Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Аналитический обзор исследований совместной работы зданий с основанием и свайными фундаментами 14
1.1. Анализ способов повышения несущей способности свайных и комбинированных фундаментов с уширениями для структурно-неустойчивых оснований 14
1.2. Методы расчёта свайных и комбинированных фундаментов на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок и анализ существующих моделей грунта, применяемых при расчётах 17
1.3. Методы расчёта совместной пространственной работы фундаментов и зданий на вертикальные и горизонтальные нагрузки 21
Выводы к I главе 26
ГЛАВА II. Экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния свай с поверхностным и концевым уширениями при вертикальном и горизонтальном нагружении различными методами 27
2.1. Конструктивные решения свайных фундаментов с поверхностными и концевыми уширениями для структурно-неустойчивых оснований
2.2. Экспериментальные исследования свай с уширениями: 27
2.2.1. В грунтовом лотке с пропиткой грунта цементным раствором под её нижним концом на действие вертикальной нагрузки 30
2.2.2. В грунтовом лотке с поверхностным уширением в виде клиньев на действие вертикальной нагрузки 36
2.2.3. В грунтовом лотке сваи с совместным поверхностным в виде клиньев и концевым уширением, полученным- в результате цементации на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок 40
2.2.4. Исследования штампа и работы модели буронабивной сваи с забивкой щебня в обсадной трубе под её нижним концом при вертикальном загружении 44
2.2.5. Испытания буронабивной сваи с забивкой щебня в обсадной трубе под её нижним концом при вертикальном загружении 53
2.3. Определение изменения с помощью изолиний вокруг сваи характера деформаций грунтового основания при увеличении вертикальной нагрузки 57
Выводы по II главе 66
ГЛАВА III. Определение упругих свойств грунтового полупространства, в зоне его взаимодействия со свайным фундаментом при вертикальном и горизонтальном нагружении 68
3.1. Определение упругих свойств грунтового основания по Винклеру посредством решения обратных задач 68
3.2. Определение изменения упругих свойств грунтового основания по длине подземного конца сваи посредством решения обратной задачи 86
3.3. Метод деформационного расчёта свай, усиленных цементацией грунта под её нижним концом при вертикальном и горизонтальном загружении 77
3.3:1. Метод деформационного расчёта свай, усиленных цементацией грунта под её нижним концом на вертикальную нагрузку 91
3.3.2. Метод деформационного расчёта свай, усиленных цементацией грунта под её нижним концом на горизонтальную нагрузку 96
3.4. Исследования напряжённо-деформированного состояния базовой модели сваи и сваи с поверхностными и концевыми уширениями при вертикальном и горизонтальном нагружении в линейно-деформируемом основании с учётом сдвига 99
3.5. Исследования напряжённо-деформированного состояния свай с поверхностными и концевыми уширениями при вертикальном и горизонтальном нагружении в нелинейно-деформируемом основании 109
Выводы по III главе 114
ГЛАВА IV. Численные исследования работы системы «здание - свайное основание с усиливающими элементами» на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок 116
4.1. Исследование напряжённо-деформированного состояния свай методом конечных элементов 116
4.1.1 С уширениями под нижним концом путём цементации 116
4.1.2. С поверхностным уширением в виде клиньев 128
4.1.3. С забивкой щебня в обсадной трубе под её нижним концом 131
4.1.4 С совместным поверхностным в виде клиньев и концевым уширением, полученным в результате цементации на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок 134
4.2. Оценка характера деформаций балок и свай на упругом основании 139
4.3. Исследование совместной работы систем «здание - свайное основание» и «здание - свайное основание с усиливающими элементами» методом контурных и расчётных точек 148
4.4. Исследование совместной работы системы «здание - свайное основание» с помощью МКЭ 152
Выводы IV главе 153
ГЛАВА V. Методика расчёта свайных фундаментов с поверхностными и концевыми уширениями на динамические воздействия 154
5.1. Методика расчёта балок с кусочно-постоянными параметрами, основанная на свойствах изображений Фурье финитных функций 159
5.2 Определение коэффициента постели по деформации свободного конца сваи с помощью дифференциальных уравнений в обобщённых функциях 161
5.3 Методика расчёта свай с поверхностными и концевыми уширениями с кусочно-постоянными параметрами, основанная на свойствах изображений Фурье финитных функций на горизонтальное статическое и гармоническое воздействия 164
5.4. Соотношения между интегралом Фурье и спектрами ответов 172
5.5. Оценка сейсмического воздействия на свайные фундаменты Выводы по V главе
Основные выводы
Литература
- Методы расчёта свайных и комбинированных фундаментов на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок и анализ существующих моделей грунта, применяемых при расчётах
- В грунтовом лотке с пропиткой грунта цементным раствором под её нижним концом на действие вертикальной нагрузки
- Метод деформационного расчёта свай, усиленных цементацией грунта под её нижним концом при вертикальном и горизонтальном загружении
- С совместным поверхностным в виде клиньев и концевым уширением, полученным в результате цементации на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ строительства зданий на свайных фундаментах, возводимых на структурно-неустойчивых грунтах показал необходимость и целесообразность увеличения их вертикальной и горизонтальной жесткости путём устройства уширений, совершенствования их конструкций и методов расчёта.
