Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Хо Чантха ОЦЕНКА
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ УОСНОВАНИЕ - СООРУЖЕНИЕФ НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА
05.23.17 - Строительная механика 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ростов - на - Дону 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ростовский государственный строительный университет.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Панасюк Леонид Николаевич кандидат технических наук, доцент Таржиманов Эдгар Альбертович
Официальные оппоненты: Гайджуров Петр Павлович доктор технических наук, профессор каф. СМСиПМ ЮРГТУ Дыба Владимир Петрович доктор технических наук, профессор каф. ПГСГиФ ЮРГТУ
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Новочеркасская государственная мелиоративная академия, НГМА
Защита диссертации состоится л17 мая 2012 г. в 09:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд.232, тел/факс 8(863)227-73-78; 227-75-68;
E-mail: dis_sovet_rgsu@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru Автореферат разослан л16 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент А.В. Налимова
Общая характеристика работы
Актуальность. Произошедшие за последние годы аварии на современных объектах, для которых характерны большепролетные конструкции, повышенная этажность и прочие усложняющие факторы, привлекли к этой проблеме профильные федеральные и региональные ведомства. Анализ результатов работы комиссий, расследовавших причины аварий, как правило, свидетельствует о наложении многих факторов, каждый из которых в отдельности не мог стать причиной аварии. Эта особенность повлекла разработку на различных уровнях большого количества нормативных документов по техническому мониторингу зданий и сооружений. В нормативную базу были введены новые понятия. Однако выполняемые немногочисленные практические работы носят скорее внедренческий и экспериментальный характер. Кроме того, все они ориентированы на мониторинг объектов повышенного уровня ответственности с феноменологическим подходом для каждого из них. Задача обеспечения нормальной эксплуатации современных объектов в настоящее время является актуальной, в том числе для формирующегося после войны строительного комплекса Королевства Камбоджи, в котором практически отсутствует систематизированная нормативно-правовая база и утрачен опыт строительства современных объектов.
Цель - создание методики оценки текущего технического состояния системы основание-сооружение для широкого круга объектов.
Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели были выполнены следующие виды работ:
1. Анализ и систематизация существующей нормативной базы и опыта проведения мониторинга.
2. Обзор природно-климатических и грунтовых условий Камбоджи и сравнение применяемого в Камбодже стандарта с Российской классификацией грунтов.
3. Обоснование эффективных методов проведения мониторинга системы Уоснование-сооружениеФ.
4. Разработана методика оценки текущего технического состояния системы основание-сооружение на основе мониторинга.
5. Обоснована расчетная модель основания с учетом особенностей работы грунтов применительно к условиям Королевства Камбоджи.
6. Разработаны вспомогательные программные средства для реализации методики мониторинга с помощью распространенных МКЭ - комплексов.
7. Реализована методика мониторинга на примере 18-этажного жилого дома в г. Пномпень (Камбоджа).
Объект исследования - техническое состояние зданий и сооружений, в том числе при неравномерных деформациях основания.
Предмет исследования - методы оценки технического состояния системы Уоснование-сооружениеФ.
Научная новизна:
1. Разработана методика оценки текущего технического состояния системы Уоснование-сооружениеФ на основе мониторинга и сравнения измеренных и расчетных кренов объекта.
2. Выполнен сравнительный анализ классификаций грунтов по результатам полевых и лабораторных испытаний по стандартам ASTM-D431895 и ГОСТ 25.100-95.
3. Систематизировано описание природно-климатических и грунтовых условий Королевства Камбоджи.
4. Разработана и реализована вспомогательная программная утилита к программному комплексу ANSYS и MicroFe на основе МКЭ для автоматизации предложенной методики мониторинга. Получено положительное решение РОСПАТЕНТ.
5. Разработана методика оценки НДС основания в процессе эксплуатации здания на основе двух законов Г.К. Клейна и Друкера-Прагера. Описание деформации во времени использует теорию старения Ю.Н. Работнова.
На защиту выносятся:
1. Методика взаимного перехода основных классификаций грунтов на основе применяемого в Камбодже стандарта ASTM-D4318-95 и ГОСТ 25.100-95.
2. Методика оценки текущего технического состояния системы Уоснование-сооружениеФ на основе мониторинга осадки и кренов здания.
3. Методика расчета деформации основания при эксплуатации, с использованием законов Г.К. Клейна и Друкера-Прагера.
4. Алгоритм и программная утилита ПУД, задачей которой является автоматизация реализации методики мониторинга деформаций системы Уоснование - сооружениеФ.
5. Результаты экспериментальных исследований деформаций жилого дома в г. Пномпень (Камбоджа) на основе разработанной автором методики.
Обоснованность и достоверность. Основу методики составляют апробированные во многих исследованиях принципы МКЭ. При работе программной утилиты ПУД используется современный расчетный комплекс ANSYS и MicroFe. Достоверность методики подтверждена в рамках крупномасштабного натурного эксперимента близостью расчетных и фактических деформаций системы Уоснование-сооружениеФ.
Практическое значение работы заключается в:
a) разработке методики, приближающей мониторинг к повседневной практике эксплуатации зданий и сооружений;
b) разработке программы, позволяющей без специальных знаний оператора осуществлять хранение и обработку данных о техническом состоянии здания или сооружения на весь период его эксплуатации;
c) облегчении Российско-Камбоджийского сотрудничества в области строительства, в частности в фундаментостроении.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены в докладах на научнопрактических конференциях Ростовского государственного строительного университета Строительство 2009Е2011 гг.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 13 публикациях, среди которых 7 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, а так же 1 патент РФ.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 146 наименований и приложения. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 97 рисунков.
