Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния исследования проблемы армированных грунтовых оснований и методов их расчета 10
1.1. Существующие виды армированных оснований 10
1.2. Экспериментальные исследования армированных оснований 15
1.3. Методы расчета армированных оснований 24
1.3.1. Эмпирические и полуэмпирические методы 24
1.3.2. Аналитические методы расчета 25
1.3.3. Численные методы расчета 33
1.4. Выводы по главе 1 и задачи исследования 36
Глава 2. Экспериментальные исследования НДС армированных грунтовых оснований 38
2.1. Задачи, методика исследований и планирование экспериментов 38
2.2. Модельные исследования армированных грунтовых оснований 39
2.2.1. Приборы, оборудование и характеристики грунтовых оснований ... 39
2.2.2. Методика проведения модельных исследований 45
2.2.3. Результаты модельных экспериментов 46
2.4. Натурные исследования армированных грунтовых оснований 59
2.4.1. Приборы, оборудование и характеристики грунтовых оснований 60
2.4.2. Методика проведения полевых исследований 66
2.4.3. Результаты полевых экспериментов 67
2.5. Выводы по главе 2... 77
Глава 3. Численные методы определения несущей способности армированных оснований 78
3.1. Использование МКЭ для расчета несущей способности армированных оснований 78
3.2. Сравнение и анализ данных натурных исследований и расчетов по МКЭ 80
3.3. Исследование напряженно-деформированного состояния 84
3.4. Исследование влияния параметров армирования на расчетное сопротивление армированного основания 95
3.5. Выводы по главе 3 102
Глава 4. Рекомендации и методика проектирования армированных оснований в пылевато-глинистых водонасыщенных грунтах 104
4.1. Определение расчетного сопротивления армированного основания 104
4.2. Определение осадок фундаментов на армированном основании. 108
4.3. Требования к армирующим материалам. 113
4.4. Порядок проектирования фундаментов на армированных основаниях . 115
4.5. Технология производства работ при устройстве армированных оснований 122
4.6. Внедрение результатов исследования и оценка технико- экономической эффективности применения армированных грунтовых оснований 124
4.7. Выводы по главе 4 130
Основные результаты исследований и общие выводы по работе 131
Список литературы 133
- Экспериментальные исследования армированных оснований
- Приборы, оборудование и характеристики грунтовых оснований
- Исследование влияния параметров армирования на расчетное сопротивление армированного основания
- Порядок проектирования фундаментов на армированных основаниях
Введение к работе
Актуальность работы. Затраты на сооружение фундаментов зданий и сооружений могут составлять от 15% до 35 % от общей стоимости строительства. Поэтому уменьшение затрат на устройство фундаментов дает весьма ощутимый результат. Особенно остро стоит проблема сокращения затрат на возведение фундаментов на переувлажненных пылевато-глинистых грунтах, в том числе и слабых грунтах. На многих территориях северо-западной части России, Урала и Западной Сибири имеются такие грунты. Возведение фундаментов на таких грунтах требует больших материальных и трудовых затрат. При строительстве на слабых пылевато-глинистых грунтах в настоящее время традиционно применяются в основном три вида фундаментов:
1) свайные;
2) подушки из кондиционных материалов (щебень, ПГС, песок и др.);
3) искусственно улучшенные грунтовые основания (осушенные, укрепленные и др.).
Каждый из этих видов имеет свои достоинства и недостатки. Но для малонагруженных фундаментов, во многих случаях наиболее рациональными являются грунтовые подушки. В традиционном исполнении конструкция таких оснований предусматривает замену части слабого грунта на слой из стабильного материала (ПГС, щебень, песок). Основными недостатками этого способа являются относительно высокая материалоемкость и большие объемы земляных работ. Строительные материалы во многих районах нашей страны являются привозными и поэтому весьма дорогостоящи. Использование местных материалов позволило бы значительно снизить стоимость возведения фундаментов, однако это требует улучшения прочностных и дефор- мативных свойств местных грунтов.
