных ф^'дамон'гс! ы ¡еглю нго^ло-д.-'.остью г iß риенство. ^ния о.уцеогэуьгчх конструктивных ре-

шений фундаментов подобного типа. Проект: рование поверхностных фундаментов на под_ыпках связано с рас етоь взаимодействия элементов системы "oci: иваш'.з-г творхьостньгЛ ве;-иил..руе-мый фундемент-зда :.:е". Отсутствие возможности оешенич m тавленкой задачи аналитическим путем, дик^у«т необходимость разработки программного комплекса для сз решения чу,'"пенными методами. Изучению подобных проблем дл традициичкых коь^т-рукций фундаменте- посвя~эны работы С.С.Вялова, й.Р.Гохкака, ИЛ.Гурьянова, Р.а.Демч~нко, Ю.К.Зарецкиго, Л.И.Кейма; ха, А.А.Плотникова, В.Г.Позовекой, Э.г.Рудина, Д.Н.Тоготяхсйа. Л.Н.Хрусталева и многих других. Достоверноегь результатов, при с^цес/зуюгцем уровне решения этих з^дач, во .»йогом пакет от корректности задания граклчгк условий рас Создание программного комплекса, исп^льзух^его ф^ндовыз трог-раымы pact-чта процессов тепло.бмена в грунтовом основагчи и гтигического расчета npoc.pr ютвенных конструкций фундаментов, требует разработки алгоритмов и гргграым ^.асче :а граничных условий задачи взаимодействия. элс..;епТ">в рассматр/ии-мой системы, адаптации фондовых программ к задачам расчета л отладки их совместимости с в..овь разработанными програющмг.

Во второй главе изложен к -жененный метод теплотехкичзс-кого расчета пезерхне^тных вентилируемых фундаментов на п^д-Сьшках.

Составными частями задачи тепло.ехчичесчого расчета системы "сезоннооттаиы^жций природный грунт-подсылка-по^ерх-постны" вентилируемый фундамент-.' да. ш е " яр чя .тс;.. ко..с жуирование ьодсыпки, определение рас"етчых ""эдперлт^р характерных поверхностей осноьанш., расчет euerem вентилирования фундамен.а. Весь ком шекс перечислен. а.'у задач объединен посредством пос^едовательног > исполььовани,. ( лречелярмых наличии из однт'х чгетей расчета в каоестье иихоцн"х параметров в других.

Рассмотрены три варианта грименеи;.,. годсыиси: первый -предполагает сохранение npnj одного положения верхней грзн..ця вечной мерзлоты (ВГВМ); рторой - обеспечивает промехуточи"е положение подошвы соя сезонного протаивания мевду подсы-кой и природным уровнем РГБМ; ?рь/ий - предусматривав локри"ра-цио слоя сезонного прота :вгчия в пределах подсыпки, лазнач;-

н/.е толщины подсыпки производится на основании расчета совместных осадок фундамента, материала подсыпкч и природного грунта. :'з совместного решения уравнения для расчета толщины подсыпки по СПиП 2.02.04-88 и неравенстра, определяющего соотношение предетыю допустимых деформаций здания с основанием и суммарной ожидаемой осадки сезон.юоттаивалщих и сжимаемых мерз тих сюев грунта, относительная толщина подоы:ки ограничивается условием:

i-ч/df-s„c=(Кк StKtA- Su)/StKjta- Sf StKs>rl (I)

где: k3 и d^ - толщина подгчпки и нормативная глубина оттаивания ее материала, м; К'^ - коэффициент тепловс.-'о влияния; Sth - ожидаемые осадкп материала подсыпки

с природного грунта основания, при протачвании иг ка нормативную глубину, м; - о:пдае.у ч осадка слоя пласычно-мерзлого природног" грунта, толщиной равной слою сезонного оттаивания, м; Su - предельно допустимые осадки (деформации) основания, м. Выражение ж является общим для всех трех случаез расчета толщины подсыпки.