Невысокая жесткость известных конструктивных решений свай с уширениями приводят к значительным осадкам свайных фундаментов на слабых грунтах и появлению трещин в несущих конструкциях здания. Особенно уязвимыми оказываются здания на таких фундаментах, воспринимающие динамические воздействия. Всё это, а также сложность их устройства и высокая стоимость ограничивают применение таких конструктивных решений в практике строительства.
Поэтому задача повышения вертикальной и горизонтальной жесткости свай, путём совершенствования их конструкций, способа изготовления является актуальной при строительстве промышленных и гражданских зданий на слабых грунтах.
Целью диссертационной работы является совершенствование конструктивных решений свайных фундаментов с уширениями в структурно неустойчивых грунтах и методов их расчёта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить анализ существующих конструкций свай с уширениями и методов их расчёта;
- исследовать напряжённо-деформированное состояние элементов системы «основание – свайный фундамент с уширениями - здание», а также их совместной работы с учетом особенностей поведения под нагрузкой каждого из составляющих системы;
- решить обратную задачу для сваи, когда по измеренным перемещениям ее свободного конца определяются характеристики жёсткости основания;
- обосновать возможность применения конечно-элементных моделей для оценки работы грунта, определения осадки зданий и сооружений на свайных фундаментах с концевыми и поверхностными уширениями;
- выполнить экспериментальные и численные исследования работы свай с концевыми и поверхностными уширениями в структурно-неустойчивых грунтах;
- разработать методику деформационного расчёта свай с концевыми и поверхностными уширениями на действие статических и динамических нагрузок.
Научная новизна заключается в следующем:
- разработаны новые конструктивные решения свай с поверхностными и концевыми уширениями для структурно-неустойчивых оснований
- решена обратная задача для балок и свай на упругом основании как средство определения характера и уровня отпорности основания по смещениям их опорных точек;
- разработана методика определения коэффициента постели и коэффициентов матрицы жёсткости грунта, учитывающая жесткостные характеристики уплотнённого грунта;
- выявлено влияние зоны грунта, уплотнённого втрамбовыванием щебня различной фракции в основание обсадной трубы буронабивной сваи, закачкой цементного раствора под нижний конец сваи, а также клина, погружаемого вокруг сваи у поверхности земли на повышение несущей способности фундамента;
- разработана методика прогнозирования осадки здания на свайных фундаментах с концевыми и поверхностными уширениями на основе использования метода расчётных и контурных точек;
- разработана конечно-элементная модель, позволяющая оценивать напряжённо-деформированное состояние системы «основание - свайный фундамент с уширениями - здание».
Практическая значимость диссертационной работы состоит в:
- конструктивных решениях свайных фундаментов с концевыми и поверхностными уширениями, позволяющими снизить расход материала до 40% и трудоёмкость - до 30%, отказаться от использования тяжёлой техники, вызывающей сотрясаемость земной поверхности, повысить несущую способность фундамента в 2 и более раз, снизить осадку фундамента.
