Содержание к диссертации
Введение
Переменные расчетные параметры .
Формулировка цели и постановка задач
Особенности технологии устройства, работы и расчета несущей способности щелевых фундаментов в связных грунтах
Определение интервалов изменения численных значений переменных расчетных параметров, используемых при расчете несущей способности оснований щелевых фундаментов
Постановка задачи о несущей способности щелевого фундамента 12
Глава II. Расчет несущей способности щелевого фундамента на основе анализа напряженного состояния грунта в основании его подошвы методом комплексных потенциалов и экспериментальных данных 27
2.1. Некоторые сведения о методе комплексных потенциалов. Отображающая функция 27
2.2. Определение коэффициентов отображающей
функции 33
2.3. Компьютерное моделирование процесса зарождения и развития областей пластических деформаций в основании под подошвой щелевого фундамента 48
2.4. Инженерный метод расчета несущей способности основания щелевого фундамента 60
Выводы по главе II 65
Глава III. Определение несущей способности однородного основания двухщелевого фундамента
3.1. Математический инструментарий исследований, описание и характеристики механико-математической модели и расчетных конечно-элементных схем для проведения компьютерного моделирования процесса образования и развития областей пластических деформаций 67
3.2. Анализ напряженного состояния однородного основания двухщелевого фундамента
3.3. Анализ процесса развития областей пластических деформаций в однородном основании двухщелевого фундамента 77
3.4. Инженерный метод расчета несущей способности однородного основания двухщелевого фундамента 83
Выводы по главе III 96
Глава IV. Экспериментальные исследования процесса зарождения областей пластических деформаций в основании щелевого фундамента на моделях из эквивалентных материалов 98
4.1. Требования, предъявляемые к эквивалентному материалу, и определение его физико-механических свойств 99
4.2. Экспериментальное определение первой критической нагрузки для модели щелевого фундамента 103
Основные выводы 114
Список использованной литературы
- Особенности технологии устройства, работы и расчета несущей способности щелевых фундаментов в связных грунтах
- Компьютерное моделирование процесса зарождения и развития областей пластических деформаций в основании под подошвой щелевого фундамента
- Анализ напряженного состояния однородного основания двухщелевого фундамента
- Экспериментальное определение первой критической нагрузки для модели щелевого фундамента
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Несущая способность основания щелевого фундамента складывается из несущей способности по его подошве и по его боковой поверхности. Кроме сил сопротивления, обусловленных внутренним трением и сцеплением грунта, по боковой поверхности и по подошве фундамента действуют дополнительные силы сопротивления, возникающие за счет: проникновения водно-коллоидного цементного раствора вглубь грунта и последующего его твердения с образованием тонкого грунтово-цементного слоя с кристаллическими связями; расширения бетона, содержащего расширяющийся портландцемент, при твердении. Необходимость учета этих сил, делает задачу о совершенствовании методов расчета несущей способности оснований щелевых фундаментов актуальной.
Цель диссертационного исследования сформулирована следующим образом:
Разработать инженерный метод расчета несущей способности щелевого фундамента, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива методами теории функций комплексного переменного и конечных элементов и экспериментального определения суммарных сил трения и сцепления между боковой поверхностью фундамента и вмещающим массивом грунта непосредственно на строительной площадке в реальных инженерно-геологических условиях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ существующих методов расчета несущей способности основания щелевых фундаментов и технической литературы, на основе которого определить интервалы изменения переменных расчетных параметров для проведения численного эксперимента.
-
Разработать механико-математическую модель и определить численные значения коэффициентов отображающей функции, обеспечивающие конформное отображение полуплоскости с вырезом при заранее заданных величинах отношения ширины его основания к глубине (2b/h).
-
Провести компьютерное моделирование процесса образования и развития областей пластических деформаций под подошвой щелевого фундамента, по результатам которого получить графические зависимости и их аналитические аппроксимации, позволяющие определять величину расчетного сопротивления и предельно допустимую нагрузку при условии учета только подошвы фундамента. Разработать компьютерную программу-калькулятор для автоматизации этого процесса.
-
Разработать и получить охранный документ на полезную модель устройства для определения в полевых условиях суммарных сил трения и сцепления, действующих по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента - грунтовый массив».