Для определения расчеткъп. температур поверх! зсти подсылки под подошвой фундамента использована формула Г Р.Пор-хаева для расчета максимальных температур i зрзгого грунта под краем здания. Последние назначаются н<_ основании предложения Л.К.Хрусталева о расчете среднегодовых температур на ЗГЕ!.; из условия раьеьстза максимальных температур га заданной глубине под зданием температуре перехода природного грунта в твер.домерзлсе состояние.

Р .счет системы вентилирования б-.эируется на совместном решении аэродинамической и теплотехнической задач. Решение системы уравнений Бернулли, записанных для кагдого характерного участка вентилируемого элемента, позволяет определить требуемую величину рае.сода воздуха. .Изменение теплопередачи по длине вентилируемого элемента.описывается дифференциальным ургзнанием теплового баланса для эгзментарного участка dx его длины, Решение уравнения позволяет определить среднюю относительную избыточную температуру воздуха в вентилируемой полости, являющуюся функцией величины егс расхода. Модуль рентилирования элемента ~оверхнос'..юго фундамента

рассчитывает"i из услови. равенства величин расхода воздуха из апроцинамической и теплотехнической задач по формуле:

р) ; (2)'

где: К- npi-зеденный коэффициент теплопередачи, эквивалентной суммарному коэффициенту теплопередачи зсех огралдеккй вентилируемого элемента, Вт/(м^°С)' VQ - скорость ветра на уровне продухов, м/с; Рй - пл тность воздуха, кг/м°; Сй -удел, нал теплоемкость воздуха, Дд/(гг.°С). В зависимости от положения полости в ряцу под зданием, наличии в ней тепловыделяющих коммуникаций и ее геометрии, модуль вентилирования определяется для одной или группы одинг-овых полостей.

Расчет вктяжног' устройства, работающего зэ счет самс-тя.'И может быть прс .зведок по Формуле:

H,-[o.vv;-a^7,)v:!]/^TÍ(TaM-Tmt)]; в'

где: - та збуемая скорость движени" воздуха по. . элементу.' м/с; - суммарное гидравлическое сопротчв-

: зние вс.й снстемь, V>x - '"змпературный коэффициент объемного растления г чздуха I, °С; g - ускорение свободного паде-ни~, м/с*". Приведен пример расчета пс предлагаемой методике.

Третья глава посвяшенг расчету теплового и механического . заимодепствия оле...ент_в системы 1 основание-поверхностный фу.^дамент-эданче".

Одна из основных проблем расчета .Сьлзана с определением условий к . границах конта; та злемен™ов системы. Если условия сопряжения надфунд. ментной част" здания и конструкции ^унда-ме^га принимаются неигченными в процессе всего расчета, то на по.пошве фунд-июнтной плиты ус^вия постоянно "зм^няюта.. Это связано с периоди^скиу изменением .змператур ¡.jaepxHoc-ти грунта под зданием и процессом сезонного отпаивали., осно- . ва"ия, вьгывакщим его осадки, дополните, ьные i осадкам связанным с нагрузкг 'и от сооружения. 1ран'"тьле температуры а»-' висят от i гловий теп'ооСмека в и'лости ...свер^чостнс ?о фу^-а-. мента и от хода прог-сса .еплосомсн," в по„отилагмем гр^нто-чом массиве при на ичии в нем подаианой границы фазовых пе- ■

роходов. Граничные уровня при расчете теплообмена в грунтовом v-зссквэ основания под здани к на текущем шаг* расчета по времени мо^ю определить из рршения кзазистационарной задачи р'-¡предепения температур в системе на предыдущем шаге.