- методике расчёта осадки сваи с концевыми и поверхностными уширениями, определения характеристик основания при статическом и динамическом воздействиях.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основана на использовании выверенных конечноэлементных моделей и расчётных комплексов; на последовательном логическом анализе полученных результатов экспериментальных и аналитических исследований; сравнением их с результатами, апробированных методик Е. Н. Курбацкого, А. А. Григорян, А. И. Сапожникова и др., использованием гипотез Винклера и Жемочкина; а также сходимостью результатов аналитических решений с данными лабораторных и натурных экспериментальных исследований.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях, салонах, форумах:
научно-технические конференции АИСИ, Астрахань, 2003-2008г.;
Международные научно-практические конференции (Москва, 2007г.; Тамбов, 2007г.-2008г.; г. Владивосток, 2007г.; Самара, 2008г.);
совместные заседания кафедр прочностного цикла АИСИ;
7-10-й Международный салон инноваций и инвестиций: четыре золотых, три серебряные и бронзовая медали, (г. Москва 2007-2010г.);
Международный конкурс молодых учёных Европейского союза строительных вузов (Чешский технический университет) диплом III степени, г. Прага, 2008г.;
в рамках диссертационной работы был выполнен научно-исследовательский проект по гранту совместной целевой программы Министерства промышленности, транспорта и связи Астраханской области и Астраханского инженерно-строительного института, г. Астрахань, 2008г.;
Каспийский инновационный форум и конференция молодых учёных «ИННО-КАСПИЙ» - разработки награждены дипломом I-ой и II-ой степени (соавтор А. И. Сапожников), г. Астрахань, 2009г.;
XII Международный салон промышленной собственности «Архимед-2009», серебряная медаль (г. Москва).
Основные результаты работы отражены в двадцати шести публикациях.
Методы расчёта свайных и комбинированных фундаментов на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок и анализ существующих моделей грунта, применяемых при расчётах
Выбор и разработка модели основания является важнейшей проблемой механики грунтов (Г. К. Клейн [78-80, 179, 180]). Физико-механические свойства грунтов, их стратиграфия и структура сложны и неоднородны, поэтому, как утверждает М. И. Горбунов-Пасадов [31] «вряд ли в ближайшем будущем удастся найти модель грунта, отображающую все многообразие его свойств».
Сложность выбора модели оснований объясняется их большим разнообразием. Учёными были предложены различные модели, учитывающие те или иные основные характеристики грунта. Наиболее распространённой, благодаря ее простоте, является модель Винклера, согласно которой основание моделируется не связанными между собой упругими опорами, работающими линейно. Модель Винклера использована Фуссом [3] для определения остаточной деформации поверхности грунта. При статических расчётах зданий, когда не наблюдается разгрузка основания, обе модели совпадают.
Развитием модели Винклера является предложенный А. С. Григорьевым [38] учёт нелинейной работы грунта. В ней опоры, характеризующие фунт при его нагружении, в отличие от модели Винклера, имеют нелинейные характеристики, описываемые диаграммой Прандтля, которые при разгрузке являются линейными.
Указанные модели не учитывают перераспределительных свойств грунтового основания и отражают не работу всего основания, а только его поверхности и не позволяют определить напряжённо-деформированное состояние (НДС) грунта, а только осадку фундамента и нагрузку, передаваемую им основанию.
Модель упругого линейно - и нелинейно-деформируемого полупространства учитывает перераспределительные свойства грунтового основания (Буссинеск, Кельвин, Миндлин, Фламан [91, 108, 114, 181,182]). Дорогу практическому использованию этой модели открыли работы Н. М. Герсеванова, М. И. Горбунова-Пасадова, П. А. Миняева, Н. П. Пузыревского, [31-34, 22-25, 127-128] и др. Изменение модуля упругости грунта по глубине учтено Г. К. Клейном, Н.К.Снитко и др. Недостаток этой модели -завышенная её перераспределительная способность. Для её уменьшения были предложены разные модификации модели [50-52]. Эти модифицированные модели, также как и модель Винклера, характеризуют лишь жёсткость поверхности основания и не позволяют рассчитывать НДС грунтовой толщи.