Автор выражает благодарность аспиранту кафедры технической механики РГСУ Е.В. Зотовой за помощь при подготовке текста диссертации и автореферата.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость.
В первой главе приводится обзор и анализ состояния изучаемого вопроса. Созданием систем мониторинга и использованием МКЭ при определении НДС для оценки технического состояния зданий и сооружений занимаются ученые Л.Н. Панасюк, З.Г. Тер-Мартиросян, М.А. Коргина, Г.Г. Болдырев, В.М. Улицкий, П.В. Нестеров, А.А. Живаев, Д.Н. Валеев и др.
Принципы проектирования и эксплуатации систем мониторинга конструкций и оснований высотных зданий с использованием различных технических средств (датчиков, измерителей, регистраторов) отражены в работах К.А. Айме, Р. Ламперти, С.В. Николаева, В.В. Сухина и др. В настоящее время наибольшее количество работ посвящено объектам повышенного уровня ответственности с применением высокозатратных методов наблюдений.
Измерения пространственных перемещений, которые более полно могут отразить картину изменения напряженно-деформированного состояния объекта, сопряжены с техническими трудностями и ограниченными возможностями координатной съемки в условиях плотной городской застройки.
Однако возможно определение НДС системы основание-сооружение на основе данных о вертикальных перемещениях, а отклонение от вертикали будет служить критерием достоверности получаемых данных. При этом наиболее эффективными представляются циклические геодезические наблюдения на основе апробированных методик с использованием наиболее распространенных приборов.
Во второй главе приводится описание разработанной методики оценки технического состояния на основе мониторинга. В основе метода лежит использование данных циклических геодезических наблюдений в обновляемой численной модели системы основание-сооружение.
Рассмотрим задачу деформирования здания при известных перемещениях фундамента. Эти перемещения получены в результате геодезических наблюдений, мониторинга за состоянием здания.
В этом случае массив грунта в расчетной модели можно не учитывать, т.к. его деформативные свойства будут учтены известной осадкой фундамента.
Можно использовать стандартный подход расчета сооружения на известные статические (силовые) воздействия и известные кинематические воздействия (осадку опор). В предлагаемой методике рассматривается горизонтальное перемещение, зависящее от всего комплекса воздействий на здание. Основным моментом метода является сравнение измеренных и определенных численным методом горизонтальных перемещений Горизонтальные перемещения обусловлены всем комплексом воздействий на здание, включающим в себя как известные силовые, так и кинематические факторы: собственный вес конструкций здания, длительные и кратковременные нагрузки, осадка фундамента. В нашей постановке задача усложняется тем, что кроме известных из мониторинга осадок фундамента также известны горизонтальные смещения ряда характерных вертикальных линий на фасадах или угловых стыков, хотя обычно горизонтальные перемещения характеризуются креном, т.е. отношением горизонтального перемещения верха здания к его высоте. Таким образом, при выполнении мониторинга необходимо рассматривать не только крен, но учитывать изменение горизонтальных перемещений по высоте.
Хотя и сегодня в нормах указывается величина крена, можно утверждать, что учет изменения горизонтальных перемещений по высоте дает более полную информация о работе сооружения. При учете крена предполагается такая деформация сечения, когда его горизонтальные перемещения изменяются линейно по высоте здания. Однако конечная жесткость сооружения, а тем более повреждения отдельных несущих конструкций приводят к нелинейной зависимости горизонтальных перемещений от высоты: u=u(z), где z - вертикальная координата точки сечения, u - функция горизонтальных перемещений сечения здания.
Согласно предлагаемой методике, все степени свободы узлов дискретной модели разбиты на три группы.
К первой группе отнесены степени свободы, условно названные внутренними. Относительно этих степеней свободы мониторинг не выполнялся.
Ко второй группе относятся степени свободы, соответствующие измеренным горизонтальным перемещениям характерных сечений. Их используют для контроля расчетных и измеренных значений. Условно называем их контрольными.
В третью группу включены степени свободы, для которых известны перемещения по результатам мониторинга и которые выступают как внешние кинематические воздействия.
Иллюстрация разбиения и компоновки степеней свободы объекта по группам приведена на рис.1.
Рис.1. Разбиение и компоновка степеней свободы объекта по группам T T T T Итак, вектор перемещений можно представить как:
q qI qII qIII .
Уравнения метода конечных элементов в этом случая представлены в следующей форме:
Kq P, K11 K12 K K K22 K23 где K - глобальная матрица жесткости ансамбля элементов;
K32 K33 KT T T P PIT PII PIII (1) .
Здесь номера блоков матрицы K соответствуют разбиению степеней свободы на группы.
Kij - блок матрицы жесткости, связывающий узлы групп i и j Аналогичная нумерация для блоков вектора перемещений q и вектора узловых сил P.
Выполним преобразования:
K11q K12q K13q P I II III K K22q K23q Pq (2) 21 I II III K K32q K33q Pq 31 I II III Так как перемещения q известны и рассматриваются в качестве III известного кинематического воздействия, то к уравнениям (2) можно применить стандартную процедуру вычеркивания:
K11q K12q P1 K13q I II III (3) K K22q P2 K23q q 21 I II III Выразим в (3) контрольные перемещения q :
II 1 1 K21K11 K11q K21K11 K12q K21K11 (P1 K13q ) I II III K21q K22q P2 K23q I II III Откуда:
1 1 (K22 K21K11 K12)q P2 K21K11 P1 (K21K11 K13 K23)q (4) II III Из (4) очевидно, что на значения контрольных перемещений q не II оказывает влияние блок матрицы жесткости K33.
