Расчетно-экспериментальный метод оценки состояния зданий и сооружений с учетом осадки основания

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

УДК 624.04

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С УЧЕТОМ ОСАДКИ ОСНОВАНИЯ

© 2012 г. Хо Чантха

Ростовский государственный Rostov State Building

строительный университет University

Разработана методика оценки технического состояния конструкций зданий и сооружений с учетом осадки фундамента. Выполнено численное моделирование осадки фундаментной плиты реального жилого дома с использованием данных геодезического мониторинга.

Ключевые слова: метод конечных элементов; пространственная задача теории упругости; модель Клейна; модель Друкера - Прагера; осадка фундаментной плиты при замачивании грунта.

The technique of assessing the technical health of buildings and structures with view of precipitous of the foundation.Numerical modeling ofprecipitous foundation plate of the real house using data from geodetic monitoring.

Keywords: the finite element method; three-dimensional problem of elasticity theory; Klein model; Drucker-Prager model; precipitous foundation plate by soaking the soil.

В настоящее время контроль деформаций проблемного сооружения является предметом мониторинга его технического состояния. Традиционно соответствующие замеры осуществляются с помощью геодезической аппаратуры путем повторных измерений осадки основания. Измерения пространственных перемещений, которые более полно могут отразить картину изменения напряженно-деформированного состояния объекта, сопряжены с техническими трудностями и ограниченными техническими возможностями.

С 2008 г. и по настоящее время проводится мониторинг здания жилого 16-этажного монолитного дома с продольными и поперечными несущими стенами, построенного в 1981 г., по пр. Коммунистическому 30/1 в г. Ростове-на-Дону (рис. 1). Для определения фактической геометрии конструктивных элементов данного здания было проведено комплексное обследование, включавшее замеры расстояний между ре-перными точками объекта и уклонов по вертикали стеновых панелей. По данным натурных измерений было установлено, что на момент начала мониторинга общий крен здания составлял около 600 мм при допускаемом значении крена не более 300 мм [1, 2].

Работы по определению деформационных геометрических параметров элементов здания были выполнены с помощью электронно-блочной тахеометрии на базе электронного тахеометра Set 3030 R, имеющего функцию измерения расстояний без отражателя. По данным результатов геодезического мониторинга были зафиксированы осадки конструкции, представленные на рис. 2. Здесь максимальное значение осадки равно 422 мм, минимальное - 40 мм.

Рис. 1. Общий вид жилого дома

Численное моделирование напряженно-деформированного состояния системы основание - фундаментная плита исследуемого здания осуществлялось методом конечных элементов с использованием рас-четно-вычислительного комплекса ANSYS. Дискретизация расчетной области основания и фундаментной плиты выполнена с помощью трехмерных восьмиуз-ловых конечных элементов соответственно SOLID65 и

SOLID45. Отметим, что выбранные конечные элементы допускают линейно-упругое и упругопластическое поведение материала. Размеры (в метрах) расчетной области в плане показаны на рис. 3.

На рис. 4 представлен продольный разрез расчетной области с указанием механических характеристик грунта основания по слоям. Здесь приняты обозначения: р - плотность; С - сцепление; ф - угол внутреннего трения; Е - модуль деформации; ц - коэффициент Пуассона. Внешняя равномерно распределенная нагрузка интенсивностью р приложена к плите фундамента. При назначении величины р принималось во внимание то, что фундаментная плита имеет большую изгибную жесткость. Поэтому локальная нагрузка, распределенная по проекциям стеновых панелей, с помощью процедуры «размазывания» была усреднена и приведена ко всей площади плиты. Как

показали вычислительные эксперименты, данное упрощение вполне допустимо.

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 Е(2) = Е0 2п , Е0 - модуль деформации на «дневной» поверхности массива; показатель степени п < 1 [3].

Процесс осадки фундаментной плиты моделировался путем назначения для ограниченного объема основания, расположенного непосредственно под плитой, упругопластических свойств в форме закона Дру-кера - Прагера. В соответствии с критерием прочности Другера - Прагера предполагается, что поверхность текучести не меняется с ростом пластических деформаций, следовательно, отсутствует эффект упрочнения, а материал является идеально упругопластическим.

Рис. 2. Распределение осадок

Рис. 3. Расчетная модель в плане Р=Т,ва5Па

Рис. 4. Расчетная модель основания

Рис. 5. Результаты конечно-элементного анализа

Вычислительная процедура представлена в виде последовательности шагов с изменяющимися значениями модулей деформации конечных элементов, принадлежащих заданному ограниченному объему основания. В остальном объеме основания механические характеристики оставались постоянными. Данная программа реализована в виде макроса на языке APDL.

По предлагаемой методике прогноз осадки фундаментной плиты, обусловленной замачиванием ограниченного объема грунта, осуществлялся в предположении, что изменение модуля деформации грунта описывается выражением Ен/, где Ен - начальный модуль деформации (до замачивания); t - временная координата.

На рис. 5 представлены результаты конечно-элементного анализа в виде изолиний осадки фундаментной плиты через 27 лет с момента начала наблюдений. Как видно, наибольшая величина осадки к этому периоду составит 39,7 см, что значительно больше, чем регламентируется СНиПом.

Результаты численных расчетов максимального значения осадки фундаментной плиты в зависимости от времени наблюдения, полученные по линейной и упругопластической моделям, показаны на рис. 6.

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60

Осадка, см

Рис. 6. Расчеты численных расчетов максимального значения осадки фундаментной плиты

Из сравнения приведенных данных следует, что при использовании нелинейной модели грунта максимальные осадки получаются на 30 % больше, чем при линейном расчете.

Литература

1. СП 50-101-2004. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. Введ. 2004-03-09. / Госстрой России. М., 2005. 137 с.

2. СНиП 2.02.01-83*.Строительные нормы и правила. Нормы проектирования. Основания зданий и сооружений. Введ. 1985-12-09. М., 1995. 62 с.

3. Зерецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений, 1988. 352 с.

Поступила в редакцию 26 декабря 2011 г.

Хо Чантха - аспирант, кафедра «Инженерная геология оснований и фундаментов», Ростовский государственный строительный университет. Тел. 8 (908) 502-74-73. E-mail: hochantha@mail.ru

Ho Chantha - post-graduate student, department «Engineering Geology of the Foundations», Rostov State Building University. Ph. 8 (908) 502-74-73. E-mail: hochantha@mail.ru