Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ конструктивных решений фундаментов в уплотненном основании и методов их расчета на горизонтальную нагрузку 11
1.1. Особенности работы фундаментов в уплотненном основании 12
1.2. Фундаменты в вытрамбованных котлованах в промышленном строительстве 17
1.3. Существующие методы расчета горизонтально нагруженных свай 22
Выводы и постановка основных задач исследований 35
2. Исследование работы фундаментов в вытрам бованных котлованах при действии горизонтальной нагрузки 37
2.1. Численные исследования напряженно-деформированного состояния оснований горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах 37
2.2. Методика численных исследований 46
2.3. Результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния системы «горизонтально нагруженный ФВК - основание» 50
2.3.1. Оценка влияния характеристик грунта на НДС системы «фундамент - основание» 50
2.3.2. Оценка влияния на НДС глубины вытрамбованного котлована и объема втрамбованного щебня 59
2.3.3. Исследование деформационной схемы фундамента в зависимости от объема втрамбованного щебня и грунтовых условий 63
Выводы по главе 2 69
3. Экспериментальные исследования взаимодействия горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах с грунтом основания 72
3.1. Инженерно-геологические условия опытных площадок 72
3.2. Методика проведения экспериментов 74
3.3. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах с грунтом основания 82
3.4. Особенности напряженно-деформированного состояния горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах и основания 84
3.5. Оценка влияния уширенного основания на деформационную схему работы горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах 91
3.6. Сопоставление результатов расчетов по PLAXIS с данными испытаний 94
Выводы по главе 3 96
4. Расчет фундаментов в вытрамбованных котлованах на действие горизонтальной нагрузки 98
4.1. Расчетная схема и метод расчета 99
4.2. Расчет на горизонтальную нагрузку с учетом нелинейности работы грунтового основания 105
4.3. Сопоставление расчетных данных с опытными 107
Выводы по главе 4 108
5. Практическое применение результатов исследований 111
5.1. Рекомендации по проектированию горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах . 111
5.2. Внедрение результатов исследований в практику строительства ." 112
Выводы по главе 5 119
6. Общие выводы по работе 120
Список литературы 122
Приложения 140
- Фундаменты в вытрамбованных котлованах в промышленном строительстве
- Результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния системы «горизонтально нагруженный ФВК - основание»
- Методика проведения экспериментов
- Расчет на горизонтальную нагрузку с учетом нелинейности работы грунтового основания
Введение к работе
Актуальность темы. Традиционной тематикой научных исследований в области фундаментостроения в России в последние четыре десятилетия являлось свайное направление. И это было вполне оправдано, так как в большинстве регионов интенсивно развивалось строительство промышленных сооружений со значительными нагрузками на колонну, сооружались многоэтажные жилые дома, все чаще для строительства использовались площадки со сложными неблагоприятными инженерно-геологическими условиями. Все это приводило к увеличению объемов свайных фундаментов, которые в данных условиях являются наиболее надежным решением.
В последнее время произошли изменения в структуре фундаментостроения. Наметилась тенденция уменьшения объёма забивных свай, массовое применение находят фундаменты из монолитного бетона (монолитные плиты, сборные и монолитные ленточные фундаменты и т.п.). Поэтому дальнейшее развитие фундаментостроения на ближайшую перспективу будет осуществляться в направлении решения научных задач в области совершенствования конструкций фундаментов из монолитного бетона.
В фундаментостроении развиваются направления, в которых сочетаются тенденции применения монолитного бетона и искусственно улучшенного основания. В рамках этого направления разработана технология возведения фундаментов в вытрамбованных котлованах (ФВК) путём предварительного уплотнения основания в виде вытрамбовки котлованов глубиной 2-4 м с втрамбованием в основание котлована щебня и бетонирования в этом котловане фундамента.
При проектировании фундаментов каркасных зданий и сооружений возникает необходимость их расчёта на действие горизонтальной нагрузки.
Такие конструкции, как одиночные опоры под технологическое оборудование и трубопроводы, опоры стоечного типа и др., по условиям своей работы требуют точного расчета на действие горизонтальных нагрузок.