Пусть результат контрольного перемещения по вектору q не II совпадает с результатами мониторинга. Предположим, что причина расхождения кроется в том, что реальное распределение жесткостей не соответствует проектному. Это приведет к изменению блоков глобальной матрицы жесткости T T K11, K12 K21, K22, K23 K32.
Однако контрольная группа перемещений q отнесена, как правило, к II узлам на внешних стенах здания. Разрушение связей здесь просматривается достаточно ясно и определяется при визуальном мониторинге.
Задачу можно несколько упросить, если считать, что скрытые дефекты связей локализованы только по степеням свободы первой группы. Тогда ~ ~ ~T T изменение коснется только блоков K11 и K12 K21. Блоки K22 и K23 K32 будут соответствовать проектному либо измененному проектному по результатам обследования здания.
Уравнение для определения перемещений с учетом изменения жесткостей будут иметь вид, аналогичный (4):
~ ~1 ~ ~ ~1 ~ ~1 ~ ~ (K22 K21K11 K12)q P2 K21K11 P1 (K21K11 K13 K23)q (5) II III Вычтем из (5) (4) и получим разрешающие уравнения для определения разности горизонтальных смещений q :
II ~ ~1 ~ ~ ~1 ~ ~1 ~ 1 1 (K21K11 K12 K21K11 K12)q (K21K11 K21K11 )P1 (K21K11 K13 K21K11 K13)q (6) II III.
Согласно (6), на величину разности горизонтальных смещений q оказывают II влияния два фактора воздействия: часть внешней нагрузки, отнесенная к узлам первой группы P1, и осадка фундамента q.
III Важным является тот фактор, что нагрузка P2, действующая непосредственно по степеням свободы контрольной группы q2, не оказывает влияние на отличие перемещений, измеренных при мониторинге, от расчетных.
~ Отметим, что разница в матрицах K12 и K12, соответственно, K21 и ~ K21возможна только за счет различия жесткостей элементов, непосредственно примыкающих к границе раздела зон I и II. Если принять, что это различие несущественно, или его можно контролировать при обследовании здания, то ~ ~ можно принять K12 = K12 и K21 = K21. Аналогичное допущение - и для объектов 1-3. Тогда (6) запишем так:
~1 ~1 K21(K11 K11 )K12q K21(K11 K11 )K13q (7) II III.
Отсюда следует важный вывод: разница в измеренных и вычисленных кренах определяется только по известной по измерениям осадки фундамента.
Итак, при проведении мониторинга глобальное отклонение жесткости фрагмента конструкции от проектного можно определить по замеренным осадкам фундамента и кренов ряда сечений здания.
Описанная выше методика была применена в серии численных экспериментов по оценке несущих конструкций с учетом неравномерной осадки 9-этажного жилого дома в г. Белово Кемеровской области. Для восстановления эксплуатационной надежности этого дома возникла необходимость оценки фактического состояния НДС конструкций с учетом их сверхнормативных деформаций. Для решения задачи было выполнено инструментальное обследование конструкций, проведены циклы геодезических наблюдений за зданием и численные эксперименты МКЭ (рис.2).
Рис. 2. Схема блок-секций 1-Для учета существующих локальных разрушений стеновых панелей и плит перекрытия использован следующий прием. В тех элементах, в которых имеется незначительная по толщине трещина, проводилось снижение жесткости пропорционально снижению прочности согласно данным здания.
Для элементов с глубиной трещины более 100 мм задавался разрыв между элементами по линии трещины. В окрестности трещины проводилось сгущение сетки элементов.
По результатам расчетов была сделана выборка значений, которая показала тождественный характер фактической и расчетной картины с разбросом до 5 %. При этом по отдельным блок-секциям 1 и 3 наблюдается расхождение результатов по крайним сечениям до 20% (382 и 287мм, 493 и 631мм) (рис.3). Однако здесь следует принять во внимание возможную погрешность наблюдений, тем более что некоторые результаты по продольным кренам не вызывают доверия. Так, были показаны противоположно направленные продольные крены - 88 и 111мм в точках, отстоящих друг от друга на 7м. Такие перемещения (практически 200 мм на 7м) необходимо привели бы к образованию сквозной трещины со значительным раскрытием.
Однако на этом участке визуальное обследование показало целостность конструкций.
Следующий этап расчета производился с учетом деформированной схемы и нарушения связей между БС1 и БС2 для уточнения изменения напряженно - деформированного состояния здания при развитии кренов.
Отмечается гораздо большее приближение к результатам замера поперечных кренов (290 и 287мм, 592 и 631мм) (рис.3). По-видимому, действительно имеет место определенное снижение контакта между БС1 и БС2.
Рис. 3. Сравнение результатов по кренам Устранение сверхнормативных кренов и выравнивание здания по ул.Октябрьской, 63 в г. Белово Кемеровской области выполнено.
При проектировании выравнивания здания необходимо учесть проводившиеся ранее работы, связанные с задавливанием свай под консольные выпуски РР. При разработке схемы расстановки домкратов и последовательности их монтажа необходимо иметь информацию о перераспределении усилий на старые (проектные) и новые сваи усиления. Дело в том, что для опирания домкратом на новую сваю ее необходимо разрезать, т.е. временно, до установки домкрата, выключить из работы.
Последовательность установки зависит от величин перераспределенных усилий, чтобы не допустить возможного перекоса РР или перенапряжения конструктивных элементов. (рис.4,5,6).