Матема.ичесая постановка задачи расчета граничных температур включает в себя систему д.:ффере:зд.дльных уравнений передачи тепла f огр&удажщкх вентилируете по. ■ ости конструкциях, ссзоикооттаивеющем грунте, двикен-f? Еоздуха и переносе и;., тепла б вентилируемых _лелектох и с.'сте"у урав: зний граничных ""слс«ий для ы"зших и внутренних поверхгостей огпанде нья вентилируемой олости, г^доивы фуьдаментной г~иты и границ: ргздеза ф?з d грунте . La основании математической постановки зад1 гл, о учетом грингтых д~я решения системы лучисто-конве: тивкого теплообмена ь полости элемента допущений, формируется си*тема дифференциальных уравнений теплового балан- .

дл; i jsx поьерхностей ограждения полости, движущегося по не й создуу, и гран-цы раздела фаз в грунте. Система г годится к лйнеГ ioi-ту дифференциоль'к «у уравнению, которое решрзтея э-ч^сктелън0 1-зличикы темпера.урн воьду: i на участка длины эгзюнта:

ТалНА, ^we-^pif Pwdx)d-T0 J/exp(j PWdx) (4)

где: Р(х) - параметр, характеризующий суммарны" теп-овой по-ик в ьлеменфе объема вентилируемого элемента фундамент^; "¡sum температура, равная среАн й температуре элемента с ги гост., при от^утстзии г^.нтиляцьл, °С. Т.к. величина Ttt % ..ычисляет ,я для кавдого dx при ^тационарнг' распред--л-'нпи т-зм..ератур а пре, .злах катдого шага по времени, то тег-псфатугы всех поверхностей огршзд нМ вентилируемого олемен-та,, •* том ^'лс е и .раничнув, молно найти из решения систеш v.; ->ßri: у вне; л" За-аиса тепла Ни этих поверхностях. алгоритм ярт^етс „й'щи»л длг всех тигыв вентил.^^емых полостп ч^-ад^ме1 .'а. Для кевентилир^еинх элементов 'вплообмек в полсти гтссн5аетр«1 систем"! уравнений лучисто-конве гивного г.-е:1Л0"Смекч в "з.-лнее ртсмя, . л; мс: э-кондуктивного в летней Ь цела .'як, ьь^Лпвнчих теш.оизс тируг^ей "тепкой, теп: jc_-'.-■:-: ^arcf. по еча. эгии с. -ро scccm в призыа'-тесксм

Лг.рактер а.¿предел.* .¡ия температур гпунта и г'чиплен-

ные по ним границы от.'аивания, являются исходной информацией для расчета кояффициен^ов постели оснозани'я, при допущении, что на ка-^дом иаге по времен: происходит стабилизация осадок. Вьутри каждого чэ^а по времени величина коэффициента постели осночан«,я может быть уточнена из сопоставления перемещений конструкции и основания в каждой точке контакта пои итерационном процессе статического 'расчета конструкции фундамента. Начальная величина коэффициента постели, для каждого последует- чго нага по -ре енг, вычисляется по его значению на последней итераг'и статического расчегт. на предыдущем пагэ с пгчоцьл приближений В.И.Обозова, озволякщих учест- нелинейные осадки сезоннсоттаивающего грунта, аз слязанкые с нагрузкой от сооружения,

В состав программного комплекса, необходимость разработки которого быг\ обоснована результатами аналитического ' бзора состояния Joпpoca исследований, включены модули, выполняющие функции, сг")тветствуххдиь задачам расчета: температур поверхности *рунта вне здания вЯЗИТ ; температур поверх-' кости грунта под различными типами элементов гзверхностного фундамента , РОЮУ , РОЮМ , РГ'.Ог ; теплообмена в грунтором массиве сезоннооттаиващего основания в двух "еркой постак вне ЬпК0^ (програ! -ла разработана в СО АН СССР и адаптирована задача!., расчета гтэакичных ус звиЯ); положения нулевой изотермы и изотермы перехода природных г унтов в тзерцомерзлса состояние С1 УВ ; начальных значений коэффиии-е"тов посмели СОРОМ . К^оме того, в состав программного ком-плек а включен ьпдул! БНОБ статиттзског 1 расчета конструкций поверхностных пространственных фундаментов плитного типа, разрабо-аншй в Краснся^ ;ко;л ИСИ. ''.омплекс предполагает е-пользование ЭВМ П. Анализ результатов численного мо^елирс-ьлия позволил оценить влияние ряда рас"етнкх параметров на конечный результат и подтвердит« сбоснованноет: допущена«, принятых при разрабо.ке алгоритма расчета граничных темлера-тур.