-
Разработать механико-математическую модель и провести компьютерное моделирование процесса трансформации напряженного состояния и образования и развития областей пластических деформаций в основании двух щелевого фундамента методом конечных элементов. Получить графические и аналитические зависимости размеров ОПД от физико-механических свойств грунта, размеров фундамента и интенсивности внешнего воздействия. Предложить инженерный метод расчета несущей способности двух щелевого фундамента, формализовав его в компьютерную программу – калькулятор.
-
Провести экспериментальные исследования процесса образования и развития областей пластических деформаций под подошвой щелевого фундамента, а полученные результаты сопоставить с результатами аналитических исследований.
-
Осуществить внедрение результатов диссертационного исследования в строительную практику.
Достоверность результатов диссертационного исследования, его выводов и рекомендаций обоснованы:
-
Рабочими гипотезами, опирающимися на фундаментальные положения линейной теории упругости (методы теории функций комплексного переменного и конечных элементов), теории пластичности, инженерной геологии, грунтоведения и механики грунтов;
-
Использованием в качестве инструментария при теоретических исследованиях верифицированных компьютерных программ, зарегистрированных в государственном реестре программного обеспечения;
-
Удовлетворительной сходимостью результатов экспериментов по определению критических нагрузок для моделей оснований щелевых фундаментов, выполненных из эквивалентных материалов, с результатами сопоставительных расчетов реальных грунтовых массивов при адекватных значениях коэффициента бокового давления грунта с поведением этих объектов в природе.
-
Патентом РФ на полезную модель.
-
Результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в строительную практику.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что
- установлены и изучены закономерности трансформирования полей напряжений и протекания процесса зарождения и развития областей пластических деформаций под подошвой и по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента – грунт» в процессе нагружения фундамента вплоть до достижения критических нагрузок;
- построены графические зависимости размеров (глубины развития под подошву и вверх по контакту «фундамент – грунт») областей пластических деформаций от величины интенсивности внешнего воздействия для всех рассмотренных в диссертации численных значениях переменных расчетных параметров для двухщелевого фундамента; аналитические аппроксимации этих зависимостей составили базу данных компьютерной программы-калькулятора для расчета несущей способности двухщелевого фундамента;
- для определения несущей способности по подошве щелевого фундамента использованы методы теории функций комплексного переменного, позволившие полностью исключить из рассмотрения боковую поверхность щелевого фундамента;
- для определения несущей способности боковой поверхности щелевого фундамента разработана и запатентована полезная модель устройства для определения суммарных сил трения и сцепления, возникающих по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента – грунт» при бетонировании враспор без опалубки;
- разработан инженерный метод расчета несущей способности основания щелевого фундамента, основанный на использовании запатентованного устройства и компьютерной программы-калькулятора для расчета несущей способности по подошве щелевого фундамента;
Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проводимых на кафедрах «Прикладная математика и вычислительная техника» и «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2010-2013 г.г.
Полученные при работе над диссертацией результаты могут быть использованы для:
расчета величины несущей способности основания щелевого фундамента при широком диапазоне изменения численных значений переменных расчетных параметров, включающих геометрические размеры фундамента и физико-механические характеристики грунтов основания;
экспериментального определения непосредственно на строительной площадке суммарных сил трения и сцепления, возникающих по его боковой поверхности при бетонировании тела фундамента враспор без опалубки;
расчета несущей способности основания двухщелевого фундамента при различных значениях его геометрических размеров и физико-механических характеристиках вмещающего грунтового массива;
предварительной оценке несущей способности оснований щелевых фундаментов на стадии предварительного проектирования;
оценки возможной погрешности расчетов несущей способности по боковой поверхности щелевого фундамента известными методами при помощи запатентованного автором устройства.
Апробация работы. Основные результаты выполненных автором диссертационной работы исследований доложены, обсуждены и опубликованы в материалах: ежегодных научно-технических конференций преподавателей, аспирантов и студентов Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, ВолгГАСУ, 2010-2013 г.г.), Всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, ЮРГТУ-НПИ, 2012 г.); III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, ВолгГАСУ, 2012 г.); Всеукраинского научно-практического семинара с участием иностранных специалистов «Современные проблемы геотехники» (Украина, Полтава, ПНТУ им. Ю.Кондратюка, 2012 г.); на научных семинарах кафедр «Прикладная математика и вычислительная техника» и «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ (Волгоград, ВолгГАСУ, 2010-2013 г.г.).