Рис. 4. Учет подкрепления, полные Рис. 5. Учет Рис. 6. Выключение сваи перемещения (фрагмент) подкрепления,Txz подкрепления, нормальные Sz Для теоретического обоснования проводилось экспериментальное исследование еще одного 16-этажного здания в Ростове-на-Дону.
На рис. 7 показан график общего крена здания по данным измерений 625 мм, а по расчету 581 мм.
Учитывая незначительное (менее 10%) расхождение расчетных и фактических перемещений по осям X, Y, а также сходимость общей картины деформаций наблюдаемой картины напряжений, можно говорить о возможности применения полученной расчетной модели системы основаниесооружение для дальнейшего мониторинга.
Рис.7. Сравнение графиков по расчетам и данным измерений по осям X,Y Основываясь на проделанных экспериментах, можно сделать вывод о возможности моделирования численными методами текущего состояния с использованием данных геодезического мониторинга осадок, что позволяет определить НДС системы основание-сооружение, а сходимость фактических и расчетных кренов говорит о достоверности полученных данных.
В третьей главе приводится описание программной утилиты ПУД, разработанной в рамках диссертации для реализации предлагаемой методики.
Программный продукт ПУД представляет собой утилиту, главной задачей которой является облегчение анализа и мониторинга деформаций системы основанияЦсооружения для пользователей, не обладающих специальными знаниями в этой области.
Утилита является программным средством, не требующим специальной установки. Система ориентирована для работы под управлением семейства операционных систем Windows XP, Vista и т.д. Для корректного отражения конечного результата расчетов, проведенных с помощью программы ПУД, необходимо условие наличия программных комплексов Ansys и MicroFe.
Программа занимает около 940 КБ и была разработана в среде объектноориентированного программирования Delphi.
Ее основными функциями являются: сбор данных геодезических наблюдений, аппроксимация данных на сетку КЭ-модели; преобразование КЭмодели конструкции с учетом пространственных перемещений; генерация исходных файлов с учетом определенной структуры данных для трансляции в программные комплексы Ansys и MicroFe.
Структура процесса обработки данных представлена на рис. 8.
Рис. 8. Процесс обработки данных программной утилитой ПУД На первых этапах работы, программа автоматически собирает данные геодезических наблюдений с последующим занесением в БД. Здесь же предусмотрен ручной ввод данных о перемещениях конструкции, либо корректировка уже имеющейся информации.(рис.9,10,11).
На сегодняшний день современные технологии позволяют автоматически импортировать данные геодезических наблюдений с электронных регистраторов и тахеометров в необходимые форматы такие, как SNAP-файлы (PINACLE), данные по станциям и базовым линиям *.txt, *.csv (LGO), *.asc (TGO, TBC), *.tvf (Topcon Tools), *.xls, и др. Исходя из этого, программная утилита ПУД автоматически собирает данные из доступных ей форматов, занося и формируя собственную сетевую базу данных.
Рис.9. Рабочее Рис.11. Журнал окно программы Рис.10. Создаваемые кнопки в наблюдений ПУД Ansys Далее загружается описание КЭ-модели системы основание-сооружение.
Затем идет обработка и корректировка КЭ-сетки сооружения с учетом полученных перемещений. Однако, как было замечено ранее, количество контрольных точек измерений непостоянно. Ко всему прочему, контрольные точки могут не совпасть с узлами КЭ-модели. Поэтому была предусмотрена аппроксимация результатов измерения осадки в узлы КЭ-сетки на основе следующей методики:
yij yi yj, xij xi xj если (x43y12 - x21y34) A1 = y12(x1 - x) + x21(y1 - y); A2 = x14y12 + x21y14;
v = A1/A2;
A1 = x - x1 + vx14;
A2 = x21 - v(x43 + x21);
если А2 A = y - y1 + v y14;
A2 = -y12 + v(y34 + y12);
f (x, y) A1/A если(x y12 - x21y34) A := (y12 + y34)x + (x21 + x43)y + x4(y2 - 2y1) + y4(2x1 - x2) + x3y1 - x1y3;
f (x, y) A := 4(-xy12 - yx21 + x2y1 - x1y2)(x14y23 - x23y14);
A2 := A2 + (-y12 - y34)x + (-x21 - x43)y + x1(-2y2 + y3) - x2(y4 - 2y1) - x3y1 + x4y2);
A1 := A1 + A2 ;
:= 2(-x43y12 + x21y34);
A f (x, y) A1/A A1 := x - x1 - x21 f (x, y);
A2 := -x14 - f (x, y)(x43 + x21);
если А2 1 := y - y1 + y12 f (x, y);
A := -y14 + f (x, y)(y34 + y12);
A f (x, y) A1/A Представленная аппроксимация позволяет получить значения перемещений для узлов КЭ-модели, которые являются внутренними для элементарных фрагментов геодезической сети - треугольников, четырехугольников. Затем формируется преобразованная с учетом полученных пространственных перемещений КЭ-модель конструкции. Здесь же формируются файлы для построения откорректированных моделей рассматриваемой конструкции с учетом внутренних характерных параметров программных комплексов Ansys и MicroFe. Сформированные файлы заносятся в данные комплексы и визуализируются в графическом виде пользователю.
Предусмотрено неограниченное количество циклов наблюдений за пространственными изменениями перемещений конструкции в течение ее жизненного цикла. Однако при изменении каких-либо параметров в рамках рассматриваемого цикла необходимо учесть, что эти изменения безвозвратно сохраняются.