г) г-п'вертои главе приведены методика и рззулпта-м на-турнъ'"-. последов' той теплообмена б сист -¿е "осковани^-повс х-ностный знтилируем"й фундаме"т здание .

Целью исследований являлось изучение :араметров процесса теплового взаимодействия элементов рассматриваемо.1 системы для опенки достоверности, определения зозмо*шсст i применения к корректировки четода его .исленного расчета. В задачи ис-сло«о"ан;'.й вх дидо изучение: температурного режима грут тов площадки строительства е прсдлостроеч..ыЯ период, в процессе строительства и эксплуатации здания; процесса передачи т. лла черс: ограждения различны.: т/поя элементов фундаме: га; темпе-ргтурно'-о режима, аэродинамических характеристик и условий тсгпс лбмг ча в вентил/:п/емых.полостях фундамента. Исследования проводились на экспериментальном объекте - крипичном здании "^а- а-столнкч на à игомсбиля, распслогенном не. территории ilri-pCKOv. 4IC.ÏC й.2 СО АК СССР. ьазмеры здак :я по осям 1с,Ях1<\4 !.!. Конструкции нучевого цу.кла - а лзмат"чеокие (/н-дам-кты-оболочки, -тас.-ь полостей Между которыми засыпана с устройством ••.ополнительнс.; ронтиляцчи, осуще г.сЕляе"ой через установленные между фундаментами лотки. Полости вентилируются круглогодично с прим чением вытяжки '"•гз механического побуждения. Чысота подсыпки 1*1,5 м.

Для р^ализа^ии задач эксперимента разработана методика наследований, на основании . зторой объект об'рудоган системой конгр'льпо-иомеоительной аппаратур!-'. В систему в к л чены одна дврэдатимстровая к пять- сем/метровьг' сквалги", обпрудо-в. ньых г'лрлякдечи -ерчометрса сопр зт/.вления Четыре г;;рл.а1 дг расположен ^ полостях фундамента, ^ri замеров темпераг_,ры используптс.. тер.аорезисторы " чпа "\ÎT~Ï. Тепловые потоки из- -менялись .ю принц!..1у толстостенной плиты 45 блочными цемент-но-: зечакнчмл тепломере и с базой хОО мм, оснащенными терроре '»исторамк типа î.iï.îT-4. Конструкции ^и^лянд и тепломероь разраЗсаш ь.т. i. В..¡.Макаровым, ¿иксируща» аппаратура-чоолы ЫС il : . .1 Р-Т~. А^родинамичеа.ле наблюдения осуществляются с омо'..^ь крч^.очетых анемометров АСО-З. Лорядок хода окспер ке".a определен из условий соответствий похадку чис-гслш го г сц?г'-а - "есь ко»лг\екс измере: чй в'.-шолняется через

ГХ&НЦО "ЯТЬ "yTC"t, ЧТО C00TB6T' ГБГ^Т ПОГраММНОМу Шагу По

времени. 1р/. ьссл»Довянки теп:.эобм'-на р элементах цундомеч-j пйчсс i.e основного :октрол"ручого параметра, изучают-j. топлопотоки чере. ог^аад ядее конструкции ¡.олс тей раз-

J.-<4"i>i4> "KV.U.