Личный вклад автора заключается в:
разработке и составлении механико-математических моделей и расчетных схем методов теории функций комплексного переменного и МКЭ исследуемых объектов (коэффициенты отображающей функции, граничные условия, размеры, вид, степень дискретизации);
проведении, компьютерного моделирования процессов образования и развития областей пластических деформаций в основаниях щелевого и двухщелевого фундаментов, обработке, анализе и систематизации полученных результатов, построении графических зависимостей и их аналитическом описании;
проведении патентного поиска, анализе его результатов, разработке полезной модели и ее патентовании;
разработке инженерных методов расчета несущей способности щелевого и двухщелевого фундаментов;
формировании баз данных и разработке компьютерных программ-калькуляторов, предназначенных для оценки несущей способности щелевых фундаментов;
внедрении результатов диссертационной работы в строительную практику на стадии проектирования.
На защиту выносятся:
-
Механико-математические модели и расчетные схемы методов теории функций комплексного переменного и метода конечных элементов исследуемых объектов.
-
Установленные закономерности протекания процесса образования и развития областей пластических деформаций под подошвами и по боковой поверхности щелевых фундаментов.
-
Прием исключения из рассмотрения боковой поверхности щелевого фундамента на основе использования методов теории функций комплексного переменного.
-
Полезная модель устройства для определения суммарных сил трения и сцепления, возникающих по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента – грунт» при бетонировании враспор без опалубки;
-
Инженерный метод расчета несущей способности щелевого фундамента и компьютерная программа-калькулятор для определения несущей способности по его боковой поверхности.
-
Инженерный метод расчета несущей способности двухщелевого фундамента и формализующая его компьютерная программа-кулькулятор.
-
Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.
Результаты научных исследований внедрены:
- при определении несущей способности основания монолитных фундаментов, выполненных враспор грунта на объекте: «Здание столовой по ул. Баррикадной, дом 11, в р.п. Красные Баррикады Икрянинского района Астраханской области» в ООО НПФ Инженерный центр «ЮГСТРОЙ».
- при разработке проектов и строительстве подземной части зданий и сооружений, возводимых по технологии «стена в грунте», в частности: при проектировании административного комплекса «Бизнес-парк» в городе Перми, ограждения береговой зоны искусственного острова в акватории р. Камы (Пермский край).
- в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных статьях, их них две в ведущих рецензируемых научных изданиях и 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы из 113 наименований и приложений. Общий объем работы - 164 страницы машинописного текста, в том числе 114 страниц основного текста, содержащего 145 иллюстрации и 14 таблиц.
Особенности технологии устройства, работы и расчета несущей способности щелевых фундаментов в связных грунтах
Обычно разработка котлованов и траншей под столбчатые и ленточные сборные фундаменты осуществляется экскаватором с последующей ручной зачисткой дна и боковых поверхностей. Поэтому у этих фундаментов расчетная полезная нагрузка предается на грунтовое основание только через их подошву. Сопротивление грунта обратной засыпки в расчете не учитывается.
Напротив, в грунтах естественного сложения, особенно маловлажных связных грунтах, весьма перспективным является применение монолитных щелевых фундаментов с развитой боковой рабочей поверхностью. При устройстве таких фундаментов отпадает необходимость осуществлять обратную засыпку траншей и котлованов, что позволяет обеспечить возникновение существенных по величине сил трения и сцепления между грунтовым массивом, что не возможно при устройстве обычных фундаментов в открытых котлованах.
Высокую эффективность применения показывают щелевые фундаменты, представляющие собой одну или систему параллельных узких щелей в грунте, заполненных в распор бетоном, которые объединены ростверком в общий фундамент для восприятия нагрузки от надземной части здания. Устройство щелей может быть осуществлено при помощи нарезки их буром или щелерезом, а в случае большой глубины щелевого фундамента, он может быть устроен методом «стена в грунте» [73; 86].
Внешняя нагрузка передается на грунтовое основание по боковой поверхности щелевого фундамента, по подошве и по подошве плиты ростверка, если таковая имеется.
В случае объединения в единый фундамент двух или более щелевых, в работу включается и заключенный между стенами массив грунта, за счет чего нагрузка предается в плоскости на уровне нижних торцов стенок.
Несущая способность такого фундамента существенно зависит от расстояния между стенками. При этом заключенный между стенками грунт, сами стенки и ростверк в совокупности могут быть рассмотрены как бетонно-грунтовый фундамент на естественном основании, высота которого равна высоте стенок. Если какая-либо часть внешней нагрузки передается наружными стенками, то это обстоятельство приводит к увеличению ширины условного бетонно-грунтового фундамента, передающего нагрузки на грунты основания.