По полученным результатам расчета может быть проведен сравнительный анализ с учетом соответствующих предыдущих значений sx, sy, sz,,,,,,. Созданная программа позволяет сохранять и x y z xy xz yz обрабатывать информацию о сооружении в течение всего срока его службы.
Пример работы программы показан на рис.12.
а б Рис.12. Деформации здания: а-в проектном положении; б-крен здания X Здесь же пользователю предлагается Журнал наблюдений, в котором можно вести какие-либо записи с пометками по экспериментальным наблюдениям.
При определении пользователем предельных значений или скачкообразного их изменения в характерных узлах, происходит автоматическое сигнализирование о возможном приближении недопустимого состояния конструкции. Разработанная программа позволяет сохранять и обрабатывать информацию о конструкции в течение всего срока его службы.
Полученная методика и материалы проведенных исследований будут внедрены в условиях Королевства Камбоджа. Поэтому в четвертой главе выполнено исследование специфики грунтов Королевства Камбоджи и адаптация предлагаемой методики для данных условий. Автор систематизировал разрозненные материалы иностранных исследовательских центров и организаций из США, Японии и Камбоджи. Исходя из этого автор при проведении испытаний учитывал не только нормативную базу и условия Российской Федерации, но и различные показатели своей страны. Для этого необходимо рассматривать природно-климатические и грунтовые условия Королевства Камбоджи, а также анализ грунтов конкретной строительной площадки. В качестве примера рассмотрен мониторинг реального 18-этажного здания в г. Пномпень.
Камбоджийская территория занимает общую площадь 181 035 кв. км и имеет несколько четко определенных географических регионов. Два региона составляют 75% страны: Северо-Восточный и Юго-Западный, по равнине озера Тонлесап и реки Меконг, которая простирается с северо-запада на юго-восток вдоль центральной части страны. Тонлесап и Меконг составляют третий центральный регион.
На территории Королевства Камбоджи в северо-восточной и югозападной областях преобладающее значение в литологической толще имеют континентальные горные породы докембрийского и мезозойского возраста как метаморфического, осадочного, так и магматического генезиса. Мезозойские отложения в основном представлены континентальными фациями. В геоморфологическом отношении большая часть территорий представлена покровными базальтовыми плато и аккумулятивными равнинами, сложенными осадочными породами неогенового и четвертичного возраста, аллювиальноделлювиального и денудационного генезиса. Центральный регион Королевства характеризуется преобладанием пологих аккумулятивных равнин, сложенных из толщи четвертичных отложений с редкими останцами коренных пород.
Палеозойские образования на поверхности Камбоджи практически не встречаются.
а б в г Рис. 13. Карты Камбоджи: а-спутниковое фото территории; б-климатическая карта;
в-геологическая карта; г-виды грунтов Наиболее часто встречающимися горными породами Камбоджи являются ультраосновные и основные магматические породы интрузивного и эффузивного генезиса (базальты, реолиты), а также известняки седиментационного генезиса и оскарнованные мраморы. Акцессорным минералом в подавляющем большинстве горных пород является апатит, поэтому кора выветривания данных пород, как правило, дает высокий потенциал для развития сельского хозяйства.
Долина реки Меконг представляет собой аллювиальную аккумулятивную равнину с пестрым геологическим разрезом, представленным в основном пылевато-глинистыми и песчаными грунтами с высоким содержанием органических останков, иловатых отложений сапропелей, илоподобных глин.
Большинство долин рек имеют аналогичное строение и сопоставимую осадочную толщу в основном неогенового и четвертичного возраста.
Районы, прилегающие к реке Меконг, притоки реки, ручьи и долина озера Тонлесап характеризуются значительным скоплением россыпных месторождений полиметаллических руд. Эти осадочные толщи перспективны для промышленной разработки.
Однако в некоторых района, наиболее приближенных к морскому побережью, в разрезе появляются морские отложения с высокой степенью засоленности и агрессии к строительным материалам из бетона и стали. Такие древние аллювиальные, морские и лагунно-лиманные отложения, залегающие в непосредственной близости от поверхности, не благоприятно сказываются на развитии сельского хозяйства в приморских районах и создают сложные условия для строительства.
Для анализа грунтовых условий в Камбодже с недавнего времени применяется американский стандарт АSТМ D 2487. Необходимо отметить, что прямое соответствие наименований дисперсных грунтов, определенных по различным нормативным документам, отсутствует и это вызывает необходимость разработки системы пересчета, которая позволила бы коррелировать наименования грунтов, определенных в различных системах классификаций, между собой. Этой проблемой занимались В.В. Крамаренко, А.С. Локтев и др.
Актуализация национальных стандартов и правил была поручена в 2010г.
Министерству регионального развития РФ с необходимым условием гармонизации вводимых документов с международными нормами проектирования и изысканий в строительстве и, прежде всего, с Еврокодом. К разработке также были привлечены созданные в 2009г. Национальные объединения изыскателей (НОИЗ).
В рамках действующей комиссии НОИЗ по нормативно-методической работе и унификации документов на базе кафедры ИГОФ РГСУ была создана секция инженерно-геологических изысканий в районах распространения просадочных грунтов. С участием сотрудников кафедры, в том числе автора, в конце 2010г. был разработан проект национального стандарта РФ Грунты.
Классификация, в основу которого положен вышедший 17 лет назад ГОСТ 25100-95.