Анализ литературных источников и практический опыт проектирования и применения таких фундаментов показал, что существующие методы расчета ФВК на горизонтальную нагрузку не вполне отражают действительного характера совместной работы фундамента с грунтом основания. Отсутствуют экспериментально обоснованные предложения по расчету ФВК переменного по глубине сечения с уширенным основанием, образованным путем втрамбования в грунтовое основание щебня, а предлагаемые методы расчета дают существенные расхождения с опытными данными.
Поэтому исследование закономерностей и особенностей совместной работы фундамента с уширением и грунтов основания и разработка метода расчета несущей способности горизонтально нагруженного ФВК является актуальным.
Объект исследования — горизонтально нагруженные фундаменты в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием в глинистых грунтах.
Предмет исследования - комплексное экспериментально-теоретическое исследование НДС системы «горизонтально нагруженный ФВК с уширением - основание».
Цель работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей совместной работы горизонтально нагруженного ФВК с уширением и грунтового основания, разработка метода расчета ФВК на горизонтальную нагрузку.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
- исследовать закономерности формирования НДС системы
«горизонтально нагруженный ФВК-основание» в зависимости от объема
уширения в различных грунтовых условиях;
- с помощью численных исследований получить деформационную
схему горизонтально нагруженного ФВК и оценить влияние уширения на
величину перемещения уширенного основания фундамента при различном
объеме втрамбованного щебня;
- выполнить оценку достоверности полученных с помощью численных
исследований закономерностей НДС горизонтально нагруженных ФВК
путем сопоставления с результатами испытаний натурных фундаментов;
на основании оценки и анализа результатов численных и экспериментальных исследований натурных ФВК в полевых условиях построить расчетную схему и разработать методику расчета ФВК с уширением образованным втрамбованием щебня на горизонтальную нагрузку, в том числе с использованием статического зондирования;
осуществить внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства.
Научная новизна диссертационной работы.
Экспериментально установлены особенности формирования НДС системы «горизонтально нагруженный ФВК - основание» в зависимости от объема уширения в различных грунтовых условиях.
Получены деформационные схемы горизонтально нагруженных ФВК в зависимости от объема втрамбованного щебня и грунтовых условий и выполнена оценка влияния уширенного основания фундамента на величину перемещения.
Разработана методика расчета горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием образованным втрамбованием щебня, в т.ч. с использованием статического зондирования.
Достоверность результатов работы обеспечивается проведением экспериментальных исследований с применением современного электронного оборудования и тензометрической аппаратуры, использованием общепринятых положений теории упругости и пластичности в области механики грунтов и фундаментостроения.
Практическая значимость и реализация работы.
Практическая значимость состоит в разработке метода расчета горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием, в том числе с использованием статического зондирования.
Результаты исследований внедрены при проектировании здания «Автосалона и станции технического обслуживания автомобилей» в г.Пензе, что позволило снизить материалоемкость на 40% и уменьшить трудозатраты в 3,6 раза. Экономический эффект составил 120 тысяч рублей в базовых ценах 1991 г.
Результаты выполненных исследований были использованы при вариантном проектировании фундаментов на слабых и просадочных грунтах «Управлением научных исследований, экспертизы, планирования и внедрения» при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (СИБСТРИН). Использование предложенной методики расчета горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием позволило более точно прогнозировать несущую способность таких фундаментов и оптимизировать технические решения по их устройству.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научной конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2005); X и XI Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, УГНТУ, 2006 и 2007); Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию
«БашНИИстроя» (Уфа, 2006); Международной научно-технической конференции «Геотехнические проблемы строительства, реконструкции и восстановления надежности зданий и сооружений (Липецк, 2007); Международной конференции «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (Пермь, 2007). Личный вклад автора состоит:
в проведении численного моделирования совместной работы горизонтально нагруженного ФВК и грунтового основания и выполнении анализа полученных результатов;
в выполнении оценки достоверности полученных с помощью численных исследований закономерностей НДС горизонтально нагруженных ФВК путем сопоставления с результатами испытаний натурных фундаментов;
в проведении теоретических исследований и разработке метода расчета горизонтально нагруженных ФВК, в том числе с использованием статического зондирования.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований доктору технических наук, профессору А.Л.Готману, а также сотрудникам лаборатории исследований и расчетов фундаментов института «БашНИИстрой».
