Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные данные о взаимодействии фундаментов в вытрамбованных котлованах и свайных фундаментов с основанием 10
1.1. Экспериментально-теоретические исследования взаимодействия фундаментов в вытрамбованных котлованах с основанием 10
1.2. Особенности взаимодействия свайных фундаментов с основанием 22
1.3. Численные методы оценки напряжённо-деформированного состояния оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах и свайных фундаментов 36
1.4. Выводы по главе 45
Глава 2. Исследование совместной работы модели комбинированного свайного фундамента и основания 48
2.1. Задачи и методика проведения экспериментальных исследований 48
2.2. Определение осадок моделей фундамента и деформаций грунтового основания 57
2.3. Исследование характера распределения напряжений в активной зоне комбинированного свайного фундамента с возрастанием нагрузки 66
2.4. Выводы по главе 72
Глава 3. Полевые экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния оснований комбинированных фундаментов 74
3.1. Инженерно-геологические условия опытных площадок 74
3.2. Цель экспериментальных работ и методика проведения исследований 78
3.3. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия комбинированного свайного фундамента с грунтовым основанием 86
3.3.1. Осадки фундамента и деформации грунта в активной зоне при различной интенсивности нагрузки 86
3.3.2. Распределение напряжений в основании 96
3.4. Выводы по главе 102
Глава 4. Исследование напряжённо-деформированного состояния активной зоны комбинированного свайного фундамента методом конечных элементов 104
4.1. Основные положения принятой модели .' 106
4.1.1. Упругие деформации 108
4.1.2. Упругоидеальнопластическое поведение грунта 109
4.1.3. Критерий текучести Кулона-Мора ПО
4.1.4. Типы конечных элементов 112
4.2. Планирование численных экспериментов 114
4.3. Численное исследование напряжённо-деформированного состояния упругопластических оснований 116
4.3.1. Влияние прочностных характеристик грунта 117
4.3.2. Влияние длины центральной сваи и глубины вытрамбовывания котлована 126
4.3.3. Влияние слабого слоя 135
4.3.4. Влияние различных факторов на характер формирования и развития зон предельного равновесия в активной зоне 140
4.3.5. Изменение НДС оснований при различном виде центрального элемента в фундаменте (призматические сваи, сваи-оболочки, конусные сваи) 144
4.3.6. Исследование сопротивления комбинированного свайного фундамента горизонтальным нагрузкам 150
4.4. Метод прогноза осадок комбинированного свайного фундамента на основе регрессионных зависимостей 151
4.5. Оптимизация конструкций комбинированных свайных фундаментов в различных грунтовых условиях 156
4.5.1. Постановка задачи 156
4.5.2. Влияние глубины вытрамбовывания котлована и длины центральной сваи на экономичность решения 158
4.5.3. Влияние интенсивности нагрузки, прочностных характеристик грунта на оптимальное решение 159
4.6. Выводы по главе 163
Глава 5. Рекомендации по проектированию комбинированных свайных фундаментов 166
5.1. Определение несущей способности фундамента 166
5.2. Инженерный метод расчета осадки фундамента 168
5.3. Сравнение расчётных и экспериментальных значений осадок фундамента 171
5.4. Область рационального применения комбинированных свайных фундаментов по инженерно-геологическим условиям 173
5.5. Выводы по главе 175
Основные выводы 176
Список литературы 178
Приложение. Акты на внедрение результатов исследований 198
- Численные методы оценки напряжённо-деформированного состояния оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах и свайных фундаментов
- Исследование характера распределения напряжений в активной зоне комбинированного свайного фундамента с возрастанием нагрузки
- Осадки фундамента и деформации грунта в активной зоне при различной интенсивности нагрузки
- Влияние различных факторов на характер формирования и развития зон предельного равновесия в активной зоне
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время основными задачами капитального строительства являются повышение технико-экономической эффективности и качества строительного производства. При возведении каркасных зданий и сооружений различного назначения наиболее часто применяются фундаменты в виде кустов свай с монолитным ростверком и столбчатые фундаменты на естественном основании, которые отличаются высокой материалоёмкостью и трудоёмкостью их возведения. При этом затраты на устройство фундаментов составляют 15-20 % от общей стоимости строительства.
Совершенствование конструкций и методов возведения фундаментов имеет важное народно-хозяйственное значение для строительства. Одним из перспективных направлений исследований в области свайного фундаменто-строения является разработка новых эффективных конструкций комбинированных фундаментов, которые бы обеспечивали повышенную несущую способность грунтов основания; простую и надёжную конструкцию фундамента; снижение материалоёмкости, объёма опалубочных и земляных работ при устройстве фундаментов. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют фундаменты в вытрамбованных котлованах с центральной сваей, которые совмещают в себе все преимущества работы и фундаментов в вытрамбованных котлованах, и забивных свай.
Анализ литературных источников показал, что в отечественной и зарубежной практике методы определения несущей способности фундаментов в вытрамбованных котлованах и свайных фундаментов ещё недостаточно разработаны. А методы, рекомендуемые нормативными документами, дают результаты, которые в значительной степени расходятся с экспериментальными данными. Расчёты основания комбинированного свайного фундамента необходимо производить с учётом совместной работы его составляющих элементов.
Экспериментальные и теоретические исследования с целью разработки новых методов определения несущей способности и прогноза осадок комбинированных свайных фундаментов, выяснения закономерностей и особенностей совместной работы фундаментов и грунтов основания, несомненно, являются актуальными.
Объект исследования - комбинированный свайный фундамент (КСФ), состоящий из фундамента в вытрамбованном котловане и центральной сваи.
Предмет исследования - комплексное экспериментально-теоретическое исследование НДС основания КСФ.
Цель работы: разработка оптимальной конструкции КСФ, выяснение закономерностей и особенностей совместной работы фундамента и грунтового основания, разработка методов расчёта КСФ по предельным состояниям.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
1. Провести исследование взаимодействия модели КСФ с основанием:
определить осадки фундамента и деформации грунтового основания;
исследовать характер распределения напряжений в сжимаемой толще с возрастанием нагрузки на фундамент.
2. Выполнить комплексные экспериментальные исследования НДС основа
ний КСФ в полевых условиях:
определить осадки фундамента и деформации грунта в активной зоне при различной интенсивности нагрузки;
установить закономерности распределения напряжений в основании и по боковой поверхности КСФ.
Провести численное исследование НДС активной зоны КСФ методом конечных элементов.
Внедрить результаты исследований в практику строительства.
Научная новизна работы состоит в разработке инженерного метода прогноза осадок КСФ, полученного на основании результатов эксперимен-
7 тально-теоретических исследований, получении экспериментальных зависимостей осадки КСФ от нагрузки, установлении закономерностей распределения напряжений и деформаций в активной зоне и по боковой поверхности КСФ в различных инженерно-геологических условиях.
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 конструкции КСФ, инженерного метода расчёта несущей способности и прогноза осадок данного типа фундаментов.
Результаты исследований внедрены на следующих объектах:
Завод по производству консервов детского питания мощностью 5,2 тыс. тонн/год в г. Йошкар-Ола. Использование комбинированных свайных фундаментов вместо фундаментов в виде кустов свай с монолитным ростверком и проведённые исследования позволили уменьшить объём земляных и опалубочных работ в 4,5 раза, снизить материалоёмкость на 40 %, сократить трудозатраты в 3,6 раза. Экономический эффект составил 180 тыс.руб. в базовых ценах 1991 г.
Жилые дома с каркасом типа «Сарет» в г. Чебоксары и Новочебок-сарск. Предложенная конструкция комбинированного свайного фундамента и проведённые исследования позволили уменьшить объём земляных и опалубочных работ в 2 - 3 раза, снизить материалоёмкость на 30 %, уменьшить трудозатраты в 2,5 раза, сократить сроки устройства фундаментов в 1,8 раза. Экономический эффект составил 86 тыс.руб. в базовых ценах 1991 г.
5-этажный 66-квартирный жилой дом по ул. Яблоневая, 14 в г. Н. Новгород.
10-этажный жилой дом по пр. Капитана Ранкова в г. Кетово Нижегородской области.
5-этажный 75-квартирный жилой дом в г. Павлово Нижегородской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 52-м всемирном салоне инноваций, научных разработок и новых технологий «Брюссель-Эврика 2003», по итогам конкурса была присвоена серебряная медаль (Бельгия, Брюссель, 2003 г.); на Международной конференции по геотехнике, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Реконструкция исторических городов и геотехническое строительство» (СПб., 2003 г.); на Международной научно-практической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Пермь, 2004 г.); на Российской научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизации строительства. Охраны окружающей среды (Пермь, 2004 г.); на Международном научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки» (Пермь, 2005 г.), на 3-й всероссийской конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (Чебоксары, 2001 г.); на IV Международном форуме «Высокие технологии XX века» (М., ВК ЗАО «Экспо-центр» на Красной Пресне, 2003 г.); на внутривузовских научно-технических конференциях Пермского и Марийского государственных технических университетов (г. Пермь и Йошкар-Ола 2002-2003 гг.).
Личный вклад автора состоит:
в разработке оптимальной конструкции КСФ, защищенной свидетельством на полезную модель № 12148 Е 02 D 27/01;
в проведении экспериментальных исследований с моделями КСФ;
в участии проведения натурных полевых экспериментальных исследований КСФ, обработке и анализе результатов;
в выполнении численного моделирования совместной работы КСФ и грунтового основания;
в проведении теоретических исследований и разработке методов расчёта КСФ по предельным состояниям.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований доктору
технических наук, профессору [А.А. Бартоломею!, кандидату технических наук, доценту Б.С. Юшкову, а также сотрудникам кафедры оснований, фундаментов и мостов Пермского государственного технического университета.
На защиту выносятся: инженерные методы прогноза осадок и определения несущей способности КСФ, результаты экспериментально-теоретических исследований КСФ и грунтового основания.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе получено свидетельство на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертационная работа содержит 202 страницы машинописного текста, 132 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 185 наименований, в том числе 8 на иностранном языке.
Численные методы оценки напряжённо-деформированного состояния оснований фундаментов в вытрамбованных котлованах и свайных фундаментов
А.А.Бартоломеем, В.Н.Аптуковым, А.В.Фонарёвым, С.В.Ирундиным в течение ряда лет проводились комплексные экспериментально-теоретические исследования по моделированию процесса ударного вытрамбовывания котлованов [4, 5, 6, 7, 30]. В ходе экспериментальных исследований была разработана методика определения параметров модели объёмного сжатия грунта в пластической области при статических и кратковременных нагрузках. Установлены зависимости влияния скорости деформаций и других факторов на сжимаемость грунта. Разработанный авторами пакет программ позволяет эффективно моделировать различные процессы механики деформируемого твёрдого тела на лагранжевых сетках при больших деформациях расчётной области. Данная методика численного моделирования может использоваться при анализе процессов со сложными граничными условиями (динамический контакт, скольжение и т.п.) и нелинейности физических процессов. Методика включает в себя оригинальные алгоритмы генерации и автоматической локальной перестройки сетки, явную конечно-разностную схему на нерегулярных сетках. Исходная система законов сохранения в дифференциальной форме является общей в рамках постановки задач в механике сплошных сред и не содержит каких-либо допущений. С помощью данной методики можно единообразно рассчитывать процессы дозвукового деформирования грунта. Основные трудности использования методики состоят в отсутствии достаточно адекватных моделей динамического поведения грунтов и определения их параметров для конкретных вариантов грунтов.
В Полтавском техническом университете под руководством Н.Л.Зо-ценко с 1970 г. ведутся экспериментально-теоретические работы по исследованию зоны уплотнения фундаментов в пробитых скважинах, пирамидальных свай, ФВК и т.д. [48, 103, 104, 105, ПО]. Обработка результатов экспе 20 риментальных исследований позволила установить закономерности изменения физических, прочностных и деформационных характеристик грунта в уплотнённой зоне. На основании исследований составлен прогноз изменения свойств грунтов зоны уплотнения во времени, который показал, что в условиях соблюдения требований, предъявляемых к основанию СНиПом (не допускается промораживание и оттаивание, агрессивное воздействие грунтовых вод, выщелачивание, механическое нарушение и т.д.), параметры зоны уплотнения остаются неизменными в период реального срока эксплуатации зданий и сооружений. По полученным данным было проведено математическое моделирование различных фундаментов с использованием упругопла-стической модели грунта, исследовались процессы появления и развития зон пластических деформаций. Результаты расчётов сравнивались с результатами опытных испытаний фундаментов.
А.Б.Шукенбаев провел комплексные исследования НДС оснований ФВК со слабым подстилающим слоем [174]. В экспериментальных исследованиях был установлен характер распределения контактных напряжений в активной зоне ФВК, перемещений и деформаций грунта в основании фундамента. Также автором проведены численные исследования напряжённо деформированного состояния оснований ФВК, в которых установлено влияние длины фундамента, угла наклона боковых граней на осадки фундамента, образование зон пластических деформаций и т.д. Результатом исследований стал инженерный метод расчёта осадок упругопластических оснований ФВК со слабым подстилающим слоем.
С.К.Шилибеков исследовал особенности работы ФВК различной формы при воздействии статических и сейсмических нагрузок [173]. Экспериментальные исследования проводились на фундаментах квадратной, шестигранной, круглой и квадратно-ступенчатой формы в плане. Опыты показали, что наибольшей несущей способностью на статические вертикальные и горизонтальные нагрузки обладают ФВК квадратной формы в плане, а наименьшей - круглой формы. При сейсмических воздействиях фундаменты круглой и шестигранной формы в плане по сравнению с квадратной более рациональны с точки зрения снижения величины сейсмической нагрузки, передаваемой на надземную часть зданий. Автором предложена методика расчёта сейсмической нагрузки на здание с учётом форм ФВК.
И.А.Гандельсман [26, 59] провёл комплексное экспериментально-теоретическое исследование взаимодействия односвайных фундаментов с грунтом основания. Фундамент состоит из забивного промежуточного элемента и забивной висячей сваи, погружаемых без выемки грунта. Исследования проводились с целью выяснения особенностей работы фундаментов в зависимости от конструкции, технологической схемы производства работ, грунтовых условий, распределения нагрузки между промежуточным элементом и сваей, НДС грунтов основания.
Исследования показали, что несущая способность односвайного фундамента выше несущей способности одиночной сваи в 1,5-4,2 раза и составляет 0,98-1,2 от суммы несущих способностей промежуточного элемента и сваи, испытанных отдельно. Зона деформации имеет вид эллипса с шириной в плоскости подошвы промежуточного элемента 1,9 размера элемента, глубина зоны деформации под остриём сваи Ad (где d - размер поперечного сечения сваи). Исследования зоны деформации показали, что в её пределах объёмная масса грунта увеличивается на 16-20 %, модуль деформации Е увеличивается на глубину 3-3,5 d, пористость грунта снижается на 25-29 %, угол внутреннего трения практически не изменяется, удельное сцепление возрастает в 1,88 раза. На основании результатов проведённых исследований предложены аналитические методы расчёта осадок и определения несущей способности односвайных фундаментов.
А.Л.Готман в течение ряда лет занимался разработками эффективных безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений взамен кустовых фундаментов с ростверками или столбчатых фундаментов на естественном основании [74, 75, 76, 78]. Исследования включали разработку принципов конструирования таких фундаментов, изучение их НДС под нагрузкой. По результатам исследований автором разработана общая методология расчёта безростверковых свайных фундаментов на вертикальную и горизонтальную нагрузки, в т.ч. с использованием данных статического зондирования грунтов. Методы расчёта реализованы на ПЭВМ. В процессе исследования проблемы безростверковых свайных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений по мере завершения определённых этапов исследований разработана нормативно-техническая, конструктивная и технологическая документация.
О.Л.Денисов [90, 91, 92, 93] исследовал эффективные конструкции кустовых свайных фундаментов, новых направлений их проектирования и возведения с использованием скоростных методов изысканий грунтов, в частности статическим зондированием. Под его руководством разработаны алгоритмы выбора оптимальной конструкций кустовых свайных фундаментов с применением методов оптимизации. Все полученные результаты представлены в виде расчётных таблиц, графиков, формул и компьютерных программ.
Свайные фундаменты применяются в строительстве уже многие столетия. Время подтвердило надёжность и долговечность фундаментов из свай. До настоящего времени в Европе сохранились постройки ещё с периода позднего неолита. Такие постройки размещались на торфах, болотистых местностях, в долинах, вблизи рек и озёр и т.д. В Древнем Риме была отработана технология свайного дела, которая сохранялась и совершенствовалась до конца XVIII века. Первые работы по исследованию свай различных конструкций появились в конце XIX - начале XX веков.
Исследование характера распределения напряжений в активной зоне комбинированного свайного фундамента с возрастанием нагрузки
Осадка марки Ml в основании ФВК без центрального элемента при нагрузках на фундамент Р = 5; 10; 15 кН составила соответственно Uy = 1,79; 5,75 и 12,05 мм. С глубиной происходит уменьшение значений перемещений грунта и скорости возрастания деформаций. При Р = 15 кН на расстоянии Ът от вертикальной оси фундамента осадки марок Ml, М4, М7, МП, Ml5 составляют Uy = 12,05; 7,62; 0,88; 0,17; 0,05 мм (рис.2.9, а). С увеличением расстояния от фундамента в радиальном направлении осадки марок также уменьшаются. Перемещения марок Ml, М2, МЗ на расстоянии от вертикальной оси фундамента Ът 3 Ът и 5 Ьт мм при Р = 15 кН достигали Uy = 12,05; 0,40; 0,18 мм.
Из полученных данных видно, что значения осадок моделей фундаментов в 4-6 раз больше максимальных перемещений марок. Это свидетельствует о том, что осадки моделей развивались и за счёт горизонтальных перемещений грунта в стороны от боковой поверхности ФВК.
Увеличение длины центральной сваи L приводит к снижению перемещений в активной зоне ФВК и уменьшению скорости возрастания деформаций. Так, при нагрузке Р = 15 кН и Lid = 0 перемещение иу марки Ml составило 12,05 мм, при Lid = 16 - 9,80 мм, при Lid = 32 - 8,25 мм, Lid = 48 -7,73 мм. В то же время вдоль центральной сваи и ниже её острия зафиксированы небольшие вертикальные деформации грунта. Это можно объяснить перераспределением нагрузки в комбинированном фундаменте между ФВК и центральной сваей. На рис. 2.10 показаны эпюры относительных вертикальных деформаций zy в основании фундаментов при различных ступенях нагрузки. Исследования zy показали, что осадка фундаментов развивается в основном за счёт деформаций грунта в уплотнённой зоне вокруг ФВК. Наибольшие деформации zy зафиксированы ФВК на расстоянии Ът от оси фундаментов. По мере возрастания нагрузки увеличиваются размеры активной зоны. При нагрузке, близкой к предельной, мощность активной зоны под ФВК без центральной сваи распространяется на расстояние до 10 Ът. С увеличением Lid зона деформаций грунта распространяется до глубины 15с/ниже плоскости острия центральной сваи. В радиальном направлении граница активной зоны вокруг КСФ находится на расстоянии 6 Ьт. Результаты опытов свидетельствуют о том, что с ростом нагрузки на фундамент размеры зоны деформаций интенсивно возрастают на первых ступенях нагрузки, затем скорость возрастания деформаций несколько уменьшается. Большой практический интерес представляют опыты с различными типами центрального элемента. На рис.2.11 показан график зависимости «осадка - нагрузка» S = f (Р) для ФВК без центрального элемента, ФВК с центральной забивной сваей относительной длиной Lid = 48, и ФВК со сваей-оболочкой -Lld = 2,5. На графике видно, что на первых ступенях нагружения осадка фундамента со сваей-оболочкой развивается интенсивнее ФВК с центральной сваей. Однако увеличение осадки происходит более плавно и при значении 2,5 см кривая пересекает зависимость S=f(P) ФВК с центральной сваей. Плавный перегиб кривой свидетельствует о постепенном переходе грунтового основания из упругой стадии работы в упругопластическую. Анализ графика показывает, что несущая способность фундамента со сваей-оболочкой выше несущей способности других типов фундаментов. При одинаковой осадке 5 = 80 мм нагрузка на фундамент составляет для ФВК без центрального элемента Р = 14,5 кН, для ФВК с центральной сваей при Lld=A%-P= 17,8 кН, для ФВК со сваей-оболочкой -Р = 20,8 кН. Это говорит о более эффективной работе ФВК со сваей-оболочкой. Для выявления особенностей распространения вертикальных деформаций грунта в активной зоне фундамента со сваей-оболочкой рассмотрим перемещения глубинных марок. На рис.2.12, а показаны эпюры послойных вертикальных перемещений Uy марок на различном расстоянии от вертикальной оси фундамента. Наибольшие перемещения имеют марки Ml, М4, М7, расположенные на расстоянии Ът от оси фундамента. Марки вступают в работу при первых же ступенях нагрузки и перемещаются вместе с фундаментом. По мере увеличения нагрузки в работу вступают более удалённые слои грунта ниже острия сваи-оболочки и вокруг КСФ. При нагрузке на фундамент Р = 15 кН вертикальные перемещения марок Ml, М4, М7 составили 10,13; 5,74 и 2,23 мм, осадка фундамента составила S = 39 мм. Исследования относительных деформаций гу (рис.2.12, б) помогли выяснить, что осадка фундамента развивается в основном за счёт деформаций грунта в уплотнённой зоне вокруг ФВК и сваи-оболочки. Наибольшие деформации є,, зафиксированы в уплотнённой зоне ФВК на расстоянии Ът от оси фундаментов. Деформации грунта развиваются на расстояние до 6 Ьт в стороны и на 12 Ът ниже острия сваи-оболочки. На расстоянии 2 Ьт от края фундамента в радиальном направлении и по глубине перемещения составляют 5-Ю % от общей осадки фундамента. Из приведенных данных видно, что в комбинированном фундаменте между ФВК и центральным элементом происходит взаимовлияние и перераспределение приложенной нагрузки. Это необходимо учитывать в расчетах осадок и проектировании КСФ. Таким образом, анализ результатов модельных испытаний показал, что осадка и несущая способность фундамента, послойные деформации в основании, размеры зоны деформаций существенно зависят от геометрии фундамента и вида центрального элемента. Для более глубокого изучения работы комбинированного фундамента необходимо детальное исследование характера распределения напряжений в основании.
Осадки фундамента и деформации грунта в активной зоне при различной интенсивности нагрузки
Увеличение длины центральной сваи привело к перераспределению вертикальных напряжений из активной зоны ФВК в область грунта, примыкающую к центральной свае. При нагрузке на КСФ Р = 15 кН и отношении Lid = 0 напряжения ау в активной зоне ФВК (мессдоза МГ4) достигали 43 кПа; при Lid = 16 - 36 кПа; при Lid =32-33 кПа; при Lid = 48-32 кПа.
На графиках отчётливо видно, что формирование активной зоны происходит при небольших ступенях нагрузки (Р = 5 кН) вокруг ФВК на расстояние до 6 Ът в стороны идо7Ьт ниже острия ФВК. С увеличением длины центральной сваи L активная зона распространяется на (5 - 6) d в стороны от боковой поверхности и на глубину до (12 - 15) d ниже плоскости острия центральной сваи. Дальнейшее нагружение на фундаменты приводит к концентрации напряжений в активной зоне, однако размеры её изменяются незначительно.
Интересно проследить, как происходит распределение напряжений в основании ФВК со сваей-оболочкой. На рис.2.14 показаны эпюры дополнительных напряжений ау при нагрузке Р, равной 5 и 15 кН. На расстоянии Ът от оси фундамента вертикальные напряжения вдоль КСФ распределяются равномерно. В точках МГ1, МГ4 и МГ7 значения зу составляют соответственно 21; 24 и 23 кПа. Ниже острия сваи-оболочки происходит постепенное затухание вертикальных напряжений.
С начала нагружения ФВК со сваей-оболочкой происходит формирование зоны распространения напряжений оу вокруг комбинированного фундамента на расстояние до 6 Ът в стороны и до 10 Ът ниже острия сваи-оболочки. С увеличением нагрузки до Р = 15 кН наблюдается концентрация напряжений Gy в пределах сформированной зоны.
Перейдём к анализу распределения напряжений по боковой поверхности КСФ. Мессдозы, установленные в ФВК (см. рис.2.5.) позволяли определять нормальное давление з„, действующее на его наклонную боковую поверхность. Далее по известной зависимости Кулона вычислялись касательные напряжения і,- = сти, tgq ,-, где т, - касательные напряжения на г-м участке боковой поверхности ФВК; с „і - нормальное давление на г -м участке боковой поверхности ФВК; ф/ - угол внутреннего трения грунта на г -м участке боковой поверхности ФВК. Для определения касательных напряжений т вдоль тензосваи принято положение, что падение сжимающих напряжений оп на некотором участке центральной сваи зависит от величины сил трения, приложенных к поверхности сваи на этом участке, которые, в свою очередь, зависят от деформатив-ной способности сваи и грунта [27,23]. Математически это выражается так - произвольная постоянная интегрирования. Её значение находится из рассмотрения граничных условий на поверхности грунта. Если интегрирование начинается с поверхности, то произвольная постоянная С равняется сг„, т.е. напряжению в сечении, расположенном выше поверхности грунта. В общем виде уравнение запишется следующим образом: сжимающие напряжения в верхнем и нижнем сечениях рассматриваемого участка; F- площадь поперечного сечения материала сваи; тср - средняя интенсивность сил трения в пределах рассматриваемого участка; / - длина рассматриваемого участка; U- периметр сваи. Опыты показали, что ФВК и центральная свая включаются в работу одновременно. На рис.2.15 показано распределение касательных напряжений т по боковой поверхности модели КСФ. Из приведённых данных видно, что вдоль боковой поверхности ФВК эпюра сил трения имеет вид кривой второго порядка. Максимальные значения зафиксированы в области острия ФВК. При Р=15кНи = 0 силы трения достигают 59 кПа. С увеличением длины центральной сваи L отмечается снижение напряжений вдоль ФВК за счет перераспределения нагрузки в КСФ между ФВК и центральной сваей. Вдоль центральной сваи эпюры распределения сил трения имеют форму, близкую к треугольной, с максимальными значениями т в нижней части свай, не превышающими 16 кПа. 72 Такое различие в работе боковой поверхности ФВК и центральной сваи можно объяснить тем, что коническая поверхность под нагрузкой работает «враспор», подобно объёмному клину и кроме сил трения испытывает боковой отпор грунта. Кроме того, при осадках фундамента конической формы грунт вокруг него уплотняется и несущая способность основания повышается. Анализ распределения сил трения показывает, что при равномерном увеличении нагрузки на фундамент интенсивность напряжений возрастает нелинейно: при нагрузке на фундамент Р = 5, 10, 15 кН максимальные значения напряжений на боковой поверхности ФВК без центральной сваи составляют соответственно 29, 51, 59 кПа; при L/d = 16 - 27, 47, 50 кПа; при L/d = 32 - 22, 38, 45 кПа; при L/d = 48 - 16, 34, 39 кПа. Полная мобилизация сил трения по боковой поверхности происходит при достижении определённого значения осадки фундамента. После превышения этого значения напряжения достигают своего максимума и поддерживаются на одном уровне. Причем для ФВК этот эффект прослеживается при осадках 35-50 мм, а для центральной сваи - при осадках 15-20 мм. Такую разницу также можно объяснить различным характером работы составляющих КСФ.
Влияние различных факторов на характер формирования и развития зон предельного равновесия в активной зоне
Аналитические решения, используемые в настоящее время для определения напряжений и перемещений в грунтовом основании, базируются на теориях линейно деформируемой среды и предельного равновесия. Сопоставление результатов расчётов с экспериментальными данными показывает, что применение таких моделей для оценки НДС активной зоны КСФ приводит к существенным погрешностям.
Развитие средств вычислительной техники привело к широкому использованию различных численных методов (МКЭ, МГЭ, МКР) для моделирования задач механики грунтов и фундаментостроения. Моделирование задач численными методами проводится с использованием пакетов прикладных программ, реализующих различные модели поведения грунта, которые позволяют получать результаты, соответствующие реальному поведению грунта под нагрузкой.
Для приближения теоретического решения к реальному поведению грунтовой среды проведено численное исследование НДС грунтового основания с учётом образования и развития зон пластических деформаций во всем диапазоне изменения нагрузки на фундамент. При решении поставленной задачи использовался геотехнический расчётный комплекс Plaxis, реализующий метод конечных элементов (http://www.plaxis.nl).
Первая версия программы была написана на языке Фортран в 70-е годы Питером Вермеером (Peter Vermeer) в Дельфтском университете технологии. Программа решала плоскую упругопластическую задачу с использованием треугольных шестиузловых конечных элементов. Дальнейшие исследования, проведенные аспирантами Вермеера и специалистами из других университетов, значительно расширили возможности программы.
Работа научно-исследовательской группы Plaxis проводится при поддержке Центра по проведению исследований и разработки норм и правил в области гражданского строительства (CUR) и финансируется более 30 евро 105 пейскими компаниями. Консорциум CUR контролирует эффективность и качество разрабатываемого программного обеспечения, а также обеспечивает необходимую связь с современной инженерной практикой.
Для поддержания высокого научно-технического уровня программы проводится регулярный анализ публикаций в области геомеханики и численных методов расчетов. Непосредственная помощь оказывается со стороны следующих научно-исследовательских центров: - создавать расчетные схемы в режиме черчения CAD с учетом неоднородности строения грунтового основания, геометрии сооружения, действующих нагрузок и граничных условий; - выполнять автоматическую разбивку расчетной области на конечные элементы высокого порядка (6 или 15 узловые треугольные элементы) с возможностью общего и локального измельчения сетки; - моделировать этапы строительства, темпы возведения, условия работы конструкции и грунтового основания; - моделировать строительные конструкции набором готовых специальных элементов: плитных элементов для моделирования гибких плоских конструкций; стержневых элементов для моделирования анкеров, распорок, сто 106 ек, раскосов; элементов обделки туннелей кругового и некругового сечения; тонких плоских элементов для моделирования геотекстиля, геосеток; - моделировать грунты, применяя апробированные в современных геотехнических расчетах модели: упругопластическую модель с критерием текучести Кулона - Мора, модель слабого грунта типа Cam-Clay, реологическую модель с учетом ползучести грунта, упругопластическую модель упрочняющегося грунта, упругопластическую модель анизотропного грунта; - создавать оперативные базы данных по физико-механическим характеристикам грунтов и конструкционных материалов, использованных в проектах; - выполнять расчеты напряжений и деформаций в элементах системы «основание - фундамент - сооружение»; - выполнять расчеты начального напряженного состояния грунтового массива с учетом процесса его формирования; - выполнять расчеты несущей способности грунтовых оснований и устойчивости грунтовых сооружений (плотин, насыпей); - выполнять расчеты избыточного порового давления в процессе консолидации водонасыщенных глинистых грунтов; - выполнять расчеты напорной и безнапорной фильтрации при установившемся и неустановившемся режимах; - проводить оперативный визуальный анализ развития напряженного и деформированного состояний в любом элементе расчетной схемы (конструкция, грунт) на любом этапе расчетов с помощью графических материалов (таблицы, эпюры, изолинии, графики, анимационное представление). Материальная модель - это набор математических уравнений, которые описывают зависимость между напряжениями а и деформациями є. В Plaxis эта зависимость основана на соотношении между скоростью эффективных напряжений и скоростью деформаций в виде где М- матрица жёсткости.