Особо следует остановиться на вопросе передачи нагрузки по боковой поверхности изолированного щелевого фундамента. В работе [69] сказано, что щелевые фундаменты по несущей способности грунтов основания следует рассчитывать на основе выражения N Fdlyk, (1.1) где: Fd - несущая способность грунта основания; у =1,2, если несущая способность фундамента определяется по результатам полевых испытаний в соответствии с ГОСТ [32] и у =1,4, если несущая способность определяется расчетом; N - расчетная нагрузка, передаваемая на фундамент, кН. Несущую способность щелевого фундамента (ЩФ) прямоугольного поперечного сечения, работающего на центральную осевую сжимающую нагрузку и опирающегося на сжимаемое основание, в случае, если его боковая поверхность пересекает несколько параллельных слоев грунта основания, допускается определять по формуле: где: ус=1 - коэффициент условий работы фундамента; усг - коэффициент условий работы фунта под подошвой фундамента, принимающий значения 1,0; 0,9; 0,4 при разработке траншеи ковшом «обратная лопата» насухо, при разработке траншеи плоским грерї рерньїм ковшом насухо или под глинистым раствором с удалением шлама со дна траншеи, и при разработке траншеи плоским фейферным ковшом под глинистым раствором без удаления шлама со дна траншеи соответственно; R - расчетное сопротивление фунта под подошвой фундамента, (кПа), принимаемое по таблице № 3.1 (стр. 63 [69]); А - площадь подошвы фундамента, (м ); U — периметр фундамента, (м); yct -коэффициент условий работы фунта по боковой поверхности фундамента, принимающий значения 0,8; 0,7 и 0,6 при бетонировании траншеи насухо в суглинках, глинах и при бетонировании траншеи под защитой глинистого раствора для всех грунтов соответственно, либо уточняется опытным путем; /І - расчетное сопротивление г -го слоя фунта по боковой поверхности щелевого фундамента, (кПа), принимаемое по таблице № 3.2 (стр. 63 [69]), но не более бОкПа; h\ — толщина г -го слоя фунта, соприкасающегося с боковой поверхностью щелевого фундамента, (м).
Аналогичные формулы и таблицы приведены и в документах [87;98], разработанным в НИИОСП им. Н.М.Герсеванова. Сама формула (1.2) выглядит убедительно и ее использование вполне логично. Из этой формулы видно, что полезная нагрузка, передаваемая щелевым фундаментом на основание, делится на две части: первая часть передается через подошву фундамента, а вторая - через его боковую поверхность. В специальной и нормативной литературе [69;75;98] приводятся данные о долевом распределении несущей способности щелевых фундаментов по их подошве и боковой поверхности.
Компьютерное моделирование процесса зарождения и развития областей пластических деформаций в основании под подошвой щелевого фундамента
Вернувшись к рассмотрению рис. 2.6, видим, что предлагаемый прием дает адекватные результаты: изолинии нормальных az и ах напряжений на некотором удалении от выреза становятся параллельными дневной поверхности грунтового массива; отношение численных значений этих напряжений в соответствующих точках, приблизительно, как это и должно быть, равно величине коэффициента бокового давления грунта {aJoz «, =0,75); изолинии касательных напряжений тгх имеют классическую форму «бабочки», их численные значения в точках, лежащих на оси симметрии расчетной схемы, равны нулю.
Компьютерное моделирование процесса зарождения и развития областей пластических деформаций в основании под подошвой щелевого фундамента
До начала проведения исследования рассмотрены многочисленные литературные источники, в частности, работы [49-51; 1; 88-89], и по приведенным в них данным установлено, что глубина заложения щелевых фундаментов может изменяться в интервале 2м h 43м, а наиболее характерными значениями отношения ширины щелевого фундамента к глубине его заложения являются 2Mz=0,03;0,13;0,27;0,4.
Согласно данным, приведенным в первой главе диссертационной работы, которые основаны на результатах анализа нормативной документации и литературных источников [47; 82], прочностные характеристики связного грунта изменяются в следующих пределах: угол внутреннего трения р є [7 -30 j, а удельное сцепление С є [9-8і]кПа.
Учитывая эти обстоятельства, получилось, что величина приведенного давления связности, вычисляемого по формуле от - C(yhtg(p) \ изменяется в интервале ссв = [0,02 -16,5].