1,1

Рис. I. Натурные и расчетные ларгчетры теплиО?. ..гена в с ютеме поскевание-гсуадаментн

На ри'. I приведены кривые ди! м л: темперг.тур воздуха в вентилируемом элементе (Тй>1Г,), поверг-ю^и грунта под ло-доивой фундамента ( Т^ ), средних ветчин тепл^по: жев чорэг фундамгчтную "литу (0^ / к коэф£.г'1ие"то" кенг'.кт-зк. гс теплообмена на ее поверхности \ пслуче..нь:з ла основании натурных и расчетных данных (индексы '' 1" и "р" соотв-тс.тсенчо) за период строительства и эксплуатации о^ъе^а.

Величины коэффициентов коне к'^лвно! о теиюобмена на поверхностях ограждении полостей определялись по температурам вобдуха в различтл'х сечениях элементов и Еели""нау те^лопо^с-ков через огралдения. Для обеспечения достоверности результата, рас эты троьзво.'ллкеь на оског-щик данах, г^луг ^¡цьл г процессе возведения гдаы I после ококчанк: проме^залил соз н-ноталого грунта, но до запуска коммуникаций з надфукдймен.ко": части. Полученные результаты сравнивались с далными р.чеч то;з по замерен им скоростям , зикечия . оэ-уха чо рчемек 'ам.

Основным результатом натурных исследований является подтверждение зкспсриментальным путе?. адекватности метода расчета граничных температур, реальным гчоцессам, происходящим в рассматриваемой системе. Эксперимент показал достаточную степень совпадения натурных данных и расчетных параметров хода процессов теплообмена в грунте и фундаменте. Выявлено существование зависимости мезду скоростями ветра в районе строительства и движения воздуха по вентилируе: ым эг "¡мечта; Фундамента. Отсутствие корреляции меяцу вьличина.л коэффициентов теп-ообмена на поверхностях ограждений вентилируемых племонтсв, полученными в ходе эксперимента и определенных расчетным путем, .ри наличии сходства наблюдаемых и рас».зт-ных граничных условий теплообмена на поверхности грунта под педоьвой фукда: ад-а, свидетельствует о незначительности влияния коэффициента теплообмен*' на гонечный результат - определение достоверных граничных температур гручтового массива основания.

Б пятой главе приведены рез^льтьлл комплексных исследований конструкций пространственных складчатых фундаментов.

Исследования проводились с '-елы с'озершенствов чия существующих конструктивных решений поверхностных ^ентилиру"; ых фундаментов и разработки оптимальной конструкции унифицированного складчатого фундамента, удо вле т з оряюце Р совокупности предъявленных к ней технологических, конструктивных и проч..о-стных требований. Поставленная цель достигалась путем проведения натурного и пяда мелкомасштабных модельных экспериментов. За критсрией г чтима" -.ности раСоты чонструкции принимались величины ее деформаций и вн, тренни": усилий в элементах, возникающих под действием внешних нагрузок. Задачи л методы исследований на кикдом этапе определялись исходя 13 результатов, получении в ходе предшествующих экспериментов. Модель-1 .¡в исследования проводилась на экспериментальной базе КЩСК Госстроя СССР с использованием методики расширенного подобия, оборудования и комплекса контрольно-измерительной аппаратуры, разработанных руководителями экспериментальных работ к.т.н. Г.В.¡Шараповым и В.Г.Тарасоком.

Ка первом этапе работ проведены сравнительные исследования трех моделей складчатых фундаментов разл: чниго типа, а