Более универсальная модель грунтового основания предложена А. И. Сапожниковым [96, 97]. Она характеризуется четырьмя жёсткостными параметрами: модулем упругости при сжатии Ес; модулем упругости при изгибе Еи; модулем упругости при сдвиге G; коэффициентом Пуассона и и построена для дискретного конечно-элементного использования. Эта модель, за счет независимого выбора перечисленных параметров, что более присуще грунтам, точнее характеризует перераспределительные свойства грунта и в силу этого одновременно позволяет более точно вычислить НДС в его толще. Данная модель может использоваться и в упругопластической области работы грунта, если удастся построить независимые диаграммы для приведенных четырёх параметров грунта, что можно получить при трёхосном его испытании или путём решения обратной задачи для штампа. Параллельно с этой моделью им же предложена и теоретически разработанная методика [97] определения отпорности полупространства по данным решения обратных задач для балки на упругом основании, когда по измеренным её вертикальным смещениям (или горизонтальным для загруженной у свободного конца сваи-колонны) определяется жесткость основания, его конечного числа дискретных точек на контакте с балкой (сваей). Данное решение позволяет установить характер работы полупространства, изменения его жесткостных параметров по мере увеличения нагрузки на балку, характеристики пластического поведения грунта и даже ползучести. Следует лишь фиксировать данные измерения прогибов балки (сваи) по мере дискретно увеличиваемой нагрузки. К недостаткам этой методики можно отнести существенные погрешности, возникающие при решении обратных задач. Применив для оценки указанной погрешности матричные нормы [99], расчёт показал, что «при уменьшении жёсткости балки погрешность определения коэффициентов жёсткости грунта будет снижаться». Следует особо подчеркнуть, что решение обратной задачи для балки позволяет учесть взаимодействие частей грунта под балкой, особенность которого исчезает при кусочно-штамповом подходе жёсткости грунтовой постели. Сказанное в полной мере относится и к континуальным методам расчета балок и свай на упругом основании, наиболее простая схема которых изложена в работе В. И. Феодосьева [159]. С развитием ЭВМ предпочтение отдается дискретным расчетным схемам. Здесь задача расчета балок (свай) разбивается на две: 1. выбор методики определения жесткости упругих опор, характеризующих жёсткость основания; 2. выбор расчетной схемы самой балки (сваи). Для решения обеих задач предпочтение отдается дискретным методам по ряду причин: - они легко алгоритмизируются, что позволяет создавать на их основе программные комплексы; - с их помощью проще учитывать неоднородность основания, изменчивость конструкции (балки, сваи) по ее длине, записывая для каждого элемента свои условия или характеристики; - они стали средством решения задач в трёхмерной постановке. Самым распространённым и универсальным численным методом строительной механики является метод конечных элементов (МКЭ) в различных формах: форме метода сил, метода перемещений, в смешанной форме. При конечноэлементном подходе удобно описание стратиграфии и изменения в плане и с глубиной параметров основания. Для анализа работы на упругом основании балок-стенок, какими, например, являются стены зданий при рассмотрении их совместной работы с фундаментом, рациональным оказалась модификация МКЭ и метод контурных и расчётных точек. Выбор расчетной схемы самой конструкции (балки, сваи) является достаточно сложной задачей, требующей отдельного рассмотрения. Существенным вкладом в расчет балок и свай на упругом основании, помимо совершенствования учета свойств грунта полупространства, является и корректировка расчетной схемы самой балки (сваи). В работе А. И. Сапожникова [97] установлена необходимость учёта, помимо деформации изгиба балки, еще и сдвига её поперечных сечений, где показано, что значение деформаций сдвига в балках не столько зависит от их длины и размера сечения, сколько от отношения жесткостей балки и грунта, характера концевого защемления балки (как известно, также определяющего ее жесткость). В работе [97] также осуществлен учет нелинейной работы самого грунта вокруг сваи. Приведенные нами по данной методике численные исследования и расчеты показали, что при упругопластическом деформировании грунта происходит снижение его жесткости только в тех местах, где свая смещается от своего первоначального положения, оставляя неизменными значения грунта в точке смены знака смещения сваи.