Одним из самых дешевых и легкодоступных строительных материалов является грунт. И поэтому, несмотря на то, что его механические свойства оставляют желать лучшего, он всегда имел популярность у инженеров- строителей. Одним из относительно новых способов увеличения прочностных и деформативных свойств грунтов является применение армированного грунта, который представляет собой комбинацию грунта и арматуры. Особенно успешно началось его применение в различных областях строительства с появлением синтетических материалов. Характеристики грунтов, обладающих прочностью на сжатие и сдвиг, но не обладающих прочностью на растяжение, могут быть значительно улучшены путем введения упрочняющих элементов в направлении относительной деформации растяжения таким же образом, как и в железобетоне. Кроме того, армирующие элементы могут выполнять функции дренирования, разделения защиты. За счет проявления армирующего эффекта армогрунт способен уменьшать нормальные напряжения в грунтовой засыпке и деформации конструкции. Армированный грунт обладает такими характеристиками, которые делают его пригодным для возведения инженерных сооружений. Самое значительное применение армированный грунт нашел при сооружении различного рода удерживающих конструкций. Широко используется армированный грунт в дорожном строительстве при сооружении насыпей автомобильных и железных дорог, подпорных сооружений, устоев диванного типа мостов и т.д. В гидротехническом строительстве в настоящее время армированный грунт применяется для сооружения водосливов, дамб, плотин. В градостроительстве армированный грунт используется для усиления оснований зданий и сооружений, а также при возведении сооружений для защиты от шума у оживленных автострад, проходящих через населенные пункты.
Применение армированных грунтов позволяет значительно снизить затраты на возведение фундаментов, а следовательно, и стоимость строительства. Кроме того, использование армированных грунтов позволяет во многих случаях отказаться или значительно снизить долю "мокрых" процессов в общем объеме работ по возведению фундаментов, что дает возможность существенно продлить строительный период, а это особенно актуально для северных территорий России с продолжительным зимним периодом. Экспериментальные и теоретические исследования армированного грунта, проведенные к настоящему времени, направлены в основном на использование в транспортном и гидротехническом строительстве. В большинстве случаев исследования проводились в песчаных грунтах, работа же армированных оснований в пылевато-глинистых грунтах изучена еще недостаточно хорошо.
Поэтому для использования в строительной практике конструкций оснований из армированного грунта необходимо было провести анализ их НДС и на его основе разработать инженерный метод расчета данных конструкций.
Целью диссертационной работы является разработка метода расчета грунтовых оснований из пылевато-глинистых грунтов, армированных горизонтальными прослойками из синтетических материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Определить область рационального применения армированных оснований в пылевато-глинистых грунтах.
2. Разработать оптимальные конструкции армированных оснований фундаментов зданий и инженерных сооружений.
3. Выполнить комплексные исследования напряженно-деформированного состояния активной зоны армированных оснований в пылевато-глинистых грунтах.
4. Разработать инженерный метод определения осадок армированных оснований в пылевато-глинистых грунтах.
5. Разработать рекомендации по проектированию и устройству армированных оснований.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий: анализ видов армирования; современные представления о работе армированных оснований; экспериментальные исследования; существующие методы расчета, численный эксперимент по определению НДС активной зоны армированных оснований, математические методы моделирования и теорию планирования экспериментов. В экспериментах использовалась современная электронная аппаратура и тензометриче- ские приборы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- на основании комплексных экспериментально-теоретических исследований предложены оптимальные конструкции армированных оснований для фундаментов малонагруженных сооружений в пылевато-глинистых грунтах и выявлена рациональная область применения армированных грунтов;
- разработан инженерный метод расчета армогрунтовых оснований фундаментов с однослойным армированием;
- выявлены основные закономерности НДС армированных оснований.