В диссертационной работе рассмотрены материалы, представленные комиссией НОИЗ. Отражены основные проблемы, связанные с использованием классификации грунтов российского национального стандарта в сравнении с зарубежными стандартами. В качестве зарубежных нормативов рассмотрены американский стандарт ASTM D 2487 и международный стандарт ISO 14688. В работе выполнен сравнительный анализ и даны предложения по взаимному переходу между основными международными стандартами классификаций песчаных и глинистых грунтов на примере практического международного сотрудничества.
Для дисперсных несвязных грунтов (крупнообломочные и пески) необходимо построение кумулятивной кривой гранулометрического состава, использование которой позволит перейти к диаметрам частиц любой классификации, определить их процентное содержание и затем наименование грунта в той или иной национальной классификации.
Классификация тонкодисперсных грунтов проводится на основании показателей пластичности. Значения нижнего предела пластичности WP и PL принимаются равными друг другу. При этом производится пересчет результатов определения предела текучести, полученных при анализе методами Васильева (WL по ГОСТ 25100) и Казагранде (LL по ASTM D 2487) с использованием корреляционной взаимосвязи:
LL = 1,48 WL - 8,3; (8) WL = (LL + 8,3) / 1,48. (9) На следующем этапе рассчитываются величины PI, IP, IL, IC и проводится классификация по методикам требуемого стандарта.
Как результат проведенной работы по согласованию российской и зарубежных классификаций и установлению перехода от одной классификации к другой в пересматриваемом национальном стандарте появилась возможность вывода камеральной обработки результатов полевых и лабораторных испытаний грунтов на российские нормы проектирования. В частности, для выяснения причин нарушения нормальной эксплуатации жилого дома, расположенного по адресу: 48E, проспект: Меконга, Хан РассиКео, г.Пномпень Королевство Камбоджи, появилась необходимость обработки результатов инженерно-геологических изысканий, проведенных в декабре 20предприятием ResearchandDesignEnterprise.
С учетом вышесказанного, в результате обработки результатов инженерно-геологических изысканий, выполненных на территории строительной площадки в г.Пномпень, получены сравнительные табл.1,приведенные ниже.
Таблица Классификация песков по скважине Коэффиент SPT(standard Глу- Диаметр Пески ГОСТ Коэффициент пористости (е) и penetration test) бина, частиц, ASTM 25100 неоднородности характеристика Число ударов м мм упаковки песков N Loose fine >6-очень 4-6 Пылеватый 0.075 0.81-рыхлый 8-10-рыхлый sand неоднородный Loose fine >6-очень 8-9 Пылеватый 0.075 0.80-рыхлый 8-10-рыхлый sand неоднородный Medium Средней >6-очень 0.72-средней 18- средней 10 0.1dense крупности неоднородный плотности плотности medium sand Dense Средней >6-очень 0.56-очень 48-очень 11 0.medium sand крупности неоднородный плотный плотный Medium Средней >6-очень 0.57-средней 26-33-средней 12-15 dense 0.4крупности неоднородный плотности плотности medium sand Very dense Средней >6-очень 0.53-очень >50-очень 16-19 0.4medium sand крупности неоднородный плотный плотный Таблица Сравнительная классификация некоторых грунтов по стандарту ASTM и ГОСТ ASTM D 2487 ГОСТ 251Наименование Класс Наименование грунта грунтов грунта Суглинок тяжелый Softlean CLAY CL 16.69 0.20 0.81 пылеватый полутвердый Супесь пылеватая Soft silty CLAY CL-ML 6.45 >1 0.текучая Песок пылеватый Loose fine SAND SM 0.96 0.81 рыхлый водонасыщения Very soft silty Супесь пылеватая CL-ML 6.76 >CLAY текучая Песок пылеватый Loose fine SAND SM 0.88 0.80 рыхлый водонасыщения Как показано ранее, на большинстве территорий Камбоджи преобладают песчаные грунты. Для прогноза неравномерной осадки фундаментной плиты использованы модели Г.К. Клейна и Друкера-Прагера.
Для описания деформационных свойств основания использовалась модель Г.К. Клейна, в соответствии с которой грунт основания подчиняется линейному закону деформирования, а модуль деформации увеличивается с глубиной по степенному закону E(z) E0 zn, E0 Цмодуль деформации на УдневнойФ поверхности массива, показатель степени n 1.
При моделировании осадки фундаментной плиты в деформируемом объеме грунта использован закон Друкера-Прагера. В соответствии с критерием прочности Друкера-Прагера предполагается, что поверхность текучести не меняется с ростом пластических деформаций, следовательно, отсутствует эффект упрочнения, а материал является идеально упруго пластическим. Эквивалентное напряжение, при превышении которого в материале возникают пластические деформации, по Друкеру-Прагеру определяется с учетом гидростатического обжатия материала: чем выше среднее напряжение, тем больше прочность материала. Это условие является модификацией условия прочности Мизеса и более полно отражает работу грунтов основания.
По Друкеру-Прагеру эквивалентное напряжение определяется:
Sr сти тель PI, % ности циент Коэф.
Число Показа пластич водонас ыщения пористо текучес ти PL, % Коэффи T e 3m s Ms, (10) 2 где - среднее нормальное напряжение;
m x y z T s m1 1 1 0 0 0 0 - девиаторное напряжение;
2sin - параметр материала 33 sin где - угол внутреннего трения.
Для упругопластической модели Друкера-Прагера, требуется определить пять основных входных параметров: модель общей деформации E, коэффициент Пуассона , сцепление с, угол внутреннего трения и параметр дилатансии .