В грунтовом лотке с пропиткой грунта цементным раствором под её нижним концом на действие вертикальной нагрузки
Лабораторная установка для одновременного загружения в лотке с песком сваи с поверхностным и концевым уширениями вертикальной и горизонтальной нагрузками: 1 - свая с трубой внутри для подачи цементного раствора под её нижний конец; 2 - ж/б клинья; 3 - концевое уширение сваи; 4 — лоток с опорным столиком и штативом для индикатора; 5 - блок с нитью для подвешивания груза (горизонтального нагружения); 6 - отверстие для пропуска нити; 7 - рычаг, закреплённый к лотку для вертикального нагружения; 8 - деревянная пластина для крепления проволки; 9 - фиксаторы крепления клиньев к пластине; 10 - индикаторы часового типа 3) выдерживание 27 суток для твердения концевого уширения; 4) одновременное вдавливание клиньев с четырёх сторон (или попарное с двух сторон); 5) фиксация пластины по верху сваи с проволокой для горизонтального загружения; 6) установка штатива с индикаторами часового типа для измерения перемещений; 7) одновременное загружение сваи вертикальной и горизонтальной нагрузкой; 8) обработка результатов эксперимента. Все результаты экспериментов проходили статистическую обработку измерений. Приведём последовательность обработки измерений на примере эксперимента по одновременному загружению сваи с уширениями вертикальной и горизонтальной нагрузкой. Методика статистической обработки результатов измерений освящена В. А. Вознесенским в работе [20], в которой идёт речь об основных концепциях нового статистического направления - математической теории эксперимента в случаях использования методов планирования и анализа результатов наблюдений. Так, необходимое количество испытаний образцов определяется по формуле: n=t у /[А], Где у — коэффициент вариаций, y=GI%\ X — среднее арифметическое изучаемой величины; G — её среднее квадратичное отклонение изучаемой величины, (G2 -дисперсия); /, [А] — коэффициент доверия, определяющий вероятность предельной ошибки измерений, и предельная относительная ошибка с заданной вероятностью; [z/=0.05]. Величина t определяется по таблице критических значений коэффициента Стьюдента (/-критерия) для различной доверительной вероятностир и числа степеней свободы/! Изучаемой величиной в данном случае является смещение сваи от вертикального нагружения (VB), тогда y=G/VB. Обработка результатов лабораторных экспериментальных исследований сваи с концевым и поверхностным уширениями сведена в табл. 2.4. Статистическая обработка результатов сведена в табл. 2.5, 2.6. Изучаемой величиной в данном случае является смещение сваи от горизонтальное (Тг) и вертикальное (FB) смещения сваи у её основания, тогда y=G/VBny=G/Vr. Статистическая обработка результатов экспериментальных данных показала погрешность измерений в лабораторных условиях 0.05. Результаты можно оценить с большой точностью достоверными. Таким образом, применение поверхностных и концевых уширений в свайных фундаментах позволит снизить осадку фундамента в 3-4 раза.
При возведении зданий на слабых грунтах проводят их уплотнение или упрочнение. Слабый грунт можно уплотнить на поверхности и на определённой глубине. На поверхности грунт уплотняют падающими трамбовками массой 7-10 т, навешиваемые на экскаваторы или копры с высоты сбрасывания 4-10 м. Однако широкого распространения в строительстве эта технология не нашла из-за низкой производительности громоздких машин (2-3 удара в минуту). Кроме того, взаимодействие падающей трамбовки с грунтом имеет прерывистый характер. Грунт максимально нагружается в момент падения трамбовки и разгружается в момент отрыва и последующего её подъёма. При разгрузке грунт упруго восстанавливается, вследствие чего значительно снижается степень его уплотнения за один рабочий цикл.
Известен способ глубинного трамбования грунта (институт гидродинамики СО РАН), здесь взамен падающей трамбовки применена погружаемая в грунт толстостенная оболочка. Её эффективность выше, чем у способа поверхностного уплотнения, так как во время трамбования оболочка постоянно удерживает грунт в напряжённом состоянии, что обеспечивает высокую производительность при снижении затрат энергии. Однако устройство на предварительно спланированной поверхности строительной площадки с шагом 2 м вытрамбовыванных котлованов с последующим их заполнением грунтом и устройством ленточных фундаментов не может конкурировать с устройством свайных фундаментов, особенно если речь идёт о возведении высотных и большепролётных зданий и сооружений, которые передают на фундамент значительные нагрузки.
В данной работе осуществлён поиск эффективных способов ограничения деформаций высотных и большепролётных зданий и сооружений, строящихся на слабых грунтах. Предпосылками к проведению натурных исследований стали лабораторные испытания штампа на песке, упрочнённом забивкой щебня мелкой фракции 5 — 10 мм. Определена осадка штампа с размерами 10x1 Ох 10см на действие вертикальной нагрузки (рис. 2.13, а). Затем в грунт был добавлен щебень крупной фракции с последующим его уплотнением трамбовкой, но без интенсивного трамбования основания (рис. 2.13, б). После этого проведём испытания штампа на основании с интенсивно утрамбованным щебнем, а также с количеством щебня, увеличенным в 1,5 и 2 раза (рис. 2.13, в). Зависимость
Метод деформационного расчёта свай, усиленных цементацией грунта под её нижним концом при вертикальном и горизонтальном загружении
Лабораторная установка для одновременного загружения в лотке с песком сваи с поверхностным и концевым уширениями вертикальной
и горизонтальной нагрузками: 1 - свая с трубой внутри для подачи цементного раствора под её нижний конец; 2 - ж/б клинья; 3 - концевое уширение сваи; 4 — лоток с опорным столиком и штативом для индикатора; 5 - блок с нитью для подвешивания груза (горизонтального нагружения); 6 - отверстие для пропуска нити; 7 - рычаг, закреплённый к лотку для вертикального нагружения; 8 - деревянная пластина для крепления проволки; 9 - фиксаторы крепления клиньев к пластине; 10 - индикаторы часового типа 3) выдерживание 27 суток для твердения концевого уширения; 4) одновременное вдавливание клиньев с четырёх сторон (или попарное с двух сторон); 5) фиксация пластины по верху сваи с проволокой для горизонтального загружения; 6) установка штатива с индикаторами часового типа для измерения перемещений; 7) одновременное загружение сваи вертикальной и горизонтальной нагрузкой; 8) обработка результатов эксперимента. Все результаты экспериментов проходили статистическую обработку измерений. Приведём последовательность обработки измерений на примере эксперимента по одновременному загружению сваи с уширениями вертикальной и горизонтальной нагрузкой. Методика статистической обработки результатов измерений освящена В. А. Вознесенским в работе [20], в которой идёт речь об основных концепциях нового статистического направления - математической теории эксперимента в случаях использования методов планирования и анализа результатов наблюдений. Так, необходимое количество испытаний образцов определяется по формуле: n=t у /[А], Где у — коэффициент вариаций, y=GI%\ X — среднее арифметическое изучаемой величины; G — её среднее квадратичное отклонение изучаемой величины, (G2 -дисперсия); /, [А] — коэффициент доверия, определяющий вероятность предельной ошибки измерений, и предельная относительная ошибка с заданной вероятностью; [z/=0.05]. Величина t определяется по таблице критических значений коэффициента Стьюдента (/-критерия) для различной доверительной вероятностир и числа степеней свободы/! Изучаемой величиной в данном случае является смещение сваи от вертикального нагружения (VB), тогда y=G/VB. Обработка результатов лабораторных экспериментальных исследований сваи с концевым и поверхностным уширениями сведена в табл. 2.4. Статистическая обработка результатов сведена в табл. 2.5, 2.6. Изучаемой величиной в данном случае является смещение сваи от горизонтальное (Тг) и вертикальное (FB) смещения сваи у её основания, тогда y=G/VBny=G/Vr.
Статистическая обработка результатов экспериментальных данных показала погрешность измерений в лабораторных условиях 0.05. Результаты можно оценить с большой точностью достоверными. Таким образом, применение поверхностных и концевых уширений в свайных фундаментах позволит снизить осадку фундамента в 3-4 раза.
При возведении зданий на слабых грунтах проводят их уплотнение или упрочнение. Слабый грунт можно уплотнить на поверхности и на определённой глубине. На поверхности грунт уплотняют падающими трамбовками массой 7-10 т, навешиваемые на экскаваторы или копры с высоты сбрасывания 4-10 м. Однако широкого распространения в строительстве эта технология не нашла из-за низкой производительности громоздких машин (2-3 удара в минуту). Кроме того, взаимодействие падающей трамбовки с грунтом имеет прерывистый характер. Грунт максимально нагружается в момент падения трамбовки и разгружается в момент отрыва и последующего её подъёма. При разгрузке грунт упруго восстанавливается, вследствие чего значительно снижается степень его уплотнения за один рабочий цикл.
Известен способ глубинного трамбования грунта (институт гидродинамики СО РАН), здесь взамен падающей трамбовки применена погружаемая в грунт толстостенная оболочка. Её эффективность выше, чем у способа поверхностного уплотнения, так как во время трамбования оболочка постоянно удерживает грунт в напряжённом состоянии, что обеспечивает высокую производительность при снижении затрат энергии. Однако устройство на предварительно спланированной поверхности строительной площадки с шагом 2 м вытрамбовыванных котлованов с последующим их заполнением грунтом и устройством ленточных фундаментов не может конкурировать с устройством свайных фундаментов, особенно если речь идёт о возведении высотных и большепролётных зданий и сооружений, которые передают на фундамент значительные нагрузки.
В данной работе осуществлён поиск эффективных способов ограничения деформаций высотных и большепролётных зданий и сооружений, строящихся на слабых грунтах. Предпосылками к проведению натурных исследований стали лабораторные испытания штампа на песке, упрочнённом забивкой щебня мелкой фракции 5 — 10 мм. Определена осадка штампа с размерами 10x1 Ох 10см на действие вертикальной нагрузки (рис. 2.13, а). Затем в грунт был добавлен щебень крупной фракции с последующим его уплотнением трамбовкой, но без интенсивного трамбования основания (рис. 2.13, б). После этого проведём испытания штампа на основании с интенсивно утрамбованным щебнем, а также с количеством щебня, увеличенным в 1,5 и 2 раза (рис. 2.13, в). Зависимость
С совместным поверхностным в виде клиньев и концевым уширением, полученным в результате цементации на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок
Расчёт напряжённо-деформированного состояния (НДС) свайных фундаментов на действие статических нагрузок можно осуществлять разными методами. Современный уровень развития технологий информатизации позволяет не ограничиваться одномерными (ID) расчетами, а перейти к анализу массивных трехмерных тел и их фрагментов совершенно произвольной формы, что стало возможным в основном благодаря развитию метода конечных элементов (МКЭ) и его реализации на ПК.
Основная идея МКЭ, базирующаяся на методах Бубнова, Галеркина и Ритца, была предложена Р.Курантом в 1943 г., но осталась незамеченной, опередив потребности практики. С появлением первых компьютеров возникла необходимость в разработке новых инженерных подходов к численному решению задач со сложной геометрией, в которых области интегрирования разбивались на подобласти. Такие подобласти — носители базисных функций и являются конечными элементами (КЭ).
В последние десятилетия шло бурное развитие МКЭ, наряду с развитием идеи приложения классических методов расчёта статически неопределимых систем в матричной форме к решению двух - и трёхмерных задач теории упругости, быстро развивалась и вычислительная техника.
Большое число работ, посвященным самым различным аспектам развития МКЭ, указывают на то, что первоначально метод разрабатывался на основе идей, используемых в строительной механике стержневых систем; а также как некоторых разновидностей вариационно-разностных методов решения задач математической физики. Развитию МКЭ и его внедрению в инженерную практику способствовали работы зарубежных и отечественных учёных К. Бате, Е. Вилсона [6,7], О. Зенкевича [60-63], А. М. Масленникова [71, 72], В. А. Постнова [89, 90], А. Р. Ржаницина [91], Л. А. Розина [92, 93], Л. Сегерлинда [145 ], М. Секуловича [146 ], А. Ф. Смирнова, Ю. Я. Тюкалова [156, 157], Л. А. Трайнина, А. П. Филина [163, 164], Н. Н. Шапошникова[171-173] и др. Для практических методов расчёта МКЭ можно трактовать как обобщение методов строительной механики стержневых систем любой сложности (континуальных, дискретных, дискретно-континуальных, то есть таких систем, элементы которых можно рассматривать как самостоятельные конструкции - пластины, плиты, оболочки, стержни, балки, сваи и др.).
Несмотря на всё многообразие конечных элементов, на которые могут быть расчленены конструкции, последовательность расчёта при этом будет единой. Определение связи между узловыми усилиями и узловыми перемещениями конечного элемента (построение матрицы жёсткости, матрицы податливости, матрицы упругих свойств в общем случае) является одним из основных и в то же время наиболее сложных этапов применения МКЭ в качестве метода расчёта конструкций. Так как конечные элементы, на которые расчленяется исходная конструкция, имеют вдоль своей границы непрерывные или дискретные связи со смежными элементами, то при построении расчётной дискретной модели вводятся априорные предположения о характере силового или кинематического воздействия на границах между смежными элементами. От выбора функций, аппроксимирующих силовые или кинематические воздействия на границах между элементами, зависит возможность получения точного решения. , В этой связи МКЭ может быть дана более широкая трактовка с позиций вариационных методов (Ритца, Бубнова - Галеркина). Главное различие между традиционной формой применения отмеченных вариационных методов и МКЭ заключается в том, что при применении этих методов координатные функции задаются для всей рассматриваемой области, а при применении МКЭ - для каждой из подобластей конечных размеров (конечных элементов), на которые разбивается исходная область. Если в первом случае при использовании метода Ритца выражение энергии варьируется по обобщённым координатам (коэффициентам членов ряда) для всей области, то во втором - по величинам силовых или кинематических взаимодействий в местах стыка элементов. Это приводит к алгебраическим уравнениям классических методов строительной механики (метод перемещений, метод сил, смешанный метод). Решающим преимуществом МКЭ по сравнению с вариационными методами состоит в том, что координатные функции в методе отличны от нуля только в окрестности соответствующего узла и, следовательно, носят локальный характер [6]. Традиционные методы расчёта стержневых систем по МКЭ (в форме метода перемещений) имеют следующую последовательность: - нанесение сетки расчётных узлов, в которых определяется значение разрешающей функции, и расчленение исходной системы на КЭ; - построение матриц жёсткости конечных элементов; - составление системы канонических уравнений, отражающих кинематическую совместимость расчётной схемы; - решение системы уравнений и вычисление значений разрешающей функции в расчётных узлах; - определение компонентов напряжённо-деформированного состояния исследуемой системы по найденным значениям разрешающей функции в расчётных узлах сетки. Одним из направлений развития МКЭ является метод суперэлементов (МСЭ), получивших своё распространение в работах И. С. Пржемицкого, Г. Крона [82, 83], В. А. Постнова [82, 83], В. А. Игнатьева [41, 42 ], А. И. Сапожникова [ПО] и др. Эффективность МСЭ определённым образом преувеличена, из-за практически невозможного учёта разрывности параметров конструкции. Однако использование СЭ может стать действительно полезным в инженерной практике, если перейти к сочетанию контурных точек и конечных элементов. Оценка достоверности результатов анализа МКЭ производится тестированием МКЭ на задачах, для которых известно точное решение. Для получения наиболее точного результата и снижения трудоёмкости расчёта по МКЭ систем со сложным очертанием контура конечные элементы КЭ задают с различными размерами и числом узлов на сторонах. Этот этап расчёта можно рассматривать как подготовку исходных данных для счета, компьютерная поддержка которого выполняется препроцессором.
Расчёт НДС сваи с уширением под нижним концом путём подачи цементного раствора [135] будем осуществлять с помощью системного численного изучения на основе решения МКЭ в системе пре - постпроцессора FEMAP с решателем NE/NASTRAN. По недавним сведениям разработчиков решателя NE/NASTRAN с его использованием за одну ночь удалось решить систему из полмиллиарда уравнений. По недавним сведениям разработчиков решателя NE/NASTRAN с его использованием за одну 8 часов удалось решить систему из полумиллиарда уравнений.