Практическое значение работы состоит в разработке метода расчета, позволяющего оценивать предельную нагрузку на армированные основания с учетом прочностных и деформационных свойств грунта и армирующих прослоек, принимать экономически обоснованные решения с учетом конструктивных особенностей сооружений и конкретных грунтовых условий для снижения стоимости строительства. Метод проектирования разработан на основе проведения комплексных экспериментально-теоретических исследований. Разработанные конструкции армированных оснований обеспечивают увеличение несущей способности и снижение материалоемкости.
Результаты исследований были внедрены на Пермской ТЭЦ-9, где запроектированы 4 фундамента на армированном основании под резервуары коагулированной воды. Экономический эффект от внедрения разработанных конструкций армированных оснований и метода проектирования составил 49700 рублей в ценах 1998 года.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции студентов и молодых ученых. Пермь, 1995 г.; Российской конференции по механике грунтов и фунда- ментостроению. Санкт-Петербург, 1995 г.; XXVIII научно-технической конференции автодорожного факультета ПГТУ. Пермь, 1998 г.; VI международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. Москва, 1998 г.; XXIX научно-технической конференции автодорожного факультета ПГТУ. Пермь, 1998 г.; Межвузовской научно-технической конференции посвященной 20-летию автодорожного факультета ПГТУ. Пермь, 1999 г.; First European geosynthetics conference Eurogeo 1. Maastricht. Netherlands, 1996; Twelfth European conference on soil mechanics and geotechnical engineering. Amsterdam. Netherlands, 1999; Международном семинаре по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям. Пермь, 2000 г.; V Международной научно-технической конференции при V Международной специализированной выставке "Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство - 2001". Уфа, 2001 г.
На защиту выносятся:
1. Результаты комплексных экспериментально-теоретических исследований напряжений и деформаций в активной зоне оснований в пылевато- глинистых грунтах с однорядным армированием горизонтальной прослойкой.
2. Метод проектирования оснований в пылевато-глинистых грунтах с однорядным армированием горизонтальной прослойкой.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 30 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, приложений. Содержит 152 страницы машинописного текста, 44 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 162 наименований, в том числе 62 на иностранном языке.
В первой главе дан обзор и анализ существующих в отечественной практике и за рубежом видов конструкций оснований из армированного грунта, их экспериментально-теоретических исследований, существующих методов их расчета.
Во второй главе приведена методика и результаты экспериментальных исследований армогрунтовых оснований с геотекстильными прослойками. На основе экспериментальных исследований выявлены оптимальная область применения армированных оснований в пылевато-глинистых грунтах и
их напряженно-деформированное состояние.
В третьей главе на основе численных исследований методом МКЭ дан анализ напряженно-деформированного состояния армированных грунтовых оснований в пылевато-глинистых грунтах. Выполнено сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследований.
В четвертой главе рассматриваются возможные подходы к проблемам расчета конструкций армогрунтовых оснований. Приведены результаты наблюдений за деформациями возведенных конструкций.
На основе анализа результатов экспериментальных и численных (МКЭ) исследований разработан инженерный метод расчета армированных оснований в пылевато-глинистых грунтах.
Настоящая работа выполнялась автором в период пребывания в очной аспирантуре и работы на кафедре "Основания, фундаменты и мосты" Пермского государственного технического университета. Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность за научное руководство и содействие при выполнении диссертации члену-корреспонденту Российской Академии наук, академику Международной Академии наук высшей школы, Международной и Российской инженерных академий, заслуженному деятелю науки и техники РФ, Лауреату премии Совета Министров СССР, доктору технических наук, профессору A.A. Бартоломею и доктору технических наук, профессору А.Б. Пономареву, а также всему коллективу кафедры "Основания фундаменты и мосты" Пермского государственного технического университета.
Экспериментальные исследования армированных оснований
Точные данные и закономерности работы сооружений из армированного грунта не могут быть получены иным путем, как только с помощью тщательного исследования реальных сооружений и натурных испытаний.