На защиту выносятся: результаты экспериментально-теоретических исследований горизонтально нагруженных ФВК с уширением в различных грунтовых условиях и метод расчёта горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием, в том числе с использованием статического зондирования.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 2-х изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и
изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и 3-х приложений. Диссертационная работа содержит 159 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 147 наименований, в т.ч. 11 на иностранном языке.
Фундаменты в вытрамбованных котлованах в промышленном строительстве
Исходя из особенностей совместной работы фундаментов и их оснований, наиболее рациональной конструкцией в технико-экономическом отношении являются фундаменты пирамидальной формой, выполняющие две функции. При забивке они уплотняют подстилающий и окружающий грунт, создавая искусственное основание, и передают на него нагрузку от здания или сооружения.
Для строительства на лессовых грунтах I типа по просадочности были разработаны фундаменты в вытрамбованных котлованах (ФВК) [46,70]. Высокая эффективность ФВК способствовала расширению их применения. ФВК нашли большое применение на грунтах II типа по просадочности, а также во всех глинистых и песчаных грунтах, в том числе и глинистых водонасыщенных. Благодаря своим высоким технико-экономическим показателям (низкой стоимости материалов, небольшим расходом арматуры, минимальным объемом земляных и опалубочных работ) в настоящее время они получили широкое распространение при строительстве зданий и сооружений различного назначения.
Наибольший вклад в изучение взаимодействия ФВК с грунтом основания внесли работы следующих ученых: Р.Р.Авазова, Б.Г.Антонюка, Ю.А.Багдасарова, А.Г.Божко, Ю.В.Власова, А.Л.Готмана, А.А.Григорян, К.М.Джумаева, Д.И.Константиновского, В.И.Крутова, И.Г.Рабиновича, В.Л.Рафальзука, Б.А.Сальникова, А.И.Филатова, В.М.Шаевича, Р.П.Эйдука, В.К.Ярутина и многих других. Опыт внедрения ФВК различными специалистами и организациями предопределил их большое разнообразие. ФВК можно подразделить следующим образом [70]: - в зависимости от способа повышения несущей способности по грунту основания: без уширенного основания; с уширенным основанием, получаемым путем втрамбования в нижнюю часть котлована порциями жесткого материала; с несущим слоем, создаваемым вытрамбовыванием нескольких котлованов вблизи друг друга; - по взаимному расположению и характеру взаимодействия с грунтом основания: отдельно стоящие, ленточные прерывистые, ленточные сплошные, ленточные арочные; - в зависимости от способа возведения: монолитные и выполняемые из сплошных и пустотелых блоков; - по глубине заложения: неглубокого заложения, у которых hK 1,5 bcp (где hK - высота фундамента, Ьср — ширина его в среднем сечении) и удлиненных, у которых hK 1,5 bcp.
Конструкции и методы возведения ФВК определяются многообразием грунтовых условий, характером приложения нагрузок на фундаменты и назначением зданий и сооружений, в которых используются ФВК.
Фундаменты в вытрамбованных котлованах и сваи в выштампованном ложе первоначально применялись при строительстве легких каркасных зданий с нагрузками на фундамент 800-1200 кН. Особенно широкое применение такие фундаменты нашли в просадочных грунтах. В настоящее время они используются при строительстве зданий и сооружений и на непросадочных маловлажных грунтах суглинках, супесях, глинах, песках, в том числе насыпных, а также в водонасыщенных глинистых грунтах.
Из зарубежного опыта можно отметить сваю системы Раймонда. Скважина образуется путем забивки или вибропогружения телескопической оболочки из тонкой жести пирамидальной формы [89]. Английская фирма Brone House применяет такие сваи малых размеров, причем бетонная смесь после укладки ее в скважину трамбуется той же трамбовкой, которой выштамповывается скважина [143].