также использованы данные проведенных ранее испытаний модели призматического фундамента-оболочки. Испытаны модели маспгабч 1:20 с различными схемами статичсс! работы и типами сопряжения очем hi'OB. Эксаеримгчт показал, что ох.чим из основных факторов, сущсс»jghho влияющих на рао'оту конструкции, является характер сопряжения ее узлов. Для выявления оптимального варианта сопряжения узле в конструкции, проведение численное и физи"зское, в мае тзбе 1:10, моделирование работы фундаментных блоков складчатого типа. Рассматривались три типа кснст-р.уки"ч: олносборный,со свободной стыковкой всех узясз, с отрезной плитой (?г сткая стыковка верхнего узла наклолных элементов при свободном опирании на фундаментную илиту) и с неотрезной плитой жесткое крепление всех узлов), lia стадии "исленного моделирования в качестве основных были выделены дв? последних варизита. Физическое моделирование показало, что более рациональным являете* вариант с отрезной плитой. На глкл'очи.елипой г -адии исследований проведен натурный ок-.сперимент. позволивший ответить . .а вопросы, изучение которых на ¡оделях кг представлялось возможным. Результаты исследований фрагмента с.сл.д*, .того фундамента, проведенных под руководством к.т.н- Ю.м.Гончарова, позволили елявить недостатки конструкции технологического н конструктивного порядка, получит данные о величине реактивного отпора грунт^ и усилиях, ьозникакщих ь э: змег 'ах конструкции под действием нагрузок, соо^ветсл ау дих нагрукам зт 9-этажнс о жилого дома. На основании "омплекс. i проведенных исследований разработан унифицированный вариант -хл.-дчатого фундамента, который .¡оезо^яет собирать как пространственную, так и i.J змную ленточную конструкцию.

Рис. 2. Унифицированная конструкция скл-тдчатого фундамента •

Устоноьл'но, что для улучшения характрристк статической работы п-лсстрйнст"енного скяадчатог" фундамента необходимо • нижний пойс конструкции выполнять сплошн! ! в направлении поперек волны складки. "доль волны складки фуьдамеатк^л плита может быть - разткмана обя^атель"ой перевязкой стыков нн.слон-чь:ми олемечтами. Б га?исимости от особеннос-е" конструкции, схемы работы подеппи и к^рзлотпо-грунтовых условий площадки строительства, могт применяться два' типа конструкций пространственных фундаментов. Пр\. локализации слоя сезонного оттаивания в про; зльх по"снпки, используются поверхностные складчатые фундаменты с неплотными фундаментными плитами и под-кропляющю,л Дипфрг пмами внутри ¿олны складки. При глубине от-таквани° большой, чем мощность подсылки, рекомендуется страивать сплошную фудачентнув ллкту без диафрагм жесткости р зкледкеос. Ьозк. .кш другие ьарианты компановки фун„£и.:энта ь вавьоииоигп от функционального назначения здания, нагрузок от кадфуьдаучнт: ча"т/ и тши. гру -тсвых условий.

Картине эпюр реактивного отпора грунта под иодоивой фун-лодтве _>а*ает необходимое . ь учег^ хчрак эра распределения .коэффициентов постели основания по полю фундаментной плмы.

Б Еестсл "лаве гри"едены пргцварительнъо рек.мендации по теплотехьии"скому ^асчоту, и?"окзны пр.:нциг*' конструирования нроептиров-н/ч нуевнх цк :лов зд. шй на : эвёр-чостных фундамента^.

Гчлью иазррбо'х.;и рекомендаций п„ теплоте-*™ 'еском^ расчету поверх .остных вентилируете фундаментов на подсыпках яв-л).зтс. повыше. .ие степени обоснованности лр^зктчк р чиений пр" применен«,. в ну. гвш "пклах зданий на вечномерзлых грунтах конструкций -юдоСього типа. Дпя упрлгения расчета разработаны ночогршлмы, позволяющие осуществлять вариантные пропаботки нулевого цикла.

Игло~епъ1 общие принципы коиотрукровгчия нулевых пикл^в зданий нк поверхностных век^илуру мы. фучда; знтах, возводимых по пер., ом; принв/ .у использования вечиомерзлих грунг. ов осно-е&.1..л. ¿Ькаэгчы их с: для прск—ыльнких, жилых " а"\шнист--о жг'ъых _даш. ; агропромьа«еннс.'о к' чя текса, разг. „б.-т лжч в стве ¡чатных ре^ен>,и при экспериме ггалыюм

Рис. С.. Номограмч<л для определения относительной толщины лс ;сыпки.