Именно это и было постепенно сделано практически во всем мире. Эмпирический комплексный подход при проектировании конструкций из ар- могрунта весьма распространен в США, Великобритании, ФРГ, Австрии. Он применяется отдельными западными фирмами и учреждениями и основан на интенсивном экспериментальном строительстве, оценке и обобщении материалов. В то же время в нашей стране натурные исследования сооружений из армированного грунта практически не проводились, т. к. сооружения подобного рода пока еще не нашли у нас широкого применения.
Результаты натурных наблюдений и испытаний сооружений из армированного грунта приводятся в работах [30, 33, 43, 47, 49, 76, 84, 90, 95, 108, 125], модельных исследований - в работах [11, 43, 76, 77, 90, 107, 138, 139, 141, 152, 155].
Обоснование совокупности происходящих явлений в работе оснований из армированного грунта на начальном этапе исследований можно выполнить на основании экспериментов на малых моделях. Методика и результаты модельных исследований армогрунтовых оснований подробно освещены в работах [11, 76-78, 91].
Наиболее подробные исследования однорядного армирования песчаных грунтов приведены в работе Л.М. Тимофеевой [76]. Опыты проводились в специально оборудованном лотке с подвижным дном и передней прозрачной стенкой. Вертикальные перемещения поверхности основания измерялись индикаторами часового типа, установленными на штампе. В испытаниях использовались жесткие и гибкие штампы, сплошные и с выточками, прямоугольной и круглой формы. Размеры прямоугольных штампов 120x75x20 мм, 200x56x10 мм и 200x200x4 мм. Круглый штамп имел диаметр 100 мм. Нагрузка на штамп прикладывалась с помощью винтового домкрата через пружинный динамометр. В качестве армирующих элементов использовались стальные и алюминиевые стержни диаметром /=2,0 мм и длиной 300 мм, геотекстильный нетканый синтетический материал "Дорнит Ф-2" и клеенка в виде полотнищ размерами 300x200 мм. В качестве засыпки в опытах применялся воздушно-сухой среднезернистый песок рыхлого сложения (степень плотности 0,2) плотностью 1,64 г/см . Для измерения контактных давлений под подошвой штампа устанавливались мессдозы мембранного типа. Для определения зон деформирования основания укладывались прослойки из цветного песка. Было проведено несколько серий опытов для выяснения оптимальных условий размещения армирующих элементов. Для выявления влияния шага установки стержней в одной плоскости проводились опыты с одномерным армированием алюминиевыми стержнями, расположенными на глубине 0,1 к!Ь (к - глубина заложения арматуры от поверхности штампа, Ъ - ширина штампа). Расстояние между стержнями принималось а1/с1= 1; 2; 4; 6; 8; 10 (а, - шаг установки стержней в горизонтальной плоскости, с1- диаметр стержней). После выявления оптимальных условий размещения арматуры в горизонтальной плоскости проводились опыты по определению наиболее эффективного расположения арматуры по глубине h. Стержни укладывались на глубине hi/b, равной 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1,0 и 1,5, от плоскости штампа. Нагрузка на штамп передавалась ступенями по 10 кПа и доходила до 80 кПа. После каждой ступени загрузки измерялась осадка. После завершения опыта фиксировалась картина деформаций с помощью прослоек цветного песка. Измерение напряжений в грунте при испытании основания, армированного стержнями, не проводилось. Основными критериями, характеризующими работу армированного грунта, были назначены коэффициент постели cz= p/s (р - среднее контактное давление по подошве штампа, s - средняя осадка штампа) и зона активного развития деформаций внутри грунтового массива.