Для того, чтобы отображающая функция (2.5) обеспечивала получение математической модели основания щелевого фундамента с широким спектром численного значения отношения ширины фундамента к глубине его заложения 2b/h, будем использовать численные значения коэффициентов отображающей функции (2.6), приведенные в таблице № 2.5.
Расчеты по определению величины расчетного сопротивления основания щелевого фундамента выполнены при помощи компьютерных программ ASV32 и «Устойчивость. (Напряженно-деформированное состояние)» [16; 95], разработанных в Волгоградском государственном
Области пластических деформаций в основании щелевого фундамента при зарождении (а), развитии (б) и в момент достижения предельно допустимой нагрузки (смыкание ОПД) (в) архитектурно-строительном университете, для всех возможных сочетаний численных значений переменных расчетных параметров 2b/h, осв и ф. На рис. 2.10 в качестве примера приведены области пластических деформаций в основании щелевого фундамента при их зарождении, развитии и в момент достижения предельно допустимой нагрузки (смыкание ОПД).
На рис. 2.11 приведены, как наиболее наглядные, графические зависимости вида AZ=J[q) при величине приведенного давления связности т„ =16,5, где величины AZ и q измеряются соответственно в долях h и }h. Для всех остальных значений переменных расчетных параметров также построены соответствующие кривые, которые выглядят аналогичным образом. Ввиду ограниченности объема диссертационной работы некоторая их часть приведена в приложении.
На этих графиках минимальные значения интенсивности внешнего воздействия qmin, соответствуют моменту времени, когда под краями щелевого фундамента визуально наблюдается появление точек, в которых наступило предельное состояние грунта в активной зоне фундамента (см. рис. 2.10а).
Максимальное значение нагрузки qmax соответствует моменту времени, когда произошло смыкание образовавшихся с обеих сторон от фундамента областей пластических деформаций. То есть, величину qmin и qmax можно рассматривать как первую критическую и предельно допустимую нагрузки.
Еще раз отметим, что при построении упомянутых выше графических зависимостей не учтены суммарные силы трения и сцепления, действующие по боковой поверхности фундамента, которые в зависимости от его глубины заложения могуі достигать весьма существенных значений и обеспечивать от 10 до 50% и более несущей способности основания [17].
Для определения этих сил нами разработано и запатентовано устройство, описание которого будет приведено ниже. Анализируя кривые, приведенные на рис. 2.11, можно легко увидеть, что они практически со 100% степенью точности аппроксимируются кусочно-линейной функцией на интервалах AZe[0;b/16], AZe [b/16;b/4J и от &Z = b/4 до глубины, соответствующей смыканию областей пластических деформаций. На каждом из этих интервалов уравнение прямой AZ=f(q) может быть записано в следующем виде AZ = Aq-B, (2.11) где: А; В -безразмерные коэффициенты; q - величина безразмерной (в долях yh) интенсивности равномерной равномерно распределенной нагрузки и AZ -глубина (в долях h) развития областей пластических деформаций. Ниже на рис. 2.12-2.14 приведены кривые, позволяющие с погрешностью от 0 до 3,7% определить численные значения коэффициентов А и В для всех возможных сочетаний переменных расчетных параметров, рассмотренных в настоящей работе.
На рисунках также приведены аналитические выражения, по которым искомые коэффициенты А и В могут быть легко вычислены с погрешностью, не превышающей указанной выше.
Анализ напряженного состояния однородного основания двухщелевого фундамента
В качестве основных инструментов при проведении численного эксперимента по моделированию процесса образования и развития областей пластических деформаций в основании двух щелевого фундамента используется разработанная в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете под руководством проф. А.Н. Богомолова компьютерная программа «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние» [95], в которой формализовано аналитическое решение первой основной граничной задачи теории упругости для весомой однородной полуплоскости с криволинейной границей [18] и метод конечных элементов (МКЭ) [61].
Эта программа, кроме всего прочего, позволяет проводить моделирование процесса распределения напряжений в активной зоне фундамента при различных численных значениях переменных расчетных параметров и проводить графические построения картин изолиний напряжений и областей пластических деформаций в основании фундамента.
На рис. 3.1 изображена половина расчетной конечно-элементной схемы двух щелевого фундамента и вмещающего грунтового массива и приведены ее основные геометрические размеры.
Принято считать [60], что граничные условия, накладываемые на конечно-элементную элементную схему, практически не влияют на распределение напряжений, если границы расчетной области удалены от исследуемого объекта не менее чем на 6 его максимальных размеров. Исходя из этого, и были назначены линейные размеры расчетной схемы МКЭ.
Граничные условия заданы следующим образом: вдоль вертикальных границ расчетной модели запрещены перемещения узлов расчетной схемы в горизонтальном направлении; вдоль нижней горизонтальной границы расчетной схемы запрещены вертикальные перемещения узлов; на перемещения других узлов расчетной схемы МКЭ ограничения не наложены.
Изображенная на рис. 3.1 расчетная схема состоит из 115200 треугольных конечных элементов, сопряженных в 58362 узлах, а ширина матрицы жесткости составляет 246. Ее линейные размеры 8bx6b, где Ъ -полуширина фундамента. На рис. 3.2 изображен фрагмент той же расчетной схемы, на котором приведены размеры двухщелевого фундамента.
Следует отметить, что использование данной расчетной схемы позволяет рассматривать двухщелевые фундаменты любого из размеров, оговоренных в главе I, что оказывается возможным в связи с достаточно большой степенью ее дискретизации.
Исходные данные, необходимые для решения рассматриваемых в диссертационной работе задач, оговорены в главе I и содержат информацию о свойствах элементов (удельный вес у, коэффициент бокового давления #, модуль деформации Еа, удельное сцепление с и угол внутреннего трения грунта ф), геометрических размерах двухщелевого фундамента, поверхностной равномерно распределенной нагрузки и граничных условиях. При этом расчетные физико-механические характеристики грунтов принимаем согласно известным резулыашм многочисленных лабораторных исследований и натурных наблюдений, выполненных различными авторами [47; 82; 83].
Согласно принятым в главе I пределам изменения численных значений переменных расчетных параметров, для достижения, поставленной в диссертационной работе цели, необходимо выполнить 1024 вычислительные операции по определению размеров областей пластических деформаций в основании двухщелевого фундамента [14].
Результатом настоящей главы должен стать инженерный метод расчета несущей способности однородного основания двухщелевого фундамента, разработанный на основе результатов анализа его напряженного состояния и процесса образования и развития областей пластических деформаций в активной зоне фундамента.
Ниже на рис. 3.3 3.5 представлены картины изолиний безразмерных (в долях у/г) трех компонент напряжения az; ax и tzx в однородном основании двухщелевых фундаментов различной ширины (2/ =0,8/г; 0,4/?; 0), имеющих одинаковую глубину заложения, в момент смыкания областей пластических деформаций, то есть в момент достижения интенсивностью внешней равномерно распределенной нагрузки своего предельно допустимого значения (или в момент потери устойчивости основанием). Отметим, что в последнем случае при L=0 (см. рис.3.2) двухщелевой фундамент вырождается в однощелевой (или просто щелевой фундамент) двойной ширины.
Экспериментальное определение первой критической нагрузки для модели щелевого фундамента
Внешние размеры формы 30x30 см, а ее ширина 3,4см. Внутренние размеры соответственно 28x28 см и 2см. Форма выполнена из оргстекла толщиной 7мм, а ее элементы скреплены между собой 13 металлическими болтами. Вставки-штампы из органического стекла, представляющие собой 105 модели щелевых фундаментов, изготовлены высотой 15см, шириной 1,2см и толщиной 2см, т.е. последний размер равен толщине изготавливаемой модели. Модели формировались с переменной глубиной выреза, чтобы можно было имитировать щелевой фундамент с величиной отношения его ширины к глубине заложения 2Mz3=0,l; 0,15; 0,2; 0,25 и 0,3.
Часть вставки-штампа, расположенная выше поверхности модели, служит для опирання динамометра ДОСМ-3-1, измеряющего величину передаваемого на модель основания усилия, создаваемого вертикально расположенным винтом.
Вся вставка-штамп перед проведением опыта тщательно смазывалась техническим вазелином для исключения влияния сил трения.
Суть эксперимента заключалась в следующем.
Из желатино-геля ХС с весовой концентрацией желатина равной 15%, 30% и 45% последовательно изготавливались четыре партии по пять моделей оснований щелевого фундамента (рис. 4.2а), с величиной отношения ширины 2&/A3=0,l;0,15; 0,2; и 0,3.
Затем эти модели нагружались через вставку-штамп вертикальной равномерно распределенной нагрузкой до того момента, пока у нижних краев вставки-штампа не начинали отчетливо проглядываться крошечные трещинки - признак начала разрушения (рис. 4.4). Соответствующие значения нагрузки фиксировалась, и принимались за величину, при которой начинают образовываться области предельного состояния в материале модели щелевого фундамента, т.е. за величину первой критической нагрузки.
Среднее арифметическое из пяти (для каждой партии моделей с одинаковым значением 2b/h3) значение q3 принималось в качестве результата эксперимента для данной партии. Таких экспериментальных значений получено пять; они представлены в таблице № 4.2.
В той же таблице приведены значения соответствующих нагрузок, полученные на основании расчета, выполненного при помощи компьютерной программы «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние», разработанной в ВолгГАСУ [95]. Отметим, что все расчеты проведены при величине коэффициента бокового давления фунта ,=0,75, что является средним значением для глинистых грунтов [25].
Графическая интерпретация экспериментальных и теоретических данных в виде зависимостей типа q3=f[2b/h3), приведенный на рис. 4.5.
Как видно из таблицы № 4.2, экспериментальные и теоретические данные отличаются друг от друга не более чем на 26%, причем, отличия тем меньше, чем меньше величина отношения 2b/h3, и чем меньше процентная концентрация желатина в моделеобразующем материале.
Последнее обстоятельство может быть объяснено тем, что при увеличении процентной концентрации желатина в моделеобразующем материале, последний приобретает механические свойства, не характерные для глинистых грунтов, например, угол внутреннего трения ф=42. А ведь выше было отмечено, что расчеты проведены при величине коэффициента бокового давления грунта ,=0,75, что является средним значением для глинистых грунтов [25].
Графические зависимости вида q,=f{2b/h,), построенные по экспериментальным и расчетным данным (помечены квадратным символом) для моделей оснований шелевого фундамента при различных значениях процентной концентрации желатина в моделеобразующем материале.
На рис. 6 представлены очертания областей пластических деформаций, полученные при помощи компьютерной программы [95] двумя из формализованных в ней подходов к определению напряжений в грунтовом массиве: при помощи приближенного аналитического решения первой основной краевой задачи теории упругости для односвязной изотропной области методами теории функций комплексного переменного [63-64] и метода конечных элементов [78; 61].
Сравнивая области пластических деформаций, построенных на основании результатов расчетов (рис. 4.6) для момента их зарождения, и ОПД для данного рассматриваемого случая, приведенные на рис. 4.6в, видим их практическую идентичность. опд- Рис. 4.6. Области пластических деформаций в основании модели щелевого фундамента, построенные по напряжениям, вычисленным при помощи МТФКП (а;б) и при помощи метода конечных элементов (в)
Следовательно, можно утверждать, что полученные экспериментальные данные с достаточной для инженерной практики степенью точности совпадают с данными, полученными расчетом. Это дает основание полагать, что разработанный в ВолгГАСУ инженерный метод расчета несущей способности щелевого фундамента может быть рекомендован для практического использования.
1. Несущая способность щелевого фундамента по грунту определяется суммой несущей способности по боковой поверхности и его подошве. Первое слагаемое определяются физико-механическими свойствами вмещающего массива грунта, гидро-геологическими условиями строительной площадки, геометрическими размерами фундамента, физико химическими свойствами бетона, степенью проникновения коллоидного водоцементного раствора в поверхностные слои грунта откосов котлована (траншеи), технологией сооружения фундамента и так далее. Второе слагаемое зависит от формы и размера подошвы и ФМСГ. Поэтому определять несущую способность по подошве фундамента можно на основе анализа НДС грунтового массива при помощи МКЭ и МТФКП, а несущую способность по боковой поверхности - путем экспериментальных исследований непосредственно на строительной площадке.
2. На основе методов теории функций комплексного переменного получены графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации, позволяющие определять несущую способность по подошве щелевого фундамента для всех возможных сочетаний численных значений переменных расчетных параметров, использованных в диссертационной работе. Эти результаты составили базу данных компьютерной программы-калькулятора, позволяющей автоматизировать процесс вычисления части несущей способности, приходящейся на подошву фундамента.
3. Разработано и запатентовано устройство, позволяющее в реальных инженерно-геологических условиях конкретной строительной площадки определять максимальные значения удельных сил трения и сцепления, действующих по боковой поверхности монолитных фундаментов, изготавливаемых без опалубки враспор грунта.