проектировании, а также ь.шстр/кции унифицированных складчатых фунди.знтсв с различными 'типе 1и сопряжения узлов и схема- ч компановки. Приведены : окст^укмии нугзвчх "и^сое .хоиз-водстэекного здания на ле"точ1:ьх с :лад .атчх фундаментах и 80-ти квартирного кру~нопакельнг?о килого дома серии 1-4^4"!.. с техническим этаяом, в вар..апте про~ки к<* городе испольог ?">.-кана пространстве.шая констр-кг.чя.

Технико-экономический анализ эффектно ости использова. и я с" проотранствсных вентилируемых фундаментов складчатого тк ~.а о сравнении с традиционными свайными ре^!е..ия1'". фундаментов пр_-изг еденный промысленных объектов РМ" У .треного *1'Я .. пом-депо Кгррского ЛГ'К показе 1, что иршлечен'ле рти: конотрукг пизволлет снизить сметнук стоимость : улов "-го ц;..;ла. 1;.? 12С " 67,8 тыс.^руОлей, сократить: расход сСорн-го железобетона уь. 62 и Т м°, арматур"Ой ста-;И ча 6,0 и 12.2 тон.А!, трудсза~р,г ? на 38,4 и 21,С %, повысить рост производите;!ьностя г'удь на 62 и 26 % соответственна для двух эапрс„'к""..роьанн,'У' гю-е<гтгч.

Т9

ЗАКЛИЧЕТЕ

Результаты исследований' заключаются в следующе;.:

1. Анализ состояния вопроса решения проблемы создания и совершенствования поверхностных фундаментов на подсыпках показал, чао внедрение этих конструкций в производство затруднено из-за отсутствия методов расчета их взаимодействия с веч-номерзлкмн основаниями. Устанаов^ено, что существующие конструктивные решения фундаментов в виде призматических скл^цок-оботочек могут быть усовершенствованы.

2. Разработан инженерный метод теплотехнического расчета поверхностных пространственных фундаментов на подсыпках, позволяющий решать задачу расчета системы вентилирования фундаментов подобного типа. На основании резуль атов чи^лен-1.:,х исслидо-ан'-й установлена возможность приближенного учета двухмерного характера распределения температур в грун.овом массиве, Установлено, что требуемые темпергтуры воздуха в полости вентилируемого фувдамента и толщина подсыпки являются функционально связанными еэлич. нами, определение которых бозмо;:сно из совместного расчета теплового и механического взаимодействия элементов сис^мы "основание-фундлмент-здание" в целом. Достоверность результатов, получекных при использовании разработанного метода, подтверждена "орогсей сходимостью с расчетами по СНиП 2.02.04-88 при одинаковых способах определения расчетных параметров.

С. 3 целях прядения числсчних исследований V. проектирования зданий на поверхностных фундаментах, разработан алгоритм и программ*' чисг-нного расчета граничньрс условий задачи прогноза теплового и механического взаимодействия эле"ентов системы "основание-поверхностный фуадамент-здаг •е". Алгоритм учитывает ход процесса теплсгбменс в различных элементах фундамента и в основг тии при наличии в нем подыжной границы фазовых переходов. Программы вошли в состав комплекса, включающего фондовые программы расчета теплообмена в грунтовом массиве и лтатччсского расчета конструкций повергьостных фундаментов. Достоверность результатов, полученных при использовании программ, подтверждена на осчочании их срсэнения с расчетш.'.п по программе МОПС (ЛенЗНКИЭЛ).

4. Вг.зрвые лолучены натурные дан-ые об условиях теплообмена в различных типах попоете" поверхностного фундамента.

