Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ современного состояния экспериментальных и теоретических исследований работы сборных фундаментов и грунтового основания 20
1.1. Обзор экспериментальных исследований работы грунтового основания и сборных фундаментов 20
1.1.1. Экспериментальные исследования работы основания ленточных фундаментов 20
1.1.2. Обзор экспериментальных исследований работы подпорных стен 24
1.1.3. Экспериментальные исследования работы основания плитных фундаментов 26
1.2. Современное состояние методов расчета протяженных в плане фундаментов 29
1.2.1. Расчет оснований сборных ленточных фундаментов 29
1.2.2. Существующие методы расчета устойчивости подпорных стен 37
1.2.3. Современное состояние методов расчета плитных фундаментов каркасных зданий 43
1.2. Особенности существующих конструктивных решений сборных плитных и протяженных в плане фундаментов 45
1.3.1. Конструктивные решения протяженных фундаментов 45
1.3.2. Сборные конструкции подпорных сооружений 47
1.3.3. Особенности существующих конструктивных решений сборных плитных фундаментов каркасных зданий 50
1.4. Выводы 54
2. Методика проведения экспериментальных исследований и описание испытательной аппаратуры 56
2.1. Испытательная установка и аппаратура для экспериментальных исследований 56
2.2. Разработка устройства сопряжения дистанционных преобразователей и СИИТ-3 60
2.3. Программа обработки результатов опытов на ЭВМ 62
2.4. Методика проведения опытов и метрологическое обоснование измерений 63
2.5. Выводы по главе 65
3. Экспериментальные исследования работы сплошных сборных плитных фундаментов из структурных элементов на грунтовом основании 66
3.1. Задачи исследований. Конструктивные решения моделей фундаментов, особенности подготовки основания и проведения опытов 66
3.2. Особенности работы основания и перераспределения контактных напряжений под гипсовыми моделями 71
3.3. Роль стыка элементов и их армирования на развитие трещин и характер излома гипсовых моделей 74
3.4. Развитие деформаций и характер трещинообразования и разрушения железобетонных моделей 80
3.5. Несущая способность и осадки сплошных сборных плитных фундаментов из структурных элементов 85
3.6. Методика расчета сборной фундаментной плиты из структурных элементов с применением программного комплекса StructureCAD 92
3.6.1. Влияние сложности расчетной схемы на результаты расчета 93
3.6.2. Совершенствование расчетной схемы сборной фундаментной плиты 95
3.7. Особенности конструирования сборных фундаментных плит 99
3.8. Выводы по главе 102
4. Экспериментальное моделирование напряженно-деформированного состояния песчаного основания ленточного фундамента со сложной геометрией подошвы 105
4.1. Характеристика моделей сборных ленточных фундаментов 105
4.2. Результаты экспериментальных исследований работы моделей ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы 108
4.2.1. Изучение деформаций основания модели фундамента в процессе нагружения ПО
4.2.2. Изучение особенностей напряженно-деформированного состояния основания модели ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы 113
4.3. Изучение работы основания моделей ленточного фундамента сосложным очертанием краевой зоны 120
4.3.1. Изучение деформации основания моделей фундаментов в процессе нагружения 120
4.3.2. Изучение НДС основания вдоль вертикальной оси модели ленточного фундамента 124
4.3.3. Особенности формирования линий скольжения под моделью ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы 128
4.4. Результаты экспериментальных исследований работы моделей ленточного фундамента с ломаным очертанием краевой зоны 131
4.4.1. Особенности изготовления железобетонных моделей 131
4.4.2. Экспериментальные исследования работы песчаного основания и железобетонных моделей с ломаным очертанием краевой зоны 132
4.4.3. Анализ результатов опытов с железобетонными моделями с ломаным очертанием краевой зоны 136
4.4.4. Изучение напряженно-деформированного состояния основания под железобетонными моделями с ломаным очертанием краевой зоны 138
4.5. Эффективность применения ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы 148
4.6. Выводы по четвертой главе 150
5. Экспериментально теоретическое исследование подпорных стен из сборных элементов 153
5.1.Теоретическое решение задачи о предельном состоянии устойчивости подпорных стен 153
5.1.1. Общие положения об определении верхних и нижних оценок несущей способности основания 153
5.1.2. Нахождение верхней оценки предельного давления на гладкую подпорную стенку 155
5.1.3. Нахождение нижней оценки предельного давления на гладкую подпорную стенку 162
5.1.4. Определение верхней оценки несущей способности основания шероховатой подпорной стенки 165
5.1.5. Определение нижней оценки несущей способности основания шероховатой подпорной стенки 168
5.2. Примеры проектирования подпорных стен 170
5.2.1. Расчет устойчивости подпорной стены на территории общежития № 4 ЮРГТУ (НПИ) 170
5.2.2. Расчет устойчивости подпорной стены общежития № 4 ЮРГТУ (НПИ) методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения 173
5.3. Экспериментальные исследования работы краевой зоны протяженных в плане фундаментов 177
5.3.1. Испытание протяженных фундаментов, состоящих их жестких квадратных штампов 177
5.3.2. Испытание моделей фундаментов с ломаным очертанием опорной плиты 183
5.3.3. Анализ проведенных экспериментов с моделями ленточных фундаментов с ломаным очертанием опорной плиты 186
5.4. Методы расчета и проектирование протяженных фундаментов 187
5.4.1. Оценка зависимости несущей способности при изменении формы фундамента 187
5.4.2. Численное моделирование конструкции опорной плиты с ломанным очертанием краевой зоны в ПК PLAXIS 190
5.4.3. Конструирование ленточных фундаментов с ломаным очертанием опорной плиты 191
5.5. Выводы по пятой глааве 192
6. Исследование совместной работы сборных фундаментов под отдельные колонны и песчаного основания 194
6.1. Особенности экспериментальных исследований 194
6.2. Фундамент с разрезкой опорной плиты на два элемента. Опыты первой серии 196
6.2.1. Характеристика моделей и особенности проведения первой серии опытов 196
6.2.2. Распределение контактных напряжений по подошве фундамента с ростом нагрузки в первой серии опытов 199
6.2.3. Деформации основания и осадки моделей фундаментов 205
6.2.4. Характерные особенности деформирования, трещинообразования и разрушения железобетонного плитного фундамента под отдельную колонну в первой серии опытов 207
6.3. Столбчатый фундамент с подкладной и опорной плитой. Опыты второй серии 219
6.3.1. Характеристика моделей и особенности проведения первой серии опытов 219
6.3.2. Распределение контактных напряжений по подошве фундамента с ростом нагрузки во второй серии опытов 223
6.3.3. Анализ деформации песчаного основания железобетонных моделей фундаментов 227
6.3.4. Характерные особенности деформации, трещинообразования и разрушения моделей железобетонных фундаментов 232
6.4. Модели фундамента с разрезкой опорной плиты на три элемента. Опыты третьей серии 235
6.5. Основные положения и принципы подхода к расчету гибкого железобетонного фундамента 238
6.6. Комплекс программ проектирования фундаментов каркасных зданий 240
6.7. Оптимизация параметров фундаментов под колонны каркасных зданий при вариантном проектировании на персональном компьютере 246
6.8. Методика пластического расчета отдельного сборного составного плитного фундамента под колонну методом предельного равновесия 252
6.9. Выводы по шестой главе 262
Заключение 265
Список использованной литературы 270
Приложения 304
- Современное состояние методов расчета плитных фундаментов каркасных зданий
- Особенности работы основания и перераспределения контактных напряжений под гипсовыми моделями
- Изучение НДС основания вдоль вертикальной оси модели ленточного фундамента
- Определение верхней оценки несущей способности основания шероховатой подпорной стенки
Введение к работе
Актуальность проблемы. В рамках федеральной комплексной программы «Жилище» на 2011-2015 гг. предусматривается увеличение объемов жилищного строительства, что невозможно без сокращения сроков строительства, повышения производительности труда и использования достижений науки и техники, обеспечивающих рост производительности труда.
Внедрение высоэффективных разработок в фундаментостроении позволит ежегодно снижать сметную стоимость строительства, сокращать затраты труда, уменьшать расход материалов. Поставленные задачи можно выполнить путем использования прогрессивных технологий и разработок, учитывающих более точно, чем применяемые, особенности взаимодействия фундамента с грунтовым основанием. К таким разработкам, в частности, относятся сборные фундаменты со сложным контуром опорной плиты, более полно использующие несущую способность основания.
Повышение эффективности сборных фундаментов и использование резервов несущей способности грунтовых оснований связано со следующими факторами:
– деформации оснований под сборными фундаментами отстают от давлений, а снижение жесткости приводит к перераспределению контактных напряжений с уменьшением значений по краям фундаментов и увеличением в зоне передачи нагрузки на опорную плиту;
– увеличение соотношения периметра фундамента к его площади приводит к увеличению коэффициента постели;
– изменение контура краевой зоны приводит к появлению в основании «арочного эффекта» и более полному использованию его несущей способности, а увеличение интенсивности давления под подошвой фундамента наиболее существенно снижает коэффициент постели для связных глинистых грунтов с малым углом внутреннего трения и значительным сцеплением;
– зоны пластических деформаций оснований под сборными фундаментами меньше, чем под эквивалентными сплошными, а пределы пропорциональной зависимости между напряжениями и деформациями оснований под сборными фундаментами в 1,11,5 раза больше, чем под эквивалентными сплошными;
– применение прерывистых фундаментов позволяет исключать излишние запасы прочности, появляющиеся в связи с использованием типовых блоков подушек, размеры которых изменяются дискретно;
– положения нормативной литературы допускают при расчетах прерывистых фундаментов увеличивать на 20-30 % величину расчетного сопротивления грунта;
– при применении ленточных прерывистых фундаментов более полно используется несущая способность основания в сравнении с эквивалентными непрерывными фундаментами, а именно: перераспределение напряжений по глубине с увеличением напряжений в верхних слоях (до 1,5 b) и снижение напряжений в нижних слоях грунта основания.
Целью диссертационного исследования является разработка новых эффективных конструкций сборных фундаментов, расширяющих область их применения, совершенствование методов расчета и принципов конструирования на основе использования полученных результатов экспериментальных исследований и информационных технологий.
Задачи исследования:
-
Создать комплекс для измерения линейных и сдвиговых деформаций в основаниях фундаментов как единой информационно-коммуникационной системы, включающей в себя набор приборов, компьютеров и средств программного обеспечения для получения и обработки информации в режиме «on-line».
-
Систематизировать и провести анализ технических и конструктивных решений сборных плитных фундаментов, на основе которого сформулировать принципы разработки их новых эффективных конструкций, опирающиеся на закономерности пространственного взаимодействия системы «фундамент- грунтовый массив», полученные в результате работы над диссертацией.
-
Разработать новую оболочку программного комплекса многокритериальной оптимизации различных типов фундаментов «Автоматизированное проектирование оптимальных фундаментов на естественном основании» (ПК «АПОФЕОС») для работы с операционной системой Windows и модуля многокритериальной оптимизации параметров сборных фундаментов зданий для ПК «АПОФЕОС».
-
Создать новые эффективные конструкции сборных фундаментов со сложной формой подошвы, обеспечивающих максимальное использование несущей способности основания, и проверить их работоспособность. Исследовать напряженно-деформированное состояние и несущую способность песчаного основания под моделями сборных фундаментов с целью выявления оптимальных и эффективных геометрических параметров фундаментной конструкции.
-
Разработать инженерный метод расчета сборных фундаментов с учетом реальной работы основания. Сформулировать рекомендации по проектированию и применению новых конструкций сборных фундаментов.
-
Разработать метод расчета осадок ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы и составить рекомендации по конструированию и прочностному расчету элементов их подошвы.
-
Провести экспериментальные исследования и оценку несущей способности оснований сборных фундаментов, получение схем трещинообразования железобетонных моделей, определение характера распределения контактных напряжений, линейных и сдвиговых деформаций по подошве фундамента и в массиве основания при возрастании нагрузки во всем интервале нагружения вплоть до предельных нагрузок.
-
Предложить новые конструкции подпорных стен и метод их расчета с определением верхних и нижних оценок несущей способности для повышения надежности оснований и ограждающих конструкций.
Объектом и предметом исследования являются конструкции сборных фундаментов под отдельную колонну, под сетку колонн, ленточных фундаметов и подпорных стен со сложным очертанием опорной плиты. Изучение взаимодействия моделей фундаментов и песчаного основания с использованием приборов для дистанционного измерения компонент НДС. Полученные экспериментальные данные и результаты расчета по методике, предложенной автором, сопоставлялись с результатами расчетов по методикам других исследователей для аналогичных фундаментов. Проведено численное моделирование работы сборных фундаментов с использованием ЭВМ при различных грунтовых условиях.
Раздвижка элементов сборной опорной плиты относительно продольной оси или поворот элементов ленточных фундаментов приводит к изменению контура (краевой зоны) опорной плиты и позволяет получить положительный эффект за счет более полного использования несущей способности основания. Идея изменения контура опорной плиты может быть реализована при использовании блок-подушки стандартного размера по ГОСТу. При этом увеличится периметр опорной плиты и снизятся осадки по сравнению с фундаментом эквивалентной площади, что приведет к снижению количества типоразмеров.
Модификация опорной плиты подпорных сооружений за счет ломаного контура опорной плиты позволит увеличить несущую способность сооружения и получить экономию железобетона.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались: экспериментальные исследования на моделях на песчаном основании, методы планирования эксперимента, статистического анализа результатов, теории подобия, численное моделирование, программирование и аналитические методы предельного равновесия систем.
Достоверность результатов обоснована корректным использованием общепринятых математических и статистических методов, выполнением численных экспериментов и математического моделирования, верификацией измеренных и приложенных силовых факторов, практической реализацией разработанных принципов конструирования и сравнением с расчетами других авторов и данными из литературных источников;
подтверждается:
– результатами большого объема экспериментальных исследований по изучению параметров НДС песчаного основания, выполненных по единой методике ЮРГТУ (НПИ);
– соответствием результатов физического моделирования процессов взаимодействия грунтового массива и сборных фундаментов данным численного моделирования;
– положительными результатами внедрения конструкций сборных фундаментов и методов их расчета.
Научная новизна работы заключается в разработке новых принципов конструирования сборных конструкций фундаментов, протяженных в плане сооружений, под отдельную колонну и под сетку колонн на основе исследования закономерностей пространственного взаимодействия фундаментов и песчаного основания, разработке практических методов расчета сборных фундаментов, доведенных до инженерного уровня, обеспечивающих надежность и безопасность строительства.
Новыми результатами являются:
комплексная автоматизированная система научных исследований (АСНИ) для изучения параметров напряженно-деформированного состояния основания моделей фундаментов с использованием дистанционных преобразователей и визуализацией результатов опытов в реальном масштабе времени;
разработан модуль многокритериальной оптимизации параметров отдельных сборных фундаментов под колонны каркасных зданий (ПК «OPTIMUM») и новая оболочка ПК «АПОФЕОС», использующая графический интерфейс операционной системы Windows;
высокоэффективные конструкции сборных фундаментов под отдельную колонну, под сетку колонн каркасных зданий, протяженные в плане ленточные фундаменты и подпорные стены, учитывающие эмпирические закономерности пространственного взаимодействия сборного фундамента и основания, в которых реализованы новые принципы конструирования, защищенные патентами на полезные модели;
кинематический метод предельного равновесия для расчета сборного составного фундамента под отдельную колонну с подкладной плитой и швом в плитной части с использованием экспериментально полученных схем излома и эпюры контактных нормальных напряжений;
аналитический метод расчета предельного состояния устойчивости подпорных стен на основании экстремальных свойств предельных состояний текучести с получением верхней и нижней оценки несущей способности системы «подпорная стенка – обратная засыпка»;
метод расчета на ЭВМ сборного сплошного составного плитного фундамента из пространственных структурных элементов на грунтовом основании и блок-подушек опорной плиты ленточного фундамента со сложным контуром краевой зоны;
экспериментальные данные о совместной работе сборных фундаментов под сетку колонн из пространственных структурных элементов, под отдельную колонну с подкладной и сборной опорной плитой с ломаным контуром, с определением особенностей изменения параметров НДС в краевой зоне и массиве основания.
Практическая значимость работы:
разработана комплексная автоматизированная система научных исследований для проведения опытов с обработкой и визуализацией в реальном масштабе времени показаний дистанционных преобразователей, что повысит информативность и точность результатов изучения работы песчаного основания;
разработана иерархическая оболочка, реализующая методику многопараметрической многокритериальной оптимизации программного комплекса «АПОФЕОС» на основе объектно-ориентированного интуитивно понятного интерфейса и разработан программный модуль ПК «АПОФЕОС», осуществляющий методику многокритериальной оптимизации параметров отдельных сборных фундаментов под колонны каркасных зданий, усовершенствована агрегативность и упрощена расширяемость комплекса;
разработаны конструктивные решения сборных фундаментов под отдельную колонну и под сетку колонн, протяженные в плане фундаменты со сложным контуром краевой зоны, экспериментально подтверждена работоспособность предложенных конструкций предложены методы расчетов доведенные до инженерного уровня, рекомендации по проектированию и применению;
разработан комплекс программ для расчетов параметров столбчатых фундаментов, включая проверку условий продавливания, трещинообразования и определение характера раскрытия трещин, а также программ для определения ширины и осадки ленточных фундаметов со сложным контуром краевой зоны опорной плиты;
экспериментально подтверждена работоспособность и определена эффективная величина выдвижения элементов опорной плиты ленточных фундаментов с геометрически изменяемой, сложной и ломаной формой краевой зоны подошвы на песчаном основании по значениям минимальной осадки и максимальной несущей способности основания;
экспериментально исследовано напряженно-деформированное состояние основания моделей сборных эффективных фундаментов во всем интервале нагружения. Получены данные, которые могут быть использованы другими авторами;
предложены рекомендации по конструированию и расчету сборных фундаментов, внедренные в проектную практику и учебный процесс.
Внедрение результатов работы: Результаты исследований и практические рекомендации, приведенные в диссертационной работе, внедрены в проектных институтах СевкавЗНИИЭПсельстрой (г. Ростов-на-Дону) и ОАО «Донпроектэлектро», (г. Новочеркасск), строительным трестом "Мособлсельстрой № 4" (г. Ступино, Московской обл.), в фирмах ООО «Строймастер» (г. Ростов-на-Дону), ООО СП «Топ Дизайн», НП «Компания«ЭКОС» и НПФ «Изыскатель» (г. Новочеркасск), в учебном процессе Ростовского государственного строительного университета, Новочеркасской государственной мелиоративной академии, Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) и Донского государственного межрегионального колледжа строительства, экономики и предпринимательства.
Апробация диссертации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и опубликованы в трудах Российских и международных конференций, среди которых: The first European Conference on Product and Process Modelling in the Building Industry (Dresden, Germany, 1994); Российская конференция по механике грунтов и фундаментостроению (Санкт-Петербург, 1995), III и V Международные научные конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2005, 2010 г.), IV Международная научно-техническая конференция «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2005 г.), Международная научная конференция «Проблемы инженерной геодинамики и экологической геодинамики (Москва, 2006 г.), ряд Международных научно-практических конференций «Строительство» Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону, 1997, 1998, 2004 – 2006, 2008 г.), III и IV Международные научно-практические конференции ”Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах” (Новочеркасск, 2000 и 2002 г.), IV Международная научно-практическая конференция ”Моделирование. Теория, методы и средства” (Новочеркасск, 2004 г.), конференция ”Математическое моделирование и компьютерные технологии”, материалы которой опубликованы в журнале ”Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки” (Новочеркасск, 2003), на семинарах в Техническом университете г. Дрездена (Германия, 2004-2005 г.г.), на трех Всероссийских выставках-ярмарках ИННОВ (Новочеркасск, 2003, 2005 и 2007 г.г.), на ежегодных внутривузовских конференциях профессорско-преподавательского состава кафедр строительного профиля ЮРГТУ (НПИ) (1989 - 2011 г.г.).
За разработку комплекса согласования тензометрической станции СИИТ-3 с IBM-совместимым компьютером автор был удостоен диплома первой степени на Всероссийской выставке-ярмарке ИННОВ-2003 (г. Новочеркасск).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 97 опубликованных научных работах, включая 4 монографии, 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 7 патентов на полезные модели, 7 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ. Под научным руководством автора и по теме исследования выполнены и защищены кандидатские диссертации Е.Ю. Анищенко (2004 г.), Д.Н. Архиповым (2006 г.) и Т.А. Крахмальным (2010 г.).
Личный вклад автора состоит в разработке принципов конструирования новых типов фундаментов, более полно использующих несущую способность основания, выборе направления исследований, постановке задач экспериментов, личном проведении опытов, выполнении обработки и интерпретации результатов, разработке методов расчета и способов оптимизации расчетных схем.
На защиту выносятся:
-
АСНИ для изучения параметров НДС песчаного основания моделей фундаментов с использованием дистанционных преобразователей (месдоз, линейных и сдвиговых деформометров) и визуализацией результатов опытов в реальном масштабе времени.
-
Новая оболочка программного комплекса «АПОФЕОС», построенная по агрегативному принципу и упрощающая расширение комплекса, и модуль многокритериальной оптимизации параметров сборных фундаментов под колонны каркасных зданий (ПК «OPTIMUM»), реализованная на основе объектно-ориентированного интуитивно понятного интерфейса Windows.
-
Новые высокоэффективные конструкции сборных фундаментов под отдельную колонну, под сетку колонн, ленточных фундаментов и подпорных стен со сложной формой краевой зоны подошвы фундамента, готовые к применению в практике строительства и защищенные патентами.
-
Результаты экспериментальных исследований закономерностей пространственного взаимодействия моделей сборных фундаментов со сложной формой подошвы и песчаного основания. Параметры напряженно-деформированного состояния основания моделей и оптимизация формы краевой зоны по несущей способности основания и осадке во всем интервале нагружения.
-
Кинематический метод предельного равновесия для расчета сборного фундамента под отдельную колонну и методы расчета на ЭВМ с оптимизацией расчетных схем элементов опорной плиты ленточных фундаментов со сложной формой краевой зоны подошвы и сборного фундамента под сетку колонн из структурных элементов.
-
Аналитический метод расчета устойчивости подпорных стен на основании анализа предельных состояний текучести с получением верхней и нижней оценок несущей способности системы «подпорная стенка – обратная засыпка».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений, изложена на 319 страницах машинописного текста. Материалы диссертации содержат 132 рисунков, 21 таблицу, 16 страниц приложений. Список использованной литературы имеет 240 наименований.
Современное состояние методов расчета плитных фундаментов каркасных зданий
Расчет плитных фундаментов является комплексной задачей, которая охватывает вопросы расчета грунтового основания с выбором определенной модели, расчета конструкции на сжимаемом основании и подбора арматуры из расчета на прочность в предельной стадии.
Основы расчета плитных фундаментов на грунтовом основании изложены в работах М.И. Горбунова-Посадова [92], Б.Г. Коренева [139], А.П. Синицина [140], И.А. Симвудиди [141], С.Н. Клепикова [142], В.И. Соломина [143], С.А. Ривкина [58], СБ. Шматкова [144], С.С. Давыдова [145], СВ. Босакова [146], М.С Вайнштейна [147], В.А. Барвашова [148] и др.
Наиболее часто при расчете плитных фундаментов используются модель Винклера [78], двухпараметрическая модель П.Л. Пастернака [79], с переменным коэффициентом жесткости и др. Натурные исследования сплошных фундаментных плит на грунтовом основании позволили К.Е. Егорову [57] предложить модель упругого слоя конечной толщины, которая использована в СНиП 2.02.01-83 [111], причем основание ниже слоя принимается несжимаемым. Однако Б.И. Далматов обнаружил деформацию основания под многоэтажным зданием на глубине 28 м [149], что подтвердило искусственность схемы. Эта модель позволяет получить деформации поверхности грунта, близкие к действительным, но не дает возможности получить перемещения и напряжения на любой глубине. К таким же, как у П.Л. Пастернака дифференциальным уравнениям изгиба плиты, приводят промежуточные модели грунта, предложенные В.З. Власовым [150], М.М. Филоненко-Бородичем [151] и др.
А.А. Гвоздев [152] и Б.Г. Коренев [139] предложили учитывать нелинейность в работе железобетона. В дальнейшем метод предельного равновесия А.А. Гвоздева применительно к фундаментам был развит в работах Я.М. Неми-ровского [153], Ю.Н. Мурзенко и А.А. Цесарского [154], СИ. Политова [155], А.Н. Тетиора [156], А.Ю. Мурзенко [157], А.Г. Мордовского [158] и др.
Перераспределение усилий в фундаменте и основании, позволяющее уменьшить максимальные изгибающие моменты, учитывается и в расчетах, предложенных В.И. Соломиным [159], С.Н. Клепиковым [160], Н.С. Метелюком [161] и др.
Но, несмотря на бурное развитие нелинейных методов расчетов оснований и фундаментов, расчет сборных плитных фундаментов в настоящее время ведется как монолитных. А натурные испытания сборных многоблочных фундаментов Симферопольской ГРЭС [162] и другие исследования еще в шестидесятые годы подтвердили необходимость расчета элементов фундамента с учетом их сборности.
Разработке методов расчета сборных двухблочных фундаментов посвящен ряд работ С.А. Ривкина, который предложил использовать теорию А.А. Гвоздева и учесть контактные касательные напряжения. В последующем на основании опытов С.А. Ривкин [58] создал метод, позволявший учесть перераспределение усилий не только в фундаменте, но и в основании. Методика расчета фундамента с опорной плитой с ее поперечной разрезкой на элементы В.К. Дударов дополнил расчетом стакана с учетом трения торца колонны о дно стакана [163]. В дальнейшем В.К. Панков предложил метод расчета распределительной траверсы фундамента со сборной опорной плитой, позволяющий получить равнопрочную по наклонному и вертикальному сечениям конструкцию [59].
Экспериментальные исследования работы двухблочных фундаментов позволили Л.А. Заболотней предложить методику их расчета на изгиб и продав-ливание с учетом работы выпусков арматуры из башмака и монолитной опорной плиты [60].
Заслуживает внимания работа Н.М. Пантелеева, который при расчете жесткой траверсы сборного фундамента использовал вариационный метод В.З. Власова, делая корректировку жесткости элементов при появлении в растянутой зоне трещин [61]. Расхождение между расчетным и опытным значениями максимальных изгибающих моментов не превысило 8 %.
Несмотря на принципиальную возможность, выявлены только единичные случаи применения численных методов для расчета сборно-монолитной фундаментной плиты на ЭВМ, имеются в виду предложения В.И. Соломина, В.Л. Высоковского и А.С. Сытника [164].
Для расчета, предложенной автором сборной фундаментной плиты целесообразно использование пакета прикладных программ "Лира" [100], позволяющего за счет регулярности (повторяемости) элементов значительно упростить расчет, а разработка рекомендации по выбору расчетной схемы позволит осуществить ее внедрение в инженерную практику. Расчет новых сборных фундаментов под отдельную колонну пластическим методом предельного равновесия позволит учесть особенности работы основания. Развитие конструктивных решений протяженных фундаментов можно разделить на пять этапов. Основоположником конструктивных решений на пя том этапе развития стал Е.А. Сорочан [165] впервые предложивший оптимизация подошвы фундамента. Он разработал сборные фундаментные плиты с угловыми вырезами и прерывистый ленточный фундамент с раздвижкой фундаментных плит. Эти конструктивные решения изменили характер передачи нагрузки от фундамента на массив основания. Конструкции эффективных блоков-подушек с угловыми вырезами просты в изготовлении и позволяют значительно сократить расход бетона по сравнению с прямоугольными в плане. После сборки плита ленточного фундамента получается сплошной по оси и прерывистой по краям. Краевая зона фундамента приобретает ломаный характер. Широко применяемые в практике проектирования прерывистые фундаменты позволяют более полно использовать несущую способность основания за счет появления «арочного» эффекта. При их устройстве фундаментные блоки-подушки укладываются под стеной фундамента на некотором расстоянии друг от друга, образуя разрывы, перекрываемые вышележащими стеновыми фундаментными блоками. Прерывистые ленточные фундаменты отличаются от ленточных сплошных фундаментов не только конструктивной схемой, но и качественно иной совместной работой с основанием. По конструктивным особенностям более поздние разработки прерывистых фундаментов подразделяются на следующие: решетчатые, прерывисто-решетчатые, прерывисто-комбинированные, прерывисто-шпальные, прерывистые в вытрамбованных котлованах.
Особенности работы основания и перераспределения контактных напряжений под гипсовыми моделями
Железобетонная модель представляла собой фрагмент сборной фундаментной плиты, моделирующий натуральную плиту с шагом колонн 3,0x3,0 м в масштабе 1:4 или плиту с шагом колонн 6,0x6,0 м в масштабе 1:8. Модель собиралась из отдельных блоков с шагом колонн 750x750 мм и имела в плане размеры 2,1x2,1 м. Средняя часть собиралась из трапециевидных в плане элементов СЭ-1 длиной 750 мм и шириной 300 мм. Причем, четыре элемента СЭ-1, располагаемые меньшими сторонами трапеции друг к другу, образуют квадрат с размерами стороны 750 мм. -В краевой зоне сборной плиты (крайний пролет) располагаются только три элемента СЭ-1, а свободное место заполняется двумя симметричными элементами КЭ-2, которые завершают образование сплошной плиты в этом пролете и составляют консольный вылет.
По периметру элементы имели ребра жесткости толщиной 20 мм, образующие после монтажа плиты диагональные и параллельные осям фундамента ребра. Ребра жесткости, параллельные осям, имели постоянную высоту 125 мм, а диагональные ребра высоту, уменьшающуюся к серединам пролетов между колоннами до 90 мм. Толщина дна элементов равнялась 20 мм.
Блоки армировались стальной проволокой диаметром 2 мм, прочностные характеристики которой определялись в соответствии с ГОСТ 1497-73 [197]. Дно армировалось сеткой с квадратным шагом 60x60 мм. Ребра, параллельные осям плиты, армировались четырьмя, а диагональные - двумя стержнями, которые крепились к отгибам арматурой сетки дна. В острых углах, являющихся местами передачи нагрузки, предусматривалось специальное армирование.
Нагрузка на модели в опытах второго этапа передавалась тремя домкратами ступенями по 45 кН. Нагрузка прикладывалась к модели через 9 колонн, расположенных с шагом 750x750 мм. На колоннах устанавливались три распределительные балки, сваренные из 2-х швеллеров № 24, сверху ставилась объединяющая балка, над которой по центру распределительных балок укреплялись шаровые опоры домкратов. В песчаном основании модели укладывались месдозы. Для измерения перераспределения усилий между колоннами и распределительными балками устанавливали 9 специально сконструированных динамометров.
За появлением трещин велись визуальные наблюдения. Все данные заносились в журнал испытания и обрабатывались после проведения опытов. После испытания модели фотографировались и фиксировались схемы трещинообра-зования и отпечаток модели на песчаном основании. 3=2. Особенности работы основания и перераспределения контактных напряжений под гипсовыми моделями
В опытах В.В. Шматкова [26] измерения показали, что эпюра нормальных контактных давлений имеет волнообразную форму. Максимальные значения эпюры находятся в местах действия усилий, т.е. под колоннами, а в серединах пролетов плиты эпюра имеет наименьшие значения. Эти результаты полностью подтвердились в наших опытах. На рисунке 3.4 представлены графики развития нормальных контактных напряжений в некоторых фиксированных точках с ростом нагрузки (опыт 1, первая серия). Как видно из графиков, на первых ступенях нагружения до 0,3 Рпр напряжения под всеми колоннами практически равны между собой и несколько превосходят среднее давление под моделью. Напряжения посередине диагонали между центральной и угловой колонной растут, но значительно медленнее средних давлений. Таким образом, налицо перераспределение напряжений под подошвой модели. На первых двух ступенях нагружения напряжения под центральной колонной меньше, чем под остальными колоннами, но при дальнейшем увеличении нагрузки они начинают интенсивно расти. Медленнее всего при увеличении нагрузки растут напряжения под угловой колонной и при нагрузке 0,9 Рпр напряжения под колоннами относятся как ац : ок: ау =0,19 : 0,13 : 0,084 = 1 : 0,68 : 0,44.
На последней ступени нагружения напряжения под крайними и угловыми колоннами растут незначительно и даже немного понижаются. Это связано с выпором грунта и потерей устойчивости треугольными блоками краевой зоны. Графики построены по осредненным значениям показаний месдоз под соответствующими колоннами.
Развитие напряжений в песчаном основании под колоннами во 2-м опыте подробно описано в [25] и показало, что конструктивное решение края фундамента не оказало существенного влияния на приведенный график, поэтому более подробно рассмотрим результаты опытов третьей серии.
Опыт 5 проводился в два этапа и на рисунке 3.5 приведен график развития нормальных контактных давлений на первом этапе при нагружении до 48 кН. До нагрузки 32 кН, что соответствует 0,3 Рпр, напряжения под крайними и угловыми колоннами и в промежутке между ними практически были равны между собой. Это очень хорошо соответствует результатам опытов в первых двух сериях, однако напряжения под центральной колонной более чем в два раза превосходят напряжение под остальными колоннами. При дальнейшем нагружении на втором этапе напряжение под колоннами начинает возрастать, а в промежутке между колоннами падать. Эта нагрузка соответствует моменту появления первых трещин. В дальнейшем при нагрузке 0,9 Рпр напряжения под колоннами уже относятся как сц : ок : оу = 0,65 : 0,56 : 0,52 = 1 : 0,86 : 0,8. Таким образом, напряжения под крайними и угловыми колоннами в основании армированных гипсовых моделей при нагрузках 0,9 Рпр распределены самым равномерным образом. Напряжения в промежутке между колоннами значительно меньше и составляют 0,1 МПа, т.е. приблизительно в шесть раз меньше напряжений под колоннами (0,15 Оц).
Изучение НДС основания вдоль вертикальной оси модели ленточного фундамента
Первые трещины появились в элементах КЭ-2 краевой зоны, расположенных во II четверти плиты. При дальнейшем нагружении трещины в элементах, расположенных в этой четверти, получили большее развитие, чем трещины в элементах других четвертей. Появление первых трещин А, происходит при нагрузке примерно 0,2 Рпр посередине пролета между колоннами в растянутой зоне ребра жесткости параллельного оси фундамента.
После появления трещин А при нагрузке 0,25 Рпр отмечено нарушение контакта между блоками в диагональных ребрах жесткости. Развитие поперечных пролету между колоннами трещин А прекращается при нагрузке 0,4-0,45 Рир , при этом они имеют длину 5-6 см. При нагрузке 0,6-0,65 Рпр в элементах краевой зоны начали появляться трещины Б по дну элементов КЭ-2. После увеличения нагрузки до 0,7-0,75 Рпр появились трещины в консольных участках элементов КЭ-2, вдоль диагональных ребер жесткости. При нагрузках больше 0,9 Рпр в ребрах жесткости, параллельных осям колонн, появились и начали интенсивно развиваться трещины С, проходящие от граней нагрузочных площадок ко дну элементов под углом 45-50. Однако продавливание колоннами модели фундамента не произошло. Предельная нагрузка на модель составила 842 кН и соответствует исчерпанию несущей способности фундамента. Выпор грунта из-под модели не отмечен. В угловых элементах УЭ-1 трещин не зафиксировано.
Схемы трещинообразования отдельных элементов модели подробно описаны в [25]. На рисунке 3.12 представлена окончательная схема трещин и нумерация элементов.
После достижения нагрузки 180 кН, во время стабилизации появилась трещина А в растянутой зоне ребер жесткости, параллельных осям колонн (элемент 13). При нагрузке 225 кН нарушился контакт между элементами, а трещины А в малых ребрах жесткости вышли на дно элемента и до нагрузки 360 кН продолжали развиваться в направлении перпендикулярном пролету. При нагрузке 360 кН от угла консольного выступа начала развиваться трещина параллельная трещине А. При нагрузке 450 кН полностью сформировалась вторая трещина и началось образование трещин Б с обеих сторон ребра жесткости. Затем трещины появились посередине пролета между трещинами А и развивались в направлениях к колоннам. Трещины С, свидетельствующие о продавли-ваниипоявились при дальнейшем увеличении нагрузки. После разборки модели по дну консольной части элемента вдоль диагональных ребер жесткости отмечены волосные трещины Е.
Рассмотрим схему трещинообразования характерного элемента краевой зоны 6 (КЭ-2). В этом элементе первой при нагрузке 180 кН появилась трещина в диагональном ребре жесткости. При дальнейшем нагружении эта трещина развилась при нагрузке 280 кН до дна и незначительно распространилась в поперечном направлении. При нагрузке 250 кН в ребре жесткости параллельном оси колонн по середине пролета появилась одна, а при дальнейшем нагружении еще две трещины А, разделившие это ребро на 4 почти равные части. При нагрузке 450 кН образовалась трещина Б параллельная осевому ребру жесткости, которая проявилась на верхней грани элемента вдоль всего ребра жесткости при нагрузке 580 кН. При нагрузке 610 кН, вначале в левой ближней к углу модели, а затем при нагрузке 640 кН в правой части консоли краевого элемента появились трещины Е вдольдиагональных ребер жесткости. После разбора модели в правой части консоли образовался вывал части дна элемента. При нагрузке 680 кН от угла нагрузочной площадки под углом 45 в осевом ребре жесткости начала развиваться трещина С в направлении дна. Другие краевые элементы имеют сходные трещины. Поперечные трещины Д в этих элементах, перпендикулярные пролету между колоннами, существенного развития не получили.
В средних элементах модели (СЭ-1) развитие трещин происходило подобным образом только при более высоких нагрузках. Так, в элементах 3 и 16 первые трещины А появились при нагрузке 215 кН, а при нагрузке 225 и 270 кН соответственно в ребрах жесткости параллельных осям колонн появились вторые трещины А. При этом эти трещины разделили ребра жесткости 3 и 16 элементов на три равные части. Разрушение контакта между средними элементами одного пролета (между элементами номер 3 и 16, 4 и 7, 8и 11, 12и 15, см. рисунок 3.12) происходило при нагрузках 290-340 кН, но не носило прогрессирующего характера. Трещины Б параллельные пролету проявились в 5 из 8 средних элементах. В ребрах жесткости трещины С в углах элементов появлялись вначале возле крайних колонн при нагрузках 650-700 кН, а затем возле средней колонны. Схемы трещинообразования средних элементов менее развиты, что свидетельствует о более благоприятных условиях работы по сравнению с элементами краевой зоны. Это подтверждает также необходимость более тщательного изучения краевой зоны сборной фундаментной плиты.
Анализ схемы трещинообразования позволяет заключить, что наибольшее развитие получили трещины IV четверти плиты, в которой появились первые трещины. Общими закономерностями является то, что первыми появлялись трещины А в растянутой зоне ребер жесткости параллельных осям здания. При этом в четырех элементах образовалась одна трещина А практически посередине пролета между колоннами, а в четырех элементах кроме этой трещины появлялись еще две трещины, которые делили ребра жесткости на четыре почти равные части. В восьми элементах в ребрах жесткости параллельных осям колонн появлялись две трещины, делившие его на 3 части. Почти одновременно появлялись трещины на меньшей стороне элементов в месте соединения диагонального и меньшего ребер жесткости, а у 6 из этих элементов появлялись впоследствии трещины и на диагональных ребрах жесткости, приблизительно на расстоянии 2/5 длины ребра от колонны. Только у пяти элементов модели на меньшей стороне элемента трещины не появлялись, а трещины на диагональных ребрах жесткости были удалены от колонны на расстояние больше 2/3 их длины. Трещины во всех ребрах жесткости развивались в наиболее растянутой зоне, а затем, как правило, переходили на дно элементов. Трещины Б не развивались только у трех средних элементов (СЭ-1) плиты. В консольной части краевых элементов трещины вдоль диагональных ребер жесткости не проявились по нижней грани только у одного элемента, на верхнюю грань эти трещины не выходили. У трех элементов зафиксированы отколы в консольной части плиты разной величины.
Определение верхней оценки несущей способности основания шероховатой подпорной стенки
На втором этапе был рассчитан реальный фундамент за основу которого взята фундаментная плита здания нового офиса ООО «Строймастерпроект» в г. Ростов-на-Дону толщиной 1 м под сетку колонн. Сетка колонн имела не регулярный характер, на фундаментной плите находились монолитные наружные стены, а также диафрагмы жесткостей, приямки под лифт. В итоге получена упрощенная расчетная схема фундаментной плиты, с сеткой колонн 6,0x6,0 м, с ячейками 5,0x3,0 м, и консолями, выступающими за оси крайних колонн на 1,5 м. Получился фундамент размерами 33,0x21,0 м.
В SCADe для задания расчетной схемы использована пластинчатая модель фундамента. В качестве модели фундамента принято два типа фундаментов: 1 тип - сплошная плита толщиной 1,0 м, как сделано в реальном фундаменте; 2 тип - ребристая фундаментная плита, аналогичная структурному ребристому фундаменту. Во втором варианте толщина плитной части равна 300 мм, ребра фундамента - толщиной 300 мм, высотой 700 мм.
В итоге для сплошной плиты имеем расчетную схему, состоящую из 2772 элементов, размером 0,5x0,5 м и 2881 узла. Для структурной фундаментной плиты - 3288 элементов и 3383 узла. В связи с нерегулярным характером сетки колонн реального фундамента, в качестве основной нагрузки взято максимальное сжимающее усилие, возникающее в средней колонне, стоящей вдали от наружных стен и диафрагм жесткости, усилие составило 5000 кН. Далее вычисляется, какое усилие приходится на крайние и угловые колонны, в соотношении с грузовыми площадями, приходящимися на колонны каркаса. Получено значение 2800 кН для угловых колонн и 3750 кН для крайних колонн. Для структурного фундамента учтена об-ратная засыпка грунтом плотностью 20 кН/м и толщиной 0,7 м (14 кН/м ). В качестве модели грунтового основания используем модель Винклера с одним коэффициентом постели Ci=7600 кН/м (взято из исходных данных реального проекта), который вычисляется как частное давления под подошвой фундамента к осадке фундамента. Закрепляем наши схемы от перемещения по оси ХиУ, установив связи по Хв крайних узловых точках по X, и по Y соответственно. В качестве типа конечных элементов используется 44 тип 4-х угольной КЭ оболочки. Жесткостные характеристики назначены для сплошной фундаментной плиты из бетона В25, толщиной 1,0 м, для структурного фундамента (плита и ребра) - из бетона В25, толщиной 0,3 м. В качестве предварительных результатов имеем цветные эпюры деформаций, усилий и др., но наиболее важными для нас являются - суммарные деформации, реакция по подошве плиты (отпор грунта), а также эпюры моментов и поперечных сил. По этим эпюрам вычисляем требуемую горизонтальную верхнюю и нижнюю арматуру и вертикальную арматуру. Подбор арматуры производим с помощью SCAD, результаты выводим с помощью постпроцессора. Для сплошной фундаментной плиты для всех элементов создаем одну группу, в качестве модуля армирования выбираем «Плита. Оболочка», расстояние до центров тяжести арматуры принимаем 7 см (рисунок 3.20). Бетон класса В25. Для структурного фундамента создаем 2 группы элементов - для плиты и для ребер (рисунок 3.21). Остальные параметры для этих групп принимаем как для элементов сплошной фундаментной плиты. В качестве сравнительных результатов двух вариантов типов фундаментной плиты служит сравнение стоимостей этих фундаментов. В качестве параметров для простого экономического сравнения служат следующие значения цен: - работа по армированию/бетонированию сплошной фундаментной плиты - 1 500 руб. за 1 м железобетона; - работа по армированию/бетонированию структурной фундаментной плиты - 2 000 руб. за 1 м железобетона; - стоимость бетона (с доставкой) - 2 100 руб./м3; - стоимость арматуры (с доставкой) - 20 000 - 30 000 руб./т (в зависимости от диаметра арматуры). Исходя из этих параметров можно выполнить простое сравнение «стоимостей» двух фундаментов для этого необходимо узнать расход стали и бетона на каждый фундамент и выполнить упрощенное конструирование фундаментных плит. Необходимо «разложить» распределительную арматуру, арматуру, требуемую по расчету и вертикальную арматуру. По предварительному подсчету, экономия бетона в структурном фундаменте по сравнению со сплошной фундаментной плитой составляет более 60%, что позволяет снизить время бетонирования фундамента, снижает «пиковую» нагрузку на время бетонирования фундаментной плиты на растворобетонные узлы, а также снижает вероятность вынужденных швов бетонирования в 2 раза. После сравнения всех показателей двух типов фундаментов предложено решение структурного фундамента с диагональными «снижающимися» ребрами, что может повлиять, в конечном итоге, на стоимость фундамента, а также на снижение значения площади дополнительной нижней арматуры.
Не маловажным, часто решающим фактором при выборе расчетной схемы фундамента являются деформации фундамента, т.е. осадка. Плитный фундамент является лучшим вариантом для фундаментов мелкого заложения.
Анализ влияния изменения расчетной формы фундамента на осадку всего фундамента исходя из сравнения эпюр осадок фундамента показал, что максимальная осадка структурного фундамента 29,1 мм, у плитного - 22,2 мм. Переход от плоского плитного фундамента к структурному увеличил осадку, но часто деформации плоских плитных фундаментов ниже предельно допустимых и увеличение деформаций структурного фундамента скорее всего не будут превышать предельных.
Для сравнения двух расчетных схем фундамента, вычислим уменьшение объема бетона структурного фундамента по сравнению со сплошной фундаментной плитой. Экономия бетона составила более 60%. Сравнение армирования фундамента показало, что максимальная «надопорная» нижняя арматура увеличила свое значение вдвое, что ведет к удорожанию стоимости фундамента. Это позволяет предложить новую расчетную схему. На участках, где по расчету программа выдает арматуру большого сечения можно запроектировать ребра, длиной 1,0 м, высотой 0,7 м, с шагом 1,5 м вдоль основных ребер структурного фундамента. Нижняя арматура плиты в местах проектирования «новых» ребер значительно уменьшится.