Следующей разновидностью фундаментов являются забивные блоки. Забивные блоки сплошного сечения были разработаны НИИОСП и Рязаньгражданпроектом и применялись для объектов сельского строительства с нагрузками на фундамент до 200 кН [103]. Отличительной их особенностью является то, что они имеют обратный уклон граней - в виде пирамиды, уширенной к низу с размерами поперечного сечения 20x20/40x40 см, высотой 1,5-2 м. Целесообразная область их применения ограничивается пучинистыми грунтами, где они могут быть наиболее эффективными.
В Одессе (ОИСИ) разработаны и применялись забивные конические блоки размером сечения 0,9x0,9/0,1x0,1 м, высотой 2 м со стаканом для замоноличивания колонн [34]. Несущая способность таких фундаментов не превышает 300-500 кН. При этом вся конструкция фундамента (блока) находится в зоне сезонного промерзания, что накладывает серьезные ограничения на область их применения с точки зрения морозного пучения. Кроме того, для обеспечения установки колонны в проектное положение требуется высокая точность забивки этих блоков в плане и по высоте (±3-5см), что практически трудно обеспечить, поэтому они не нашли широкого применения.
Для распорных сооружений ЦНИИЭПсельстрой разработал забивные блоки таврового сечения, обеспечивающие повышенную несущую способность на горизонтальную нагрузку [53]. При необходимости в верхней части блока изготавливается стакан для колонны.
В дальнейшем для повышения эффективности забивных блоков их стали изготавливать пустотелыми. В ОИСИ были разработаны фундаменты из забивных пирамидальных блоков с полостью [111]. Однако ввиду их небольших размеров такие блоки нашли применение лишь в кустовых фундаментах с монолитным ростверком и их нельзя отнести к категории односвайных.
НИИОСП им.Н.М.Герсеванова и НИИСП (г.Киев) разработали фундаменты из полых забивных блоков размером сечения по верху 1,15x1,15м, по низу 0,98x0,98м, высотой 2 м и толщиной стенок 200 мм [73]. Такие блоки предназначены для использования в качестве фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений. Забивка их осуществляется молотом копра, а в полость устанавливается колонна. Несущая способность таких фундаментов достигает 1000 кН. В порядке развития и совершенствования этой конструкции авторы разработали ряд решений, обеспечивающих повышение их несущей способности, такие как втрамбование жесткого материала в основание блока и химическое закрепление основания под подошвой блока, а также забивка дополнительных элементов в полость блока. Так, например, НИИОСП Госстроя УССР разработал конструкции фундаментов, состоящие из забивного пустотелого блока развитого поперечного сечения с забитой в полость забивной сваей или устроенной в полости набивной сваей. Предусмотрено также втрамбование щебня через полость блока ниже его дна с раздвижкой раскрывающихся пластин, являющихся частью боковых граней блока [73]. Несущая способность таких фундаментов может достигать 1 бООкН. В этих блоках принята необоснованно большая толщина стенки - до 240 мм, что снижает их эффективность.
Результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния системы «горизонтально нагруженный ФВК - основание»
Планирование экспериментов играет важную роль при решении сложных многофакторных процессов. Используя уравнения регрессии, моделирующие исследуемые процессы, представляется возможность ранжировать факторы, выявить из них доминирующие и прогнозировать их дальнейшее развитие. Планирование численных исследований проводилось методом полного факторного эксперимента [2].
На основе анализа известных результатов экспериментов различных авторов были запланированы численные исследования, в которых определяющими факторами, влияющими на перемещение горизонтально нагруженных ФВК, были выбраны: - характеристики грунта с, q , Е; - глубина вытрамбованного котлована h; - объем втрамбованного щебня Vm. Каждый фактор, определяемый методом априорного ранжирования, должен иметь число дискретных уровней. Для расчета оснований зданий и сооружений можно принять значения прочностных и деформационных характеристик грунтов согласно СНиП 2.02.01-83 . Таким образом, характеристики грунта основания имеют 3 уровня: 1)с = 30кПа, р= 18, = 15000 кПа; 2) с = 20 кПа, (р=\6\Е= 12000 кПа; 3) с = 10 кПа, (р = 14, = 9000 кПа. Глубина вытрамбованного котлована имеет 2 уровня /? = 3MH/Z=:4M. Объем втрамбованного щебня имеет 4 уровня: Гщ = 0; Р"щ = 1м ; Vul = 2м3; Гщ = 3м3. В расчетах использовались также следующие характеристики грунта: удельный вес у= 18,0 кН/м ; коэффициент Пуассона v= 0,3.
Для расчетов был принят фундамент пирамидальной формы, имеющий размеры в верхнем сечении 1,0x1,0 м, в нижнем - 0,3x0,3 м. Для малого числа факторов все возможные комбинации несложно установить простым перебором. Однако чаще всего этот перебор осуществляется в виде матрицы планирования. Табличная запись матриц планирования довольно громоздка и не приводится в данной работе.
Расчеты производились в условиях плоской задачи. На основании выполненного литературного обзора и известных результатов экспериментов была разработана расчетная схема горизонтально нагруженного ФВК с учетом уплотненной зоны (рис.2.3, 2.4).
Расчетная схема разбивалась на 4 области с различными характеристиками: 1 - фундамент; 2 - грунты природного сложения; 3 -грунты в уплотненной зоне вокруг фундамента; 4 - уширенное основание из втрамбованного щебня.
Разбивка расчетной области на конечные элементы а - без уширенного основания; 6-е уширенным основанием Мора. Для моделирования контакта ФВК с грунтом использовались специальные линейные элементы, позволяющие учитывать трение боковой поверхности фундамента о грунт. Разбивка расчетной области на конечные элементы проводилась автоматически с локальным измельчением сетки. Расчеты велись одновременно по двум группам предельного состояния. Ступени нагрузок подбирались программой автоматически в зависимости от заданной степени точности.
В выполняемых расчетах также варьировались глубина вытрамбованного котлована (И = 3 м и /z = 4 м) и объем втрамбованного щебня (Кщ = 0; Vul = їм3; Ущ = 2м3; Vm = Зм3). В качестве примеров в приложении 1 приведены расчетные эпюры главных напряжений, возникающих в грунтовом массиве в предельном состоянии от действия на горизонтально нагруженный фундамент глубиной Зм с объемами втрамбованного щебня Ущ = О и Ущ = 2м3.
Из характера полученного распределения главных напряжений в грунтовом основании горизонтально нагруженных ФВК следует, что зона с максимальными значениями главных напряжений возникает на глубинах 1,5-1,8 м (1,5-1,8с/) перед передней плоскостью фундамента и простираются на глубину под 45 на расстояние до 1 м (1с/) от фундамента. Наличие втрамбованного щебня существенно не меняет характера распределения напряжений - зона с максимальными напряжениями остается перед горизонтально нагруженным ФВК, в то же время в зоне уширенного основания возникают гораздо меньшие (в 2-3 раза) напряжения. На основании выше сказанного можно сделать вывод, что на величину горизонтального сопротивления ФВК первостепенное влияние оказывают грунтовые условия, а только затем объем втрамбованного щебня и глубина ФВК.
Для количественного анализа влияния грунтового основания на НДС системы «фундамент-основание» в таблице 2.1 представлена выборка из результатов расчетов и полученных эпюр главных напряжений в грунте.
Из таблицы 2.1 видно, что на максимальные значения главных напряжений с изменением типа грунтовых условий существенное влияние оказывают характеристики грунта, при этом предельная горизонтальная нагрузка увеличивается более чем в 2 раза при сравнении I и III типа грунтовых условий. В то же время увеличение глубины ФВК с 3 до 4 м при прочих равных параметрах позволяет увеличить значение предельных горизонтальных нагрузок на 28-45%.
Методика проведения экспериментов
Устройство опытных фундаментов в вытрамбованных котлованах производилось с помощью навесного оборудования на базе крана РДК-25, состоящего из направляющей штанги двутаврового сечения с опорной пятой и трамбовки. В качестве рабочего органа при вытрамбовывании котлованов применялись трамбовки двух типов. На рис.3.1 и 3.2 показано оборудование, используемое для устройства опытных фундаментов на площадках Г.Г.Челябинска и Уфы.
Вытрамбовывание котлованов начиналась с установки трамбовки по центру будущего фундамента. Полная вытрамбовка котлована на заданную глубину достигалась после 5-14 сбрасываний трамбовки.
Горизонтальная нагрузка при испытаниях прикладывалась ступенями, равными 1/10 от предполагаемой несущей способности фундамента, причем каждая последующая ступень прикладывалась после стабилизации горизонтального перемещения в уровне поверхности грунта от предшествующей ступени нагрузки. За критерий стабилизации принималось изменение горизонтального перемещения не более чем на 0,1 мм за последние 15 мин. Горизонтальные перемещения измерялись прогибомерами ПАО-6 с ценой деления 0,01 мм в уровне поверхности грунта и на высоте 1 м. Показания приборов снимались на каждой ступени нагрузки.
Для получения распределения нормальных напряжений грунта на боковой поверхности фундамента в фундаменте № 3 (без втрамбованного щебня) были установлены мессдозы давления мембранного типа конструкции «БашНИИстроя» [12] (рис.3.5).
Мессдозы давления были изготовлены из стали марки 65Г с толщиной мембраны 0,6-0,8 мм и диаметром 40 мм. Конструкция мессдозы обеспечивает неразъемность корпуса и рабочей мембраны (рис.3.6). Толщина мембраны подбиралась так, чтобы точность измерений давления была не менее 0,01 МПа с верхним пределом измеряемого давления 1 МПа. В качестве тензорезисторов использовались фольговые тензодатчики марки 2ФКПА-1-50ГВ. После наклейки тензорезисторов и электромонтажа проводов производилась полная герметизация мессдозы в несколько слоев: клей, восковая смесь и битумная мастика. Провода от датчиков выводились через отверстие в корпусе мессдозы, место вывода изолировалось эпоксидным компаундом и приклеивалась крышка.
Мессдозы давления тарировались по 10 шт в специальной тарировочной камере гидравлическим способом с помощью образцового поршневого пресса типа МП-600 (рис.3.7). Нагружение при тарировке производилось ступенями по 0,1 МПа от 0 до 0,8 Мпа с последующим разгружением до нуля. Показания мессдоз давления регистрировались прибором ИДЦ-1. После тарировки были построены тарировочные графики, отдельно для каждой мессдозы, которые показали линейную зависимость деформаций тензодатчиков от нагрузки и
Прочность этого уширения выше грунта, даже в уплотненном состоянии, но всё же меньше прочности бетона. После бетонирования фундамента железобетонная часть его как бы сливается с уширением, не будучи соединенной с ним жестко. Поэтому для выявления расчетной схемы необходимо экспериментально определить характер деформирования таких фундаментов при действии горизонтальной нагрузки и оценить роль уширения как фактора, влияющего на сопротивление фундамента горизонтальной нагрузке.
Зависимости «горизонтальная нагрузка-перемещение» имеют ярко выраженный нелинейный характер. Линейная часть зависимостей наблюдается только при перемещениях в уровне поверхности грунта до 2-3 мм. При этом стабилизация перемещений имеет место в достаточно большом диапазоне перемещений (до 24-28 мм), т. е. значительно больших, чем допускается нормами. Вместе с тем из-за больших поперечных размеров фундамента и наличия армирования практически невозможен его изгиб, т.е. фундамент работает как «жесткий», поворачиваясь в грунте без изгиба. Из этого следует, что нелинейность графика «нагрузка-перемещение» проявляется только за счет нелинейной работы грунтового основания.
Расчет на горизонтальную нагрузку с учетом нелинейности работы грунтового основания
Известно, что график зависимости «горизонтальная нагрузка-перемещение» имеет ярко выраженный нелинейный характер, и эта нелинейность начинает проявляться уже при перемещениях 3-4 мм в уровне поверхности грунта. При этом горизонтальные перемещения с увеличением нагрузки возрастают плавно, и полученные графики не имеют резких переломов и срывов. Принимая во внимание то, что фундамент имеет значительную изгибную жесткость вследствие развитого сечения, можно предположить, что основным фактором, определяющим нелинейность графиков «горизонтальная нагрузка-перемещение», является нелинейность работы грунтового основания.
В связи с этим представляет интерес получения зависимости «горизонтальная нагрузка-перемещение» в виде криволинейного графика, аналогичного графику статических испытаний. Ранее (см. главу 1) отмечалось, что многими учеными делалась попытка учесть нелинейную работу грунтового основания путем простой аппроксимацией экспериментальных зависимостей. Предлагались степенные, логарифмические и др. функции. В настоящей работе для наилучшей сходимости расчетных кривых с опытными предлагается использовать метод последовательных приближений [129,130] путем пересчета коэффициента постели на каждой итерации по напряжениям и перемещениям фундамента, определенным предыдущим расчетом, до условной сходимости результатов последнего и предыдущего расчетов, например, по параметру перемещения фундамента в уровне поверхности грунта и0 . Анализ графиков «горизонтальная нагрузка-перемещение» (рис.3.9) показывает, что при горизонтальной нагрузке на фундамент в пределах от 106 до 0,ЗНо (где Н0 - нагрузка при перемещении сваи в уровне поверхности грунта 0,01 м) зависимость между нагрузкой и перемещением носит линейный характер, а с увеличением нагрузки происходит искривление графика за счет нелинейной работы грунтового основания.
С целью оценки достоверности разработанного метода расчета выполнены сравнительные расчеты фундаментов в вытрамбованных котлованах, испытанных на горизонтальную нагрузку в различных грунтовых условиях. Сопоставление опытных и расчетных данных проводилось при фиксированном горизонтальном перемещении фундамента в уровне поверхности грунта 10 мм.
Расхождение опытных и расчетных перемещений в уровне поверхности грунта при расчете по данным статического зондирования составляет от -11 до -20%, при расчете по модулю деформации грунта расхождение составляет от -14 до -26%. Расчеты с использованием статического зондирования показывают более высокую сходимость (в среднем -14,2%) по сравнению с расчетами с использованием модуля деформации грунта (в среднем -18,8%). Результаты расчетов показывают удовлетворительную сходимость с опытными данными и являются вполне приемлемыми для инженерных расчетов. На рис.4.3 представлены результаты расчетов и опытных данных в виде графиков «горизонтальная нагрузка-перемещение». Из графиков видно, что расчетные кривые подобны по форме экспериментальным зависимостям и позволяют прогнозировать перемещение фундамента при действии горизонтальной нагрузки различной величины.
Выполненные расчетно-теоретические исследования горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах позволяют сделать следующие выводы.
1. На основании результатов экспериментальных исследований горизонтально нагруженных фундаментов выбрана модель грунтового основания - модель местных деформаций, построены расчетные схемы и получены формулы для расчета фундаментов в вытрамбованных котлованах на действие горизонтальной и моментной нагрузок.
2. Результаты выполненных исследований показали, что уширенное основание оказывает существенное влияние на сопротивление перемещению горизонтально нагруженного ФВК. Для учета влияния уширенного основания в расчетные формулы введено понятие коэффициента уширения .
3. Основным фактором, определяющим криволинейность графиков «горизонтальная нагрузка-перемещение» является нелинейность работы грунтового основания. Показано, что при нагрузке на фундамент в пределах до 0,3#о (где Н0 - нагрузка при перемещении сваи в уровне поверхности грунта 0,01 м) зависимость между нагрузкой и перемещением носит линейный характер, а с увеличением нагрузки происходит искривление. Для построения расчетной зависимости «горизонтальная нагрузка-перемещение» предлагается использовать метод последовательных приближений, заключающийся в пересчете коэффициента постели на каждой итерации по напряжениям и перемещениям фундамента.
4. Разработанный метод расчета реализован на ЭВМ, и выполнены сопоставления расчетных данных с результатами статических испытаний опытных фундаментов. Расчеты с использованием статического зондирования показывают более высокую сходимость (расхождение в среднем -14,2%) по сравнению с расчетами с использованием модуля деформации грунта (расхождение в среднем -18,8%).