В результате испытаний основания, армированного отдельными металлическими стержнями, было установлено, что коэффициент постели с уменьшается с увеличением a/d и h/b (максимальное значение с = 6,244 Н/м достигнуто при a=d и /г, / -0,1). При 6 aj/d 10 работа арматуры становится малоэффективной, а при a(/d 10 практически не влияет на работу основания. Выявлена нелинейная зависимость коэффициента постели cz от глубины заложения армирования. При /?, / Ь (0,6-0,8) с2 возрастает незначительно и тем больше, чем меньше расстояние между стержнями. При 0,2 h/b 0,6 коэффициент постели возрастает практически линейно, а при 0 /г, / Ь 0,2 практически не изменяется. Исследования основания, армированного отдельными металлическими стержнями, проводились с гибким, жестким и составным штампами. Опыты с геотекстильными материалами ("Дорнит Ф-2" и клеенка) проводились только для случая армирования контактного слоя. Армирующая прослойка укладывалась на глубине 1,5 см. Сверху на нее отсыпался с уплотнением слой песка. В этих испытаниях проводились измерения контактных напряжений и растягивающих напряжений в арматуре. В качестве мес- сдоз использовались миниатюрные датчики давления мембранного типа диаметром 10 мм, разработанные на кафедре ОФиМ ПГТУ. Во всех опытах предельной считалась нагрузка, при которой происходило выдавливание армирующей прослойки на поверхность грунта. Более высокая жесткость основания получена при армировании геотекстильным нетканым материалом "Дор- нит Ф-2", имеющим наибольший коэффициент трения 0,56 и модуль упругости Еа-5,0 МПа, минимальная жесткость - при армировании отдельными металлическими стержнями, имеющими наибольший модуль упругости Еа= 60000,0 МПа и минимальный коэффициент трения "грунт-арматура". Максимальные значения с2 получены в случае жесткого штампа, минимальные - для гибкого штампа. Основные выводы по модельным исследованиям, приведенные в работе Л.М. Тимофеевой [76], следующие: 1. Устройство армирующих прослоек в верхнем слое основания приводит к повышению жесткости, несущей способности и распределительных свойств основания. 2. При прочих равных условиях наиболее эффективной является работа арматуры, имеющей более высокий коэффициент трения по грунту и достаточно гибкой, чтобы обеспечить взаимодействие с окружающим грунтом. 3. Максимальная жесткость основания достигается при расположении армирующей прослойки на расстоянии (0,2-0,4)6 от подошвы фундамента. Максимальная несущая способность - при глубине не более 0,3Ъ. 4. Активная зона работы арматуры зависит от жесткости фундамента и от его размеров. Армирующие элементы должны иметь свободную длину за пределами фундамента не менее длины волны изгиба упругой балки и не менее ширины фундамента.
Приборы, оборудование и характеристики грунтовых оснований
Опыты проводились до достижения осадки штампа 20 мм или до нагрузки 500 кПа. Из приведенных данных видно, что при нагрузке до 200 кПа, т.е. до осадки примерно 3,0 мм, осадка неармированного основания меньше, чем армогрунтовых оснований, это, по-видимому объясняется относительно высокой сжимаемостью самих армирующих прослоек. Поведение графиков армогрунтовых оснований и неармированного основания значительно различается. Однослойные армированные основания имеют линейную зависимость "осадка-нагрузка" до нагрузки 300 кПа, а двухслойные - до 400 кПа. Несущая способность оснований, армированных стеклотканью, выше, чем армированных НСМ. Линейная часть графика "осадка-нагрузка" для армированных оснований в З-т-4,5 раза больше, чем для неармированного. Для двухслойных оснований не была достигнута осадка 20 мм, поэтому значения несущей способности были получены путем экстраполяции.
На рис.2.4 приведены графики зависимости "осадка-нагрузка" армированных оснований при тугопластичной консистенции грунта (/=0,4). Опыты проводились до достижения осадки штампа 25 мм. Поведение графиков примерно такое же, как и в грунте полутвердой консистенции. Однослойные армированные основания имеют линейную зависимость "осадка-нагрузка" до нагрузки 200 кПа, а двухслойные - до 300 кПа.