на основании сходства набчюдаемых и расчетных параметров ...эоб.'ень, таких как величина и динрмика тепиопотоков через фундаментные констр,, кции, динамика хода процесса теплообмена в грунте и скорость ^эи-ения воздух' в вентилмруемнх полостях фундамента, установлено соответствие расчетной модели задачи опред лени,, граничных температур на поверх юса грунта пид подошвой фундамента реальным процесса!.;, происходя^/" в системе "основание-поверхностный фундамент-здание".

5. Ча основании результатов комплексных исследований конструкций поверхностных фундаментов, разработан по чосбоо ¡:лй вариант унифицированного складчатого фундамента, из элементов которого м^жно собирать как пространстве! шую систему

п^д все пятно застройки :дания, так и ьСъемные ленты под несущие стены и..и колонны ньдфпшдаментной части. Определены оптималы ле варианты конструкг :вного реиекия узлов стыковки элементов 5у' дамента и общие принципы его компановки. Конструкция фундамента обладгэт повыпенкей жгтгкостыо и способно-с">ю регулировать напряжечно-дрформированное состояние системы 'основание-г^ундамент-здание" в с хвисимости от выбранной схемы зе статической работы;

6. На основании результатов исследований разработаны предварительные рекомендации по т?плотехниче ком~>' расчету юверхностных простпанственных вентилируемых фунде -ентси ,:а подсыпк; с. Идя упрощения расчета разоаботана система помог-рамм. Сформулированы принципы-конструирования и приведен опыт проектирования нулевых циклов здан;..! на пор°рхностиых фундаментах. Экономический эффект от Ъпименения ленточных складок взамен свай для двух промышленных зданий в г.Игарг-! составляет 64,.'' и 53,0 руб. ка I кв.м полезной пдоцад.. соответственно.

Огчовные положения диссертации опубликован^. в работах:

4.. Натурные исследования фра^че"тв складчатого фундамента //Труды и "-та/ Красноярский ПромстройШйз-рсект. Строительство в районах Е ;сточной Сибирч и прайнеи Северг Вып. 54. Красноярск, 1983, 6-13. Соавтор ^.М.Гончаров

2. Разработка полносборных складчатых фундаментов //Пути технического совершенствования и интенсификации строительного пр нзводства. Красноярск, 1984. С. 54-55.

3. Складчатые вентилируемые фундаменты нг подсылках дл" сельскохс пйственных и промышленных здани.. // Ускорение научно-технического прогресса в фу:.-даментостроении. Том т. М.. Стройиздат, 1207. С. 231-232.

4. Исследования поверхностных вентилируемых £уидш -нтов на. вечномепзлых грунтах // Исследования мерзлых толц и ".рио-генных явлений. Якутск, 1988. С. II5-I22. Соавтор А.П.Попович.

5. Складчатые вентилируемые фундамент?» на подсь...ке

// Проблемы геокр'плогии. М.: Наука. 1988. С. j.80-186. Соавтор ¡0. Л' .Гончаров.

6. Аэродинамический и :ешю_ехнический расчет пространственных вентилигуемых фундаментов на в^чьемерзлых грунтах // Труды кн-та / Красноярский ПромстоШШпроект. Исследования конструкций и технолтии устройства фундаментов зданий, возводимых в сложных условиях Сибири. Красноярск. 1988. С. 101— 103. Соавтор Ю.М.Гончаров.

7. Расчет воздухообмена в пространственных вентилируемых фундаментах // Прогрессивные метода строительства и разработка выегчоэффективных индустриальных конструкций в Красноярском крае. Красноярск, 1988. С. 13-16.

8. Расчет модуля вентилирования поверхностных пространственных фундаментов // Проблемы инженерно-геологических изысканий в кр.голитоеоне. Магадан, 1989. С, 317-318.

9. Определение расчетных темп ратур полости вен-илируе • кого пространственного фундамента // Там же. C.I3I8-3I9. Соавтор Ю.Ы.Гончаров