Упрощенная модель прогноза осадки фундамента, учитывающая ползучесть скелета грунта, предполагает постановку теории старения Ю.Н.Работнова. Принято, что изменение модуля деформации грунта от Eн времени определяется законом, где Eн - начальный модуль деформации, t 1/ et - временная координата.
Использован итерационный алгоритм, на каждом шаге которого изменяются значения модулей деформации конечных элементов. В остальном объеме основания механические характеристики оставались постоянными.
Данная программа реализована в виде макроса на языке APDL.
Разработанная методика апробирована при сопоставлении с экспериментальными результатами определения несущих конструкций 18этажного монолитного железобетонного жилого дома в г. Пномпень Камбоджи с относительной отметкой цоколя, представленной с общим видом здания (рис.14).
Результаты проведенных измерений показали, что здание получило сложное распределение деформаций, фактически закрутившее его. По данным результатов геодезии мониторинга 18-этажного монолитного здания были получены осадки конструкции, представленные на рис.14, в, где максимальное значение = -180 мм, минимальное = -70 мм.
а б в Рис.14. Оценка технического состояния 18-этажного монолитного железобетонного дома в г. Пномпень: а-общий вид; б-расчет схемы КЭ здания;
в-относительные отметки цоколя Оценка НДС системы основание-сооружение проводилась на основе материалов всестороннего инструментального обследования здания и разнообразных численных экспериментов.
Как показали результаты обследования, главной причиной возникновения сверхнормативных кренов стала ползучесть грунтов основания. Для моделирования процесса нарастания деформаций к ползучести области была применена описанная выше методика изменения модуля деформации. Физикомеханические характеристики расчетной модели основания показаны на рис.15.
Расчет выполнен с использованием программного комплекса ANSYS методом конечных элементов. Модуль деформированного основания использует конечные элементы SOLID45. Выбранные конечные элементы допускают упруго-пластическое поведение грунта основания.
Рис.15. Характеристики грунтов На рис.16 представлены результаты анализа расчетных значений в виде изолиний средней осадки фундаментной плиты через 5 лет с момента наблюдений. Как видно, наибольшая величина осадки к этому периоду составила 24.5 см, что значительно большее, чем регламентируется СНиПом.
Рис.16. Изолинии средней осадки фундаментной плиты при неравномерной осадке фундамента через 5 лет Результаты численных расчетов максимального значения осадки фундаментной плиты в зависимости от времени наблюдения, полученные по линейной и упругопластической моделям, показаны на рис. 17. Из сравнения приведенных данных следует, что при использовании нелинейной модели грунта максимальные осадки получаются на 15% больше, чем при линейном расчете.
Рис. 17. Осадки основания в линейной и упругопластической постановке Выполненные расчеты показывают невыполнение условия pR.Так, действующее среднее давление по подошве фундамента колеблется в диапазоне 250-310 кПа, хотя расчетное сопротивление подстилающего фундамент слоя (текучей супеси) составляет менее 200 кПа.
При использовании опыта проектирования в РФ указало бы авторам проекта на необходимость устройства свайного фундамента с передачей нагрузок на грунты со значительно лучшими строительными свойствами. Как следствие допущенной ошибки, уже на этапе строительства жилого дома стали наблюдать активное нарастание деформаций основания. Через некоторое время после окончания строительства было начато инструментальное геодезическое наблюдение за осадками и отклонениями от вертикали здания. Осадочные марки были расположены в уровне цоколя здания, а отклонения от вертикали замеряли по верху здания.
Для определения текущего состояния системы основание-сооружение была использована разработанная на стадии расчета конструкции численная модель, в которую были введены фактические значения вертикальных перемещений в цоколе здания, полученные по результатам геодезического мониторинга.
По результатам численных экспериментов был выполнен сравнительный анализ с данными значений геодезических наблюдений Результаты выполненных работ по определению и анализу пространственной геометрии здания позволяют констатировать следующее:
1. Общий крен здания в абсолютной мере по результатам геодезического мониторинга составляет 161 мм и МКЭ 170 мм, в относительной величине 0.0026 и 0.0027;
2. Крены лифтовых шахт равны: грузового - в абсолютной мере по данным мониторинга 159 мм, а в МКЭ 172 мм, в относительной величине - 0.0026 и 0.0028;
3. Сравнение результатов расчета с данными геодезического мониторинга показало, что значения перемещений по осям X,Y отличаются друг от друга не более чем на 10%. Следовательно, расчетная модель может быть принята для оценки НДС конструкций зданий со сверхнормативными неравномерными деформациями (рис.18).
а б Рис.18. Изополя напряжений в стенах лифтовых шахт:
а-в проектном положении; б-при неравномерных осадках Перераспределение напряжений в конструкциях здания при неравномерной осадке имеет общую тенденцию. Она заключается в том, что напряжения возрастают в стенах, находящихся на периферийных участках площади нагружения. На торцевых участках стен, расположенных у края площади нагружения, наблюдается концентрация напряжений. В то же время, чем ближе участок стены к центру площади нагружения, тем ярче выражено снижение напряжений. При этом эффекты расчета проявляются наиболее сильно в конструкциях нижних этажей.
Согласно полученным данным, перенапряжение конструкции составляет на отдельных участках до 40% от проектных усилий. Полученное НДС отражает текущее состояние элементов системы и позволяет определить наиболее перенапряженные участки конструкций и усилия во всех конструктивных элементах здания для последующего мониторинга, с учетом дальнейшего развития деформаций.
Для проведения мониторинга в Камбодже будет использована разработанная в ходе диссертационной работы программа ПУД с внедрением в нее математической модели здания. Для развития методики необходимо продолжение наблюдений и по мере накопления фактических материалов выполнять проверку получаемых выводов.
