Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор состояния вопроса 14
1.1 Опыт возведения сооружений из армированного грунта 14
1.2 Экспериментальные исследования армированных оснований фундаментов 20
1.3 Теоретические исследования армированных оснований фундаментов 23
Глава 2. Исследование физико-механических характеристик грунтов 39
Глава 3. Многофакторный анализ деформативности оснований, армированных горизонтальными элементами 52
Глава 4. Многофакторный анализ деформативности оснований, армированных вертикальными стержнями 125
Глава 5. Механизм взаимодействия арматуры с грунтом 147
Глава 6. Надежность и долговечность армированных основании зданий и сооружений 161
Выводы 184
Библиографический список 186
Приложения
- Экспериментальные исследования армированных оснований фундаментов
- Исследование физико-механических характеристик грунтов
- Многофакторный анализ деформативности оснований, армированных горизонтальными элементами
- Многофакторный анализ деформативности оснований, армированных вертикальными стержнями
Введение к работе
Актуальность темы. Фундаменты являются одними из наиболее массовых конструкций в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве. Затраты на устройство фундаментов в современном промышленном строительстве достигают (15...20)% общего расхода на здание или сооружение. В некоторых сооружениях (дымовые трубы, башни, опоры высоковольтных линий и др.) расходы на фундаменты достигают половины общих затрат.
В последнее время отмечается постоянное увеличение нагрузок на основания и фундаменты. Причиной этому является концентрация производства, рост этажности и пролётов, увеличивающийся вес оборудования и др. Все чаще приходится использовать территории до этого считавшиеся непригодными для строительства: засыпанные овраги, ручьи, болота, свалки, выработанные карьеры, слабые водонасыщенные грунты.
Использование этих участков без специальной инженерной подготовки невозможно. В практике широко используют следующие методы подготовки: гидронамывы территорий песком до незатопляемых отметок, устройство насыпей и дренажных систем, армирование оснований и др. Выбор оптимального варианта оценивается по сопоставлению нескольких конкурентоспособных. Необходимость разработки и внедрения более совершенных и экономичных систем оснований и конструкций фундаментов неоднократно отмечалось в решениях различных конференций и совещаний. Вся история развития фундаментостроения была историей совершенствования фундаментов и внедрения более экономичных конструкций. В настоящее время наметились следующие пути снижения стоимости и расхода материалов на конструкции фундаментов:
уточнение расчетных схем грунтового основания и конструкций фундаментов традиционных форм;
разработка новых облегченных конструкций фундамента и методов их
расчета для сложных схем силового воздействия;
внедрение эффективных методов инженерной подготовки территории.
Исключительно перспективным является армирование грунтов. Метод
нашел широкое распространение во многих странах мира. Разрабатываются новые эффективные материалы, изделия, конструкции и технологии. Армирование используют при устройстве дорог, плотин, дамб, насыпей, откосов, оснований и др. Примеры эффективного армирования приведены в [52]. Армирующие элементы применяют в виде свай [76,109], вертикальных стержней [49], бетонных и железобетонных лежней, ячеек; металлических лент, стержней, сеток [38]; полимерных сеток, ячеек, полотнищ, каркасов [80,81,82]. По предложенным методам расчета армогрунта, разработаны мероприятия по обеспечению стойкости, надежности и долговечности фундаментов, зданий и сооружений.
По сути дела, исследуется, разрабатывается, проектируется и внедряется новый композиционный материал, включающий грунт и армирующие элементы, характеристики которого можно задавать исходя из задач практики.
Как уже отмечалось, эффективность метода армирования грунта доказана. Однако для более широкого и обоснованного внедрения необходимы нормативная и техническая базы. Для совершенствования расчета армированного грунта необходимо проведение комплексных экспериментальных исследований с получением коэффициентов и функций влияния определенных параметров.
Целью диссертационной работы является: поиск оптимальных вариантов армирования глинистого основания и разработка рекомендаций по их расчету.
В связи с этим поставлены и решены следующие задачи:
разработать методику проведения экспериментов;
провести комплекс лабораторных экспериментов с различными смесями глинистого грунта и армирующими элементами;
получить функциональные зависимости между влияющими параметрами;
исследовать характер взаимодействия арматуры с грунтом;
выяснить случаи целесообразного армирования оснований;
дополнить известные классификации повреждений и аварий зданий;
разработать рекомендации по расчету и проектированию армированных оснований.
Научная новизна работы состоит в следующем:
получены эмпирические зависимости несущей способности и перемещений оснований и фундаментов от состава глинистого грунта, параметров армирования и силового воздействия;
установлены закономерности деформирования армированного глинистого основания;
дополнены известные классификации причин повреждения конструкции, зданий и сооружений;
разработана методика расчета глинистых армированных оснований при действии на незаглубленный фундамент осевой вертикальной силы.
Практическое значение работы состоит в:
получении новых экспериментальных данных по эффективности армирования глинистого основания;
установлении взаимосвязи между определяющими параметрами и получении коэффициентов и функции влияния;
разработке моделей армированных оснований на основе изучения контактного взаимодействия грунта с арматурой;
уточнении и расширении классификации причин аварий, повреждений и дефектов, способствующих предупреждению разрушений;
определении рациональных областей армирования;
разработке методики расчета и проектирования армированных глинистых оснований;
Достоверность результатов работы основывается на:
использовании метрологически проверенного силового оборудования и измерительных приборов;
обоснованной повторности и статистической обработке результатов экспериментальных исследований;
сравнении отдельных опытов с аналогичными других автор
Внедрение результатов работы:
используются в учебном процессе при подготовке инженеров по
специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство», магистров по программе «Теория и проектирование зданий и сооружений» направления 270100 «Строительство».
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава (2005...2008 гг.); на международных научно-практических конференциях: «Прогрессивные технологии развития», ТГТУ, 2004; «Качество науки - качество жизни», ТГТУ, 2005; «Наука на рубеже тысячелетий», ТГТУ, 2005.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 13 статей, в том числе, три статьи в издании из перечня ВАК РФ.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников из 130 наименований. Работа изложена на 217 страницах машинописного текста, включая 34 таблицы, 126 рисунков.
На защиту выносятся:
результаты экспериментов с моделями фундаментов на армированном глинистом основании;
функциональные зависимости несущей способности и перемещений оснований от конструкции, размеров и расположения армирующих элементов, состава грунта;
данные о механизме взаимодействия грунта с арматурой и оптимальных инженерных решениях;
материалы по систематизации причин аварий и дефектов оснований (в том числе армированных) и конструкций;
рекомендации по практическому использованию способа армирования основания;
методика расчета и проектирования глинистого армированного основания.
При выполнении данной работы большую помощь автору оказывал к.т.н., доцент Антонов В. М.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:
р - плотность грунта, г / см3;
Pd - плотность в сухом состоянии, г / см ;
ps - плотность частиц, г / см ;
ю - естественная влажность;
L - влажность на границе текучести;
Юр - влажность на границе раскатывания;
1р - число пластичности;
II - показатель текучести;
Sr - степень влажности;
е - коэффициент пористости;
ф - угол внутреннего трения, град;
Е - модуль деформации, МПа;
с - удельное сцепление, кПа;
Dst - диаметр штампа, мм;
dg - диаметр арматуры, мм;
ds = ds/Dst - относительный диаметр арматуры;
Ls - длина арматурной сетки, мм;
Bs - то же ширина;
tsi - шаг стержней по длине арматурной сетки, мм;
tgb - то же по ширине;
tsi = ts, /Dst - относительный шаг стержней по длине арматурной сетки;
tsb = tsb/Dst - то же по ширине;
Ls = Ls /D^ - относительная длина сетки;
Bs = Bs /D^ - то же ширина сетки;
hs - глубина заложения сетки от подошвы фундамента;
hs = hs /Dst - то же относительная глубина;
p - давление на грунт, МПа;
F - вертикальная нагрузка на штамп, кН;
Т - горизонтальная нагрузка на штамп;
Fu - несущая способность ( разрушающая нагрузка ) неармированного
основания, кН;
Fsu - то же армированного, кН;
FSu = F^ /Fu - относительная величина эффективности армирования на
грунта основания;
F = Fsu/Vs - удельная несущая способность армированного основания,
г / см3;
S - осадка штампа, мм;
Su = S u /Dst - относительная осадка;
ц - процент армирования грунта основания;
а - угол наклона стержней к горизонтали, град;
ео - эксцентриситет приложения нагрузки, мм;
ё0 = ео / R - относительный эксцентриситет приложения нагрузки;
aFe=Fsue /Fue ' aFt= Fsut/Fut" коэффициенты влияния арматуры на несущую способность основания по результатам и расчетов.
Экспериментальные исследования армированных оснований фундаментов
Большинство исследований проводили применительно к конструированию подпорных стен и дорожных сооружений. Армированию грунтовых оснований фундаментов уделяли меньшее внимание, хотя эта тема не менее актуальна. Исследования, проведенные с целью повышения несущей способности оснований фундаментов с помощью армирования, выполняли как на песчаном, так и на глинистом грунте. Армирующие элементы располагали горизонтально, вертикально [92] и хаотично [104,112]. В качестве арматуры применяли алюминиевую фольгу, стекловолокно, ткань, полипропилен, оцинкованные металлические стержни, базальтовое волокно [11,113]. К. Джоунс (С. Gones) [28] проводил исследования по сравнению различных одиночных включений из металла и тканевого материала Т-140, размещенных на разной глубине в слое плотного и рыхлого песка. Влияние включений зависит от глубины их размещения (рис. 1.3), где относительное заглубление hs = h /B (hs - расстояние от подошвы фундамента до включения, В - сторона подошвы фундамента) представлено в зависимости от коэффициента упрочнения, выраженного как отношение величины напряжения в основании с армированием к величине напряжения в основании без армирования, рассчитанных при относительной осадке S = s/B. Оптимальные относительная глубина расположения армирующих элементов hs opt = (0,3..0,4)B. Милович (1970 г.) изложил [8] результаты лабораторных испытаний, приведенных с ленточными фундаментами шириной В=25 см на песчаном основании, слой песка под фундаментом был армирован стальной сеткой. Совершенствованию методики определения параметров взаимодействия армирующих полос с грунтом засыпки посвящена работа А. Л. Аксенова и Д. Ю. Штикеля [4]. В ней дан анализ существующей методики лабораторных исследований. Предлагается испытывать армирующие полосы на выдергивание.
Ю. В. Феофилов [110,111] проводил модельные и натуральные испытания на кварцевополевошпатном песке. Влияние глубины заложения арматуры оценивалось коэффициентом "улУчшения свойств основания". Данный коэффициент определяли как отношение удельного давления на армированный грунт к величине удельного давления на неармированный Ра/Р0 при одной и той же относительной осадке. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что максимальный эффект армирования достигался при относительной глубине заложения арматуры hJB — 0,4.
В опытах Хамдана Фуада Ахмеда [113] армирование глинистого грунта выполняли базальтовыми волокнами диаметром 0,3..0,5 мм, длиной 0,03..0,1 м. Грунт укладывали слоями и на определенной глубине рассыпали волокна слоем толщиной 0,03В (В - сторона подошвы фундамента). Наибольший эффект армирования получен при Ls = 2В, hs = (0.16..0,25)В - для одноярусного армирования. В случае двухъярусного армирования наибольший эффект достигался при расположении первого яруса на hs = 0.16В и при таком же расстоянии от первого до второго яруса.
Большинство исследований по вопросу армирования грунта выполняли при проектировании и возведении подпорных конструкций и дорожных сооружений. Самые ранние разработки, касающиеся усиления грунтовых оснований армированием, относятся к 1924 году, когда Койн (Coun) [11] предложил аналогию работы армированного грунта с балкой Гау. Единый блок образуется в этом предположении с помощью связи раскосов и стоек с грунтом.
Работы Видаля [9] ускорили разработки данного вопроса, как в области конструирования, так и в области анализа состояния армированного грунта. Видаль показал, что арматура служит не восприятию растягивающих напряжений, а анизотропному снижению или устранению нормальной составляющей скорости деформаций.
Если к образцу грунта приложена вертикальная нагрузка, то элемент будет испытывать деформацию бокового расширения Sh и осевого сжатия 5V. При введении в грунтовый элемент арматуры в виде горизонтальных слоев на грунт будут накладываться ограничения, эквивалентные боковому давлению в состоянии покоя: jh = K0yh = aJCo, (1.2) где Ко = 1 - sin (р{(р- угол внутреннего трения). Растягивающее напряжение в любом элементе арматуры равно К0 a/As, где д - площадь поперечного сечения арматуры. Деформация арматуры Я О-ЖІ/АЛ. (1.3) Боковая деформация грунта в направлении арматуры ss 5s=avK(/AsEs. (1.4) Если эффективная жесткость арматуры ASES является высокой, тогда ss—±0. При снижении жесткости увеличивается и коэффициент давления грунта Ко — /4, где Ка = tg2 (45 - ср/2) - коэффициент активного давления. Механизм работы армированного грунта можно объяснить следующим образом. Если двухразмерный элемент несвязного грунта подвергнется напряжению в направлении одной оси, то он не сможет оставяться в равновесии, так как круг Мора отрежет огибающую прочности грунта рис. 1.3). Когда элемент находится в двухосном равнонапряженном состоянии, то он будет испытывать однородное сжатие. Если одно напряжение (например а{) увеличивается, а второе (аз) остается постоянным, то произойдет сжатие элемента в направлении ai и расширение в направлении аз.
Исследование физико-механических характеристик грунтов
Грунты нарушенной структуры привозили из Покровского карьера г. Тамбова. Песчаный грунт доставляли из Красненького карьера.
Приборы, оборудование и методики испытаний соответствовали действующим требованиям ГОСТов.
Основанием моделей является послойно уплотнений грунт нарушенной структуры, предварительно измельченный. Толщину слоев укладываемого грунта принимали равным 5см. Уплотнение производили ручной трамбовкой массой 5кг с размерами подошвы 22 х 22 х 0,8см. Изменение плотности осуществляли использованием разного числа ударов трамбовки по 1 следу. Плотность укладки контролировали режущими кольцами и протарированным плотномером.
Сдвиговые неконсолидированные недренированные испытания проводили по методике быстрого сдвига на лабораторном сдвиговом приборе (по ГОСТу 12248-96). Результаты испытаний представлены в табл. 2.9; 2.10 и на рис (2.5; 2.6)
Цель работы: поиск оптимальных вариантов армирования связного грунта основания и оценка влияния содержания глинистых фракций на деформативность основания. В задачи исследований входило экспериментальное изучение влияния вида и расположения арматуры, её размеров (Ls, Bs, ts), диаметра стержней арматуры (ds), расстояния до арматуры (hs), параметров основания (плотность, влажность грунта), а также изменения содержания глинистых частиц основания (моделей 01; 02; 03; 04) на деформативность и несущую способность армированного основания фундаментов.
Эксперименты проводили в металлическом лотке размерами 1 х 0,85 х 0,6 м, заполненном грунтом и оснащенном рычажной системой (рис. 3.2)
Нагрузку создавали с помощью грузов, укладываемых на подвеску рычага с передаточным числом 1:6. В качестве основания использовали глинистый грунт 04 из Покровского карьера г. Тамбова. В лаборатории провели определение фазовых характеристик грунта, его консистенции, а также компрессионные и сдвиговые испытания. В качестве модели фундамента использовали штамп диаметром Dst = 120 мм; с гладкой контактной поверхностью. Грунт основания отсыпали слоями по 3...5 см до определенного уровня, устанавливали арматурную сетку из проволоки класса Вр - I и продолжали послойную укладку грунта с уплотнением металлическими трамбовками. Каждый слой уплотняли одинаковым количеством ударов трамбовки по одному следу. Величину плотности грунта контролировали методом режущего кольца и протарированным плотномером. После каждого эксперимента грунт убирали на глубину 2...3 диаметра модели и укладывали заново.
В ходе испытаний определяли осадку (S) во всем диапазоне нагрузок индикаторами часового типа ИЧ-10, укрепленными на реперной раме. Ступени нагружения принимали равными 0,1 от предполагаемой разрушающей нагрузки. Каждую ступень выдерживали до условной стабилизации осадок (0,2 мм/час). Нагружение проводили либо до разрушения, сопровождающегося опрокидыванием модели с выпором грунта, или резким увеличением скорости её перемещений, либо до получения условной предельной осадки фундамента [ S]u « 12 мм (0,lDst).
Многофакторный анализ деформативности оснований, армированных горизонтальными элементами
В серии опытов (на глинистом основании 04 со = 0,18 и р = 1,53 г / см3) использовали сетками: С1; С2; СЗ; С4 с шагом ts= 100 мм; С5; С6; С7; С8 с шагом ts = 66,67 мм; С9; СЮ; СП с шагом tsi = 40 мм, Ьъ = 50 мм при постоянной глубине заложения сетки hs = 0,2Dst = 24 мм. 3.3.1 Серия 1: Армирование выполняли сетками: С1; С2; СЗ; С4 при постоянных размерах Lsx Bsx ts; но с изменением диаметра ds = 4 мм; 5 мм; 7 мм; 9 мм. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.2 и на рисунках (3.4... 3.6). - из табл. 3.2 получено что, максимальная несущая способность Fsu = 5,58 кН при диаметре сетки сЦ = 9 мм (максимальный диаметр сетки); - максимальная удельная несущая способность F =0,156 кН/см3 получена при ds = 4 мм (минимальный диаметр сетки); - с армированием несущая способность основания увеличивается от 1,5 до 1,94 в зависимости от диаметра сетки. Испытания (при той же постоянной влажности и плотности) проводили с изменением объема и шага стержней сетки при постоянной глубины заложения сетки и её диаметра. Испытания (при той же постоянной влажности и плотности) проводили с изменением относительной глубины заложения (hs= 0; 0,2 ; 0,4 ; 0,6; 0,8; 1,0) арматурной сетки С1 и С2. Испытания проводили по той же схеме при постоянной глубине заложения сетки hs= 0.2 Dst = 24 мм армировали с сетками С1 и С2. Грунт послойно укладывали и уплотняли металлическими трамбовками. Основание модели 04 армировали сеткой С1 при hs= 24 мм и со = 0,17. На модель фундамента передавали ступенчато возрастающую осевую вертикальную нагрузку. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.10 и на рисунках (3.21 ;3.22 )
Эксперименты проводили в пространственном металлическом лотке размером 1x0,85x0,6 м. Основанием являлся суглинок нарушенной структуры ласкинского карьера г.Тамбова. Размельченный грунт укладывали слоями по 10см и уплотняли ручной трамбовкой до р = 1.8г/см3. Плотность контролировали с помощью режущих колец и протарированного плотномера. Моделью фундамента является жесткий стальной штамп Dst = 120мм. Нагрузку передавали рычагом ступенями. Общее число их колебалось от 10 до 15. Принимали четыре интервала скорости нагружения: 15с, 150с, 500с, 1500с. Для выяснения влияния армирования параллельно проводили эксперименты на неармированном и армированном основаниях. В качестве армирующего элемента использовали сетки из стальной проволоки класса Вр-1300. Предварительными экспериментами установлено, что наибольший эффект армирования достигали при размещении сетки на глубине 0.2Dst. Эту величину принимали во всех случаях.
Нагрузку на основании доводили до разрушения, то есть определяли Fu и Fsu (соответственно величины для неармированного и армированного грунта). Опыты проводили с двухкратной повторностью. Использовали модельные грунты 04: со = 0,07; р = 1,57 г/см3 и 03: со = 0,19; р == 1,8 г/см3. Результаты экспериментов представлены на рис. (3.37...3.42) и в табл. (3.16; 3.17).
Многофакторный анализ деформативности оснований, армированных вертикальными стержнями
В целях поиска оптимального инженерного решения проведено несколько серий экспериментов с армированием вертикальными стержнями. В качестве модели фундамента использовали стальной штамп диаметром Dst = 120мм. Армирующими элементами являлись стержни диаметром ds = 3; 4; 5 и 6мм. Длина стержней ls = 60; 120 и 180мм. Изменяли расположения их (внутри и вне штампа, по контуру), hs = 0; 0,1; 0,2; 0,3; и 0,4 (hs = hs / D), и hs = 0; 0,1; 0,2; 0,3; и 0,4 расстояние между стержнями Sd= Sd / D (рис.4.1). Угол наклона стержней к горизонтали от штампа изменяли: а = 15; 25; 35; 45; 60 и 75. В нецентренном нагружении грунта основания принимали относительный эксцентриситет приложения нагрузки ё0 = eo/R = 0,5 (е0 - эксцентриситет приложения силы, R - радиус штампа). Процент армирования JJ, определяли по формуле: где As - площадь поперечного сечения стержней, Ast- площадь штампа.
Стержни забивали в заранее подготовленное основание типа 01 (суглинок легкий пылеватый с 1р = 0,087; і = 0,232; шр = 0,145) так, чтобы их верхний конец не доходил до нижней плоскости штампа на 15мм. Испытания проводились при постоянной плотности р = 1,60 г/см и влажности CD = 0,14.
Армирование проводилось арматурой в два ряда: под штампом и вне штампа. В экспериментах использовались стержни длиной ls= const =120 мм, диаметр стержней ds=3,5 мм, шаг стержней Sd = const = 0,2, расстояние от штампа до армирующих элементов при армировании под штампом hs=0; 0.1.
При двойном вертикальном армировании связного грунта основания 01 вне штампа и под штампом при постоянном шаге стерлшей и переменном расстоянии от штампа до армирующих элементов наиболее заметное повышение несущей способности наблюдалось при расстоянии от штампа до армирующих элементов hs=0, hs =0.3D до 80%, при диаметре стержней ds=5 мм.
Испытания проводили при h = 0,5 и 1; ds=3 мм; Sd = 0,2 и 0,4; hs = 0,2 и 0,4. Угол наклона стержней к горизонтали изменяли, принимая а = 15; 25; 35; 45; 60 и 75. Графики зависимости относительной несущей способности основания от угла наклона арматуры, шага стержней, расстоянии до армирующих элементов представлены на рисунках 4.14-4.17 (опыты 14...61).
При наклонном армировании связного грунта основания 01, переменном и постоянном шаге стерлшеи, с изменением процента армирования, угла наклона стерлшеи максимальное повышение несущей способности наблюдалось при расстоянии от штампа до армирующих элементов hs =0.2 в 1,8 раза. Влияние диаметра и длины стержней на деформативность основания при внецентренном погружении.
Как отмечалось ранее, система «арматура-грунт» отличается многообразием конструктивных решений, свойствами материалов армирующих элементов, их размерами, жесткостями и т.п. Вследствие этого. приведенные характеристики армогрунта могут изменяться в достаточно широких интервалах, что оказывает значительное влияние на прочность, надежность и долговечность зданий в ЦЄЛОМ:
Ниже приведены результаты анализа опубликованных данных [7, 10, 15, 38, 47, 53, 73], экспериментов автора с изучением качественных картин и количественных соотношений между влияющими параметрами.