Графики зависимости "осадка-нагрузка" армированных оснований при мягкопластичной консистенции грунта (/=0,6) приведены на рис.2.5. Общий вид графиков аналогичен предыдущим случаям. Однослойные армированные основания имеют линейную зависимость "осадка-нагрузка" до нагрузки 125 кПа, а двухслойные - до 200 кПа.
Поведение графиков зависимости "осадка-нагрузка" армированных оснований при текучей консистенции грунта (/=0,8), приведенных на рис.2.6., имеет некоторые отличия от результатов предыдущих опытов. Несущая способность оснований, армированных стеклотканью, оказалась меньше, чем оснований, армированных нетканым синтетическим материалом. Это может объясняться уменьшением коэффициента трения стеклоткани о грунт в уело- виях высокой влажности и эффективным удалением воды из активной зоны под штампом НСМ, т.к. он имеет высокую фильтрующую способность.
Для определения зависимости осадки штампа от показателя текучести 1ь при различных нагрузках построены графики, приведенные на рис. 2.7-2.8. На рис.2.7 приведен график зависимости осадки штампа от показателя текучести 1 при нагрузке 50 кПа. Анализ этого графика показывает, что поведение армированных и неармированных оснований различается. При этой нагрузке зависимость осадки от для армированных оснований носит практически линейный характер, а для неармированного основания явно нелинейный характер с резким спадом при показателе текучести более 0,6. При небольших осадках (до 5 мм) армирование не оказывает существенного влияния на осадку штампа. При той же самой нагрузке 50 кПа, но при показателе текучести грунта Д 0,6, когда осадки штампа превышают 5 мм, наблюдаются значительные расхождения в поведении армированных и неармированных оснований. Армированные основания имеют существенно меньшую осадку, чем неармированные, причем основания с армирующей прослойкой из НСМ имеют значения осадки меньше, чем армированные стеклотканью.
При возрастании нагрузки до 100 кПа характер поведения зависимости осадки штампа от показателя текучести значительно изменяется (см. рис. 2.8). Анализ графика, приведенного на рис. 2.8, показывает, что при нагрузке 100 кПа зависимость осадки от показателя текучести для армированных оснований сохраняет линейный характер только до значения / = 0,6. Осадки штампа на армированных основаниях существенно ниже, чем на неармированных основаниях, кроме значений при показателе текучести Д = 0,2, где осадка неармированных оснований немного меньше, чем армированных. Конструкция армированных оснований и тип армирующей прослойки при 11 0,4 практически не влияют на осадку штампа. При показателе текучести 0,4 Д 0,62 основания, армированные прослойкой из стеклоткани, имеют меньшую осадку по сравнению с аналогичными основаниями, армированными НСМ. Но при Д 0,62 характер поведения зависимости осадки от показа теля текучести изменяется: основания армированные нетканым синтетическим материалом, имеют меньшую осадку по сравнению с аналогичными основаниями, армированными стеклотканью.
Для более точного и полного сравнения результатов экспериментов все данные были сведены в таблице 2.5. Для оценки несущей способности армированных оснований был введен коэффициент влияния армирования Харм равный отношению несущей способности армированного основания к несущей способности неармированного. Для сравнения результатов опытов была найдена условная несущая способность при осадке 10 и 20 мм.
Исследование влияния параметров армирования на расчетное сопротивление армированного основания
Исследования, приведенные во второй главе, показали, что основные преимущества армированных оснований проявляются при переходе их из упругой в упругопластическую стадию работы. Существующие аналитические методы расчета не позволяют достаточно точно прогнозировать несущую способность и осадки армированных оснований на этой стадии работы. Для более точного прогноза в случае значительных осадок при переходе системы в упругопластическую стадию работы необходимо решать нелинейную задачу с использованием методов расчета, позволяющих учитывать пластический характер работы грунта. Анализ существующих методов расчета, приведенный в первой главе, показал, что наиболее распространенным и позволяющим решать задачи по определению несущей способности и осадок армог- рунтовых оснований является метод конечных элементов (МКЭ). Одним из самых распространенных и имеющих широкие возможности по расчету армированных оснований является пакет прикладных программ PLAXIS, который позволяет определить осадку и несущую способность фундаментов, а также прогнозировать напряженно-деформированное состояния активной зоны основания.
При решении задач, связанных с определением несущей способности армированных оснований, МКЭ дает возможность моделирования работы системы "основание-фундамент" с учетом многих факторов. Метод конечных элементов позволяет учитывать: природное напряженное состояние; сложные напластования грунтов; изменение деформационных и прочностных свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений; по- стадийное приложение внешних нагрузок на исследуемый объект. Кроме того, МКЭ позволяет производить одновременный расчет по двум предельным состояниям с учетом совместной работы системы "основание-фундамент", расчет напряженно деформированного состояния грунтов с выявлением зон развития пластических деформаций.
Реализация задачи по определению осадок и несущей способности фундаментов на армированных основаниях, а также прогноз напряженно- деформированного состояния активной зоны были выполнены с помощью пакета прикладных программ РЬАХК. Подробное описание программы РЬАХ18 приведено в работах [64, 146]. Основные допущения и возможности, положенные в основу расчета по программе РЬАХ18: - исследуемая область дискретизируется 15-узловыми треугольными элементами, которые обеспечивают кубическое распределение напряжений и деформаций в пределах каждого элемента; - для моделирования работы системы "фундамент-основание" на участках контакта вводятся специальные "поверхностные" (контактные) элементы, позволяющие более реально отразить действительное состояние системы на различных этапах нагружения; - для моделирования работы подпорных стен, шпунтовых ограждений, оболочек тоннелей и пластин используются специальные линейные элементы, работа которых учитывает действующие изгибающие моменты и реальную нормальную и изгибную жесткости, что позволяет рассматривать работу рам и балок на упругом основании; - для моделирования грунтовых анкеров используются специальные упругопластические элементы, которые определяются, исходя из действующей максимальной силы на выдергивание и нормальной жесткости элемента; - в программе заложены возможности по расчету геотекстильных элементов, которые в современной практике строительства используются для укрепления грунтовых оснований и обеспечения устойчивости откосов дамб и подпорных стенок. Геотекстильный материал моделируется с помощью специальных элементов, испытывающих растягивающие напряжения; - для анализа консолидации грунтового основания РЬАХ1Б позволяет задать существующее избыточное поровое давление в грунте, уровень грунтовых вод, водопроницаемость грунта, дренирующие свойства материалов. В программе РЬАХ18 заложено несколько моделей грунта: упругая модель грунта, модели Рейсса-Прандтля, Мора-Кулона, "продвинутая" Мора- Кулона, модель слабого грунта, модель скального грунта и РЬАХГЭ-Кап модель. При расчете программа может автоматически выбирать величину шага загружения, что особенно удобно при расчетах в пластической стадии работы. Для точного вычисления потери несущей способности грунта возможно самостоятельно задавать пошаговое загружение. Во всех расчетах вводятся коэффициенты запасов прочности и устойчивости исследуемых материалов. В программе заложена функция стадийного загружения и разгрузки грунтового основания, что позволяет реально моделировать строительные процессы, связанные с земляными работами, возведением зданий и их реконструкцией. В программе РЬАХ18 заложены и более сложные модели грунта, обеспечивающие еще большую точность расчета, однако такие модели требуют более широкого спектра вводимых исходных данных, получение которых часто представляет достаточно сложную задачу.
Порядок проектирования фундаментов на армированных основаниях
Для армирования оснований в настоящее время применяются в основном, как уже указывалось в первой главе, геотекстильные материалы и георешетки. Для их производства используется несколько видов синтетических материалов, имеющих различные свойства, которые обязательно необходимо учитывать при проектировании армированных оснований. Геотекстильные материалы бывают ткаными и неткаными. Более высокими прочностными и жесткостными характеристиками обладают тканые материалы, поэтому они более подходят для армирования грунтов. Для армирования грунтов реко мендуется применять тканые геотекстильные материалы и георешетки, причем георешетки применяются в основном для армирования крупнозернистых грунтов (песок, песчано-гравийная смесь и т.д.). Тканый материал производится путем упорядоченного переплетения нитей. В качестве нитей могут использоваться: пряжа - скрученная из нескольких волокон нить; моноволокно и узкие ленты. При использовании в ткани нитей из нескольких полимеров могут изготавливаться, геотекстили с различными заданными свойствами. Тканый материал водопроницаем и имеет хорошее сцепление с грунтом.
Для производства геотекстилей используются в основном следующие полимеры: полиэфир (полиэстер), полипропилен, полиэтилен, полиамид (нейлон), поливинилхлорид. Некоторые характерные свойства этих полимеров представлены в таблице 4.3.
В процессе эксплуатации геотекстильные материалы подвергаются воздействию различных видов агрессии, поэтому обязательно должны учитываться показатели, определяющие долговечность геосинтетических материалов. К ним относятся: теплостойкость, биостойкость, химическая стой кость, стойкость к ультрафиолетовым лучам, водостойкость (гидролиз) и т.д. Кроме того, для материалов, подверженных постоянно действующим растягивающим напряжениям, наиболее важной характеристикой является ползучесть.
Наиболее высокими прочностными и деформативными характеристиками обладают материалы из полиэфира. Полиэфир обладает незначительной ползучестью, высокой стойкостью к воздействию микроорганизмов, ультрафиолетовых лучей и повышенной температуры. Он имеет неплохую стойкость к воздействию слабых кислот, щелочей и гидролизу. Поэтому при армировании оснований предпочтительно использовать материалы из полиэфира. Но следует обратить внимание, что полиэфир имеет плохую устойчивость к воздействию концентрированных щелочей, поэтому следует осторожно подходить к его использованию при возможном взаимодействии с цементом или известью. В армированных основаниях не рекомендуется использовать материалы из полипропилена и полиэтилена из-за их высокой ползучести. Материалы из полиамида получили ограниченное применение при армировании оснований из-за склонности к гидролизу (реакция с водой), особенно при температурах более 80С.
Кроме полимеров в тканых геотекстилях применяется стекловолокно. Стеклоткани имеют хорошие прочностные характеристики и высокую долговечность, но их применение сдерживается рядом трудностей технологического характера (небольшая ширина полотен, сложность соединения и т.д.).
Подход к проектированию фундаментов на армированном основании в основном такой же, что и для обычных фундаментов мелкого заложения, но имеет ряд особенностей, связанных с наличием армирующей прослойки. На работу армирующей прослойки оказывают влияние несколько факторов: расстояние от подошвы фундамента до армирующей прослойки; прочность арматуры на разрыв; трение арматуры с грунтом; величина заделки арматуры в грунте. В общем случае, как об этом говорилось в первой главе, потеря устойчивости армированного основания из-за отказа армирующей прослойки может происходить по нескольким схемам: 1) разрушение армирующей прослойки; 2) проскальзывание (сдвиг) грунта по арматуре при недостаточном их взаимном трении; 3) смещение армирующей прослойки вместе с грунтом при недостаточной ее анкеровке в грунте. Реализация той или иной схемы зависит от нескольких факторов, влияющих на работу армированных оснований. Для предотвращения разрушения обычно достаточно соблюдать некоторые рекомендации при конструировании армированных оснований. Частично эти вопросы были освещены в третьей главе. Правильный подбор армирующего материала позволяет обеспечить прочность и достаточное трение для совместной работы арматуры и грунта. Более подробно этот вопрос освещен в разделе 4.3.