Имеется акт о внедрении разработанной методики от НПО УИнтербиотехФ.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Наиболее эффективным способом получения данных о деформациях системы основание-сооружение являются циклические геодезические наблюдения апробированными методиками с использованием наиболее распространенных приборов, что облегчает применение мониторинга для широкого круга объектов.
2. Возможно установление перехода от одной классификации к другой по стандартам ГОСТ и ASTM на основе результатов полевых и лабораторных испытаний грунтов.
3. Возможна оценка технического состояния конструкций зданий и сооружений с учетом осадки фундамента на основе данных о вертикальных перемещениях, а отклонение от вертикали будет служить критерием достоверности получаемых данных.
4. Реализованные модели грунтового основания дали качественно более достоверную модель совместной работы комплекса - верхнее строение-фундамент-грунтовое основания. Например, результаты с использованием гипотезы Друкера-Прагера показывают рост неравномерных осадок по времени в течение срока эксплуатации сооружения. Возрастание пиковых значений перемещений составляет до 30%.
5. Прогноз осадки фундамента во времени с учетом ползучести скелета грунта основан на теории старения Ю.Н. Работнова.
6. Для повышения достоверности результатов оценки НДС системы основание-сооружение по предлагаемой методике необходимо обеспечивать более высокую точность геодезических данных.
7. Для облегчения использования разработанной методики в сочетании с известными МКЭЦкомплексами разработана программная утилита ПУД. Она позволяет автоматизировать процесс ведения баз данных мониторинга объекта и формирования расчетной модели в МКЭкомплексе с учетом данных мониторинга.
8. Разработанная методика оценки НДС несущих конструкций сооружений в ходе мониторинга позволяет устанавливать необходимость проведения профилактических мероприятий по поддержанию проектного состояния конструкций в условиях, когда повышается вероятность аварийного отказа, что приводит к общему снижению трудозатрат и стоимости данных работ.
9. Разработанная методика внедрена в процесс мониторинга текущего технического состояния зданий.
10. Применение российской нормативной базы создает условия для развития строительной отрасли Камбоджи.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
в 7 изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Хо Чантха. Оценка фактического НДС конструкций жилого дома в г. Белово Кемеровской области по результатам инструментального обследования [Электронный журнал] / Хо Чантха // Инженерный Вестник Дона. 2011. №4.
Режим доступа:
2. Хо Чантха. Расчетно-экспериментальный метод оценки состояния зданий и сооружений с учетом осадки основания / Хо Чантха // Известия высших учебных заведений Северо - Кавказский регион. Ростов. 2012. № 3.
3. Хо Чантха. Использование в Камбодже опыта мониторинга строительных конструкций РФ / Э.А. Таржиманов, М.А. Таржиманов, Хо Чантха // Известия высших учебных заведений Северо - Кавказский регион. Ростов. 2011. - № 2.
4. Хо Чантха. Моделирование работы сооружений с учетом проявления неравномерных деформаций в основании [Электронный журнал] / Л.Н.
Панасюк, Э.А. Таржиманов, Хо Чантха // Инженерный Вестник Дона. 2011. №4.
Режим доступа:
5. Хо Чантха. Новые виды свай [Электронный журнал] / Л.Н. Панасюк, В.Ф. Акопян, А.Ф. Акопян, Хо Чантха // Инженерный Вестник Дона. 2011. №2.
Режим доступа:
6. Хо Чантха. Численная оценка НДС конструкции по результатам геодезических наблюдений за деформациями здания / Хо Чантха, Е.В. Зотова, В.Ф. Акопян, С.П. Гусаренко // Вестник ТГАСУ. Томск. 2012. № 7. Хо Чантха. Итерационные методы определения предельных нагрузок на фундаменты свайных типов на примере усиления здания в г. Белово Кемеровской области с учетом материалов мониторинга технического состояния / В.Ф. Акопян, Хо Чантха. Глобальный научный потенциал.
Санкт-Петербург. 2012. №- в 1 патенте 8. Свидетельство о регистрации программного продукта ПУД (Пространствено - узловые деформации). Получено положительное решение РОСПАТЕНТ.
Программа зарегистрирована 28.09.2011 года, № письма 69-492.
- в 5 других изданиях 9. Хо Чантха. Оценка текущего состояния строительных конструкций на основе мониторинга / Э.А. Таржиманов// Науч. потенциал молодых ученых для инновационного развития строит. комплекса нижнего поволжья:
материалы междунар. науч.-практ. конф. Волгоград: ВГАСУ, 2010.
10. Хо Чантха. Методика оценки текущего технического состояния конструкций / Э.А. Таржиманов // Строительство - 2011: материалы междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2011.
11. Хо Чантха. Определение напряженно-деформированного состояния монолитного многоэтажного здания в г. Пномпень (Камбоджа) / Э.А. Таржиманов, Хо Чантха // Студенческая научная весна - 2010:
материалы междунар. науч.-практ. конф., студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010.
12. Хо Чантха. Повышение надежности и оптимизация конструкций на основе мониторинга / Хо Чантха // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. 2011. № 15.
13. Хо Чантха. Программная утилита ПУД / Хо Чантха, Е.В. Зотова // Изв.
Рост. гос. строит. ун-та. 2011. № 15.
Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Формат 60х84/16. Объем 1,0 уч.-изд.-л.
Заказ № 2632. Тираж 100 экз.
Отпечатано в КМ - КОПИЦЕНТР 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям