Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные данные о взаимодействии фундаментов различной формы и размеров подошвы с основанием 13
1.1. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов 13
1.2. Экспериментальные исследования распределения напряжений и деформаций в основании фундаментов с изменением подошвы 22
1.3. Численные методы оценки напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов 30
1.4. Выводы по главе 40
Глава 2. Полевые экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния оснований с учетом влияния формы подошвы фундаментов 41
2.1. Цель экспериментальных работ и методика проведения исследований 41
2.2. Инженерно-геологические условия опытных площадок 48
2.3. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия фундаментов различной формы подошвы с основанием
2.3.1. Определение осадок фундаментов и деформаций в основании 52
2.3.2. Исследование характера распределения напряжений в активной зоне фундаментов со сложным очертанием краевой зоны 70
2.4. Выводы по главе 76
Глава 3. Исследование напряженно-деформированного состояния основания фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы методом конечных элементов 78
3.1. Основные положения и обоснование модели 78
3.2. Численное исследование напряженно-деформированного
состояния упругопластического основания 79
3.2.1. Влияние формы подошвы фундамента з
3.2.2. Напряженно-деформированное состояние оснований крестообразных фундаментов в зависимости от размеров подошвы 86
3.2.3. Влияние прочностных характеристик грунта с и ср 88
3.2.4. Влияние деформационных характеристик грунта Е и уна напряженно деформирование состояния основания 95
3.2.5. Влияние мощности сжимаемого слоя на распределение напряжений и деформаций в активной зоне 101
3.3. Инженерный метод расчета осадок крестообразных фундаментов 105
Глава 4. Теоретические исследования пространственного взаимодействия крестообразного фундамента с основанием 110
4.1. Основные положения метода, оценка напряженного состояния основания крестообразного фундамента
4.2. Прогноз осадок фундаментов с крестообразной формой подошвы 118
Глава 5. Сравнение расчетных и экспериментальных значений осадок фундаментов со сложной формой подошвы 125
5.1. Сопоставление натурных экспериментальных исследований крестообразных фундаментов с расчетными данными 125
5.2. Результаты сравнения расчетных осадок сооружений со сложным очертанием опорной плиты с данными геодезических наблюдений
5.2.1. Конструктивные особенности сооружения, инженерно-геологические условия площадки строительства 127
5.2.2. Распределение напряжений и перемещений в основании фундаментов с учетом их взаимного влияния 132
5.2.3. Мониторинг за осадками фундаментов сооружения 136
- Экспериментальные исследования распределения напряжений и деформаций в основании фундаментов с изменением подошвы
- Численные методы оценки напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов
- Исследование характера распределения напряжений в активной зоне фундаментов со сложным очертанием краевой зоны
- Влияние деформационных характеристик грунта Е и уна напряженно деформирование состояния основания
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основной задачей, стоящей в настоящее время перед геотехниками, является снижение стоимости и повышение надежности устройства фундаментов. Традиционные конструкции фундаментов каркасных зданий имеют квадратную или прямоугольную форму подошвы в плане.
Предлагается изменить традиционный способ передачи нагрузки на основание, чтобы условия работы основания и самого фундамента существенно улучшились в благоприятную сторону, и при этом происходит изменение напряженно-деформированного состояния в активной зоне. Этот принцип нашел дальнейшее развитие при устройстве фундаментов со сложной формой подошвы в плане, позволяющих передавать на основание большие нагрузки и снизить осадки фундаментов. Это обусловлено включением в работу большего объема грунта в основании, наличием «арочного эффекта» между выступами фундамента.
Актуальность темы обусловлена необходимостью внедрения в практику проектирования и строительства более совершенных конструкций отдельно стоящих фундаментов и методов их расчета, основанных на научных исследованиях, учитывающих особенности напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов со сложной формой подошвы.
Вместе с тем, в нормативных документах отсутствует методика расчета фундаментов со сложным очертанием опорной плиты. В настоящее время расчет фундаментов производят по второму предельному состоянию (по деформациям) с ограничением передаваемого на грунт давления величиной расчетного сопротивления грунта в пределах линейной зависимости между напряжениями и деформациями, что не всегда дает удовлетворительные результаты. Однако не во всех случаях заложенный в нормы метод расчета фундаментов позволяет в полной мере использовать прочностные О, С) и деформационные (Е, v) характеристики грунта.
Комплексные экспериментальные и теоретические исследования с целью разработки методов расчета фундаментов со сложным очертанием опорной плиты, выяснение закономерностей и особенностей пространственного взаимодействия таких фундаментов с основанием несомненно являются актуальными.
Степень разработанности темы исследования. Теоретическому исследованию оснований и фундаментов посвящены работы В. А. Флорина, А. А. Ильюшина, М. И. Горбунова-Посадова, Н. А. Цытовича, К. Е. Егорова, Ю. К. Зарецкого, М. В. Малышева, З. Г. Тер-Мартиросяна, С. С. Вялова, А. Н. Богомолова и многих других авторов.
Экспериментальные исследования Е. А. Сорочана, В. Н. Голубкова, Ю. Ф. Тугаенко, М. И. Фидарова, Ю. Н. Мурзенко, А. Н. Тетиора и других авторов позволили разработать принципы проектирования оснований фундаментов со сложной формой подошвы.
На основании проведенного обзора и анализа литературных источников были сформулированы цель и задачи исследования.
Цель и задачи исследования. Целью работы является выяснение закономерностей и особенностей совместной работы фундаментов со сложным очертанием опорной плиты с основанием, исследование влияния формы и размеров отдельно стоящих фундаментов на напряженно-деформированное состояние основания.
Объект исследования: отдельно стоящие фундаменты на естественном основании со сложной формой подошвы в плане, позволяющие улучшить условия пространственного взаимодействия фундамента и основания. Наличие выступов в подошве приводит к изменению контура опорной плиты и позволяет получить положительный эффект за счет более полного использования несущей способности основания. При этом увеличивается периметр опорной плиты и снижаются осадки по сравнению с фундаментами эквивалентной площади.
Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние основания при взаимодействии его с фундаментами крестообразной, трехлучевой, треугольной, многоугольной формой подошвы в плане.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
разработать эффективные конструкции отдельно стоящих фундаментов со сложной формой подошвы, обеспечивающих более полное использование несущей способности основания и проверить их работоспособность;
-
изучить закономерности распределения вертикальных напряжений в активной зоне и контактных напряжений по результатам комплексных полевых экспериментальных исследований штампов с геометрически изменяемой формой подошвы; выявить особенности распределения послойных вертикальных перемещений грунта и глубины зоны деформации при возрастании нагрузки во всем интервале нагружения;
-
установить характер распределения напряжений в основании, разработать методику прогноза осадок фундаментов с крестообразной формой подошвы аналитическим методом;
-
провести численные исследования напряженно-деформированного состояния основания фундаментов со сложной формой подошвы путем решения пространственной упругопластической задачи с учетом образования зон пластических деформаций; выявить влияние различных факторов: формы и размеры фундамента, прочностные О, С) и деформационные (Е, v) характеристики грунта, мощность сжимаемой толщи (Н/Ъ) на изменение напряженно-деформированного состояния основания;
-
выявить оптимальные параметры конструкции крестообразного фундамента, разработать инженерный метод расчета осадок фундамента с крестообразной формой подошвы с использованием многофакторной степенной зависимости.
Научная новизна исследований:
- на основании результатов комплексных экспериментальных исследований в полевых условиях выявлены особенности и основные закономерности совместной работы фундаментов со сложной формой подошвы с основанием;
- на основе исследования закономерностей пространственного
взаимодействия фундаментов с основанием установлено влияние формы и
размеров подошвы фундамента, прочностных и деформационных свойств грунта,
мощности сжимаемой толщи на изменение напряженно-деформированного
состояния в активной зоне;
проведенный регрессионный анализ с использованием много факторных математических моделей позволил разработать практический метод прогноза осадок фундаментов с крестообразной формой подошвы, доведенный до инженерного уровня, обеспечивающий надежность и безопасность строительства.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
в доказательстве эффективности и работоспособности использования фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы, более полно использующих несущую способность основания;
в возможности оценки напряженно-деформированного состояния основания фундаментов со сложной формой подошвы;
в разработке инженерного метода расчета крестообразных фундаментов по деформациям во всем диапазоне действующих нагрузок в связных и несвязных грунтах.
Практическая значимость исследований состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы при проектировании и строительстве отдельно стоящих фундаментов на естественном основании.
Целесообразность практического использования полученных решений подтверждена:
при внедрении результатов исследований при возведении фундаментов элеватора датской компании SKIOLD A/S на объекте «Строительство свинофермы на 1250 свиноматок в районе д. Исаевка Советского района Республики Марий Эл»
в ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» (ФГБОУ ВПО «ПГТУ») при подготовке курсов лекций по дисциплинам «Основания и фундаменты» для студентов, обучающихся по учебным планам направления 08.03.01 «Строительство» и повышении квалификации инженеров-проектировщиков.
Методология и методы исследований:
анализ отечественного и зарубежного опыта существующих методов устройства эффективных фундаментов со сложным контуром краевой зоны;
проведение экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния основания фундаментов со сложной формой подошвы в полевых условиях в связных и несвязных грунтах;
анализ результатов натурных экспериментов взаимодействия фундаментов с основанием и напряженно-деформированного состояния в активной зоне во всем интервале нагружения;
численное моделирование напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов со сложной формой подошвы в плане;
разработка инженерного метода прогноза осадок фундаментов с крестообразной формой подошвы;
мониторинг за осадками сооружения в процессе строительства и эксплуатации, сравнение результатов, полученных экспериментальным путем с расчетными величинами.
Положения, выносимые на защиту:
результаты комплексных полевых экспериментальных исследований распределения напряжений и деформаций в активной зоне фундаментов со сложной формой подошвы в различных грунтовых условиях;
закономерности изменения напряженно-деформированного состояния основания фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы на основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований;
инженерный метод расчета осадок крестообразных фундаментов при давлениях, превышающих расчетное сопротивление грунта;
эффективные конструкции отдельно стоящих фундаментов со сложной формой краевой зоны подошвы, готовые к применению в практике строительства, защищенные патентами.
Личный вклад автора состоит в постановке проблемы, формулировании целей и задач, в разработке принципов конструирования эффективных типов фундаментов, поиске их решений путем экспериментальных исследований, личном проведении опытов, в выполнении обработки и интерпретации полученных результатов, разработке принципов расчета и инженерного метода прогноза осадок, формулировании основных выводов.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность результатов обеспечивается:
использованием в работе стандартных общепринятых методов исследования, основанных на применении современных представлений о сопротивлении материалов, механике деформируемого твердого тела, теории упругости и пластичности;
выполнением комплексных полевых экспериментальных исследований с использованием апробированных контрольно-измерительных приборов и аппаратуры, тарированных первичных преобразователей и поверенных средств измерения;
сопоставлением результатов численных и аналитических решений с данными натурных исследований;
использованием в расчетах сертифицированных геотехнических программных комплексов, реализующих метод конечных элементов;
практической реализацией разработанных принципов конструирования и положительными результатами внедрения конструкций фундаментов и методов расчета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на международной геотехнической конференции «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (Казахстан, Алматы, 2004 г.), академических чтениях по геотехнике
«Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и
практики механики грунтов и фундаментостроения» (Казань, КГАСУ, 2006),
академических Чтениях им. профессора А. А. Бартоломея «Труды
международной конференции Геотехнические проблемы ХХI века в
строительстве зданий и сооружений» (Пермь, 2007), международной
конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых
территориях» (Волгоград, ВолгГАСУ, 2010), международной научно-
технической конференции «Инновационные конструкции и технологии в
фундаментостроении и геотехнике» (Липецк, 2013), международных
конференциях НАСКР-2012 и НАСКР-2014 (Чебоксары, ЧГУ), международной конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплекса» (Йошкар-Ола, ПГТУ, 2013). По материалам исследований опубликовано 13 научных статей, 3 из которых в изданиях перечня ВАК. По результатам исследований получено 2 патента на изобретение и полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографии, приложения. Диссертационная работа содержит 158 страниц машинописного текста, 132 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 145 наименования, в том числе из них – 11 иностранных.
Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно
сформулированной цели научной работы, ее научной новизне, установленной практической значимости, диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 – «Основания и фундаменты, подземные сооружения», пункту 3 – «Разработка новых методов расчета высокоэффективных конструкций и способов устройства подземных сооружений промышленного и гражданского назначения»; пункту 9 – «Разработка научных основ и основных принципов создания новых, теоретически и экспериментально обоснованных моделей грунтовых сред и основанных на их использовании методов определения свойств грунтов, расчета оснований, фундаментов и подземных сооружений».
Экспериментальные исследования распределения напряжений и деформаций в основании фундаментов с изменением подошвы
Первые фундаментальные теоретические исследования оснований представлены в трудах Ш. Кулона, В. Ренкина, В. И. Курдюмова, Л. Прандтля и других ученых. Важным вкладом в современную механику грунтов и теорию расчета сооружений явились работы Н. П. Пузыревского, К. Терцаги, Н. М. Герсеванова, В. А. Флорина, В. Г. Березанцева, Н. А. Цытовича, В. В. Cоколовского, А. Н. Крылова, Г. Э. Проктора и других исследователей.
В настоящее время можно выделить две группы моделей, используемых при расчете оснований. Первая группа - модели, которые учитывают местные упругие деформации грунта: модель Винклера [145], двухпараметрическая модель П. Л. Пастернака [85], с переменным коэффициентом жесткости [5,6]. В соответствии с моделью Винклера деформации основания происходят только в точке приложения силы, величина деформаций пропорциональна интенсивности нагрузки в этой точке.
Натурные наблюдения за строящимися зданиями и сооружениями показали ограниченность применения модели Винклера, не учитывающей распределительной способности основания. Недостатком гипотезы Винклера является влияние величины и формы площадки загружения на значение коэффициента постели основания.
Наиболее распространенной в практике расчетов является модель упругого полупространства, предполагающая, что деформации основания пропорциональны нагрузке на фундамент и развиваются за пределами приложенной нагрузки. В модели упругого полупространства деформационные свойства грунта выражаются модулем общей деформации Е0 и коэффициентом Пуассона v. Теория расчета фундаментов на упругом полупространстве получила дальнейшее развитие в работах Г. Э. Проктора [95], Н. П. Пузыревского [97], Н. М. Герсеванова [24], В. А. Флорина [124,125], М. И. Горбунова-Посадова [41], Б. Н. Жемочкина [58], И. А. Симвулиди [100], В. И. Соломина [104,105] и др.
При расчете по теории упругости по сравнению с гипотезой Винклера учитывается распределительная способность основания. Модель упругого полупространства дает возможность оценить напряженно-деформированное состояние в основании, построить эпюры контактных напряжений. Недостаток модели упругого полупространства проявляется в увеличении в расчетах распределительной способности основания по сравнению с данными экспериментальных исследований и значительное возрастание реактивных давлений у краев штампа, которое приводит к завышенным значениям изгибающих моментов.
В расчетной модели основания с двумя коэффициентами постели, разработанной П. Л. Пастернаком [85] предложено решение для устранения недостатков модели Винклера и модели упругого полупространства. Затухание осадок с глубиной в основании происходит значительно быстрее, чем в теории упругого полупространства.
Заслуживает внимание при расчете оснований модель линейно деформируемого слоя конечной толщины. Теорию расчета фундаментов на слое ограниченной толщины развивали С. С. Давыдов [43], К. Е. Егоров [54,55], О. Я. Шехтер [131]. Основная предпосылка теории слоя конечной толщины заключается в том, что с фундаментов взаимодействует расчетная область основания, которая подстилается несжимаемым слоем. При ограничении мощности сжимаемого слоя значения осадок приобретают конечные значения, что при различных видах нагружения дает возможности учитывать деформационные параметры области основания.
В случае, когда в пределах сжимаемой толщи отсутствует скальное основание, нижняя граница сжимаемого слоя определяется исходя из условия, что вертикальные напряжения от действующей нагрузки jzp составляют 0,2 jzq величины напряжений от собственного веса грунта. Глубина и размеры сжимаемого слоя зависят от приложенной нагрузки, глубины заложения, формы и размеров подошвы фундамента, инженерно-геологических условий. Представленные модели расчета основания используются при расчете и проектировании фундаментов инженерных сооружений.
Строительство современных зданий и сооружений, передающих на основание значительные давления, а также возведение инженерных сооружений на слабых, сильносжимаемых грунтах предполагает использование для расчетов моделей, учитывающих нелинейную связь между напряжениями и деформациями. Использование нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями в деформационной теории пластичности и теории пластического течения обеспечивает более достоверный прогноз напряженно-деформированного состояния основания.
Решение смешанной задачи теории упругости и пластичности грунта было предложено Д. Е. Польшиным [92,93], М. И. Горбуновым-Посадовым [42]. Считается, что при небольшом значении внешней нагрузки q, действующей на основание, пластические области в основании отсутствуют. Когда величина нагрузки q достигает значения qзар, в основании образуются зоны пластических деформаций с четкими границами. С ростом нагрузки происходит увеличение размеров пластических зон, вне которых грунт находится в линейно-упругом состоянии. Упругая и пластическая область в основании разделяются четкой границей. По этой границе устанавливается условие неразрывности поля напряжений. В упругой области выполняется условие совместности деформаций, в внутри предельной области соблюдается условие пластичности. При решении смешанной задачи теории упругости и пластичности составляется система дифференциальных уравнений: где oz,ox, TXZ - вертикальные, горизонтальные и касательные напряжения в точке основания; X, Z - проекция результирующего вектора нагрузок; асв - давление связности, равное асв = Cctgcp; \i - коэффициент Пуассона; и С - прочностные характеристики грунта. При решении задачи система уравнений дополняется граничными условиями и выражениями для оценки напряженно-деформированного состояния в предельной области.
Численные методы оценки напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов
Реальная оценка напряженно-деформированного состояния, установление границы активной зоны могут быть получены в результате комплексных натурных экспериментальных исследований в полевых условиях. Нами поставлена задача экспериментальным путем изучить влияние формы подошвы на совместную работу отдельно стоящего фундамента с основанием в связных и несвязных грунтах.
Проведем анализ результатов экспериментальных исследований фундаментов с различной формой подошвы для опытной площадки №1 и №2. Рассмотрим кинематику развития деформаций в основании штампов с различной формой подошвы с ростом нагрузки на фундамент.
В начальной стадии нагружения графики зависимости S=f(P) близки к линейному, что соответствует упругой стадии работы грунта в основании. Как видно из графиков для связного основания с достаточной точностью можно считать линейным участок в интервале нагрузок от 0 до 150 кПа (для моделей 1, 2, 5) и соответственно до 200 кПа (для моделей 3, 4). Участок пропорциональной зависимости S=f(P) для штампов с трехлучевой (модель 3) и крестообразной (модель 4) формой подошвы в 1,33 раза длиннее, чем для штампов с квадратной (модель 1), треугольной (модель 2) и многоугольной (модель 5) формой подошвы.
В результате исследований установлено, что предел пропорциональной зависимости между напряжениями и деформациями в основании для несвязного грунта зафиксирован до 200 кПа (модели 1, 2, 5) и соответственно до давления 250 кПа (для моделей 3, 4). Таким образом, предел пропорциональной зависимости S=f(P) под штампами моделей 3, 4 в 1,25 раза больше, чем под эквивалентными фундаментами моделей 1, 2, 5 с квадратной, треугольной и многоугольной формой краевой зоны. Процесс образования и развития зон пластических деформаций в основании штампов (модели 3, 4) происходит менее интенсивно, чем у эквивалентных фундаментов (модели 1, 2, 5).
С дальнейшим ростом нагрузки имеет место плавный перегиб графиков, что свидетельствует о переходе грунта в активной зоне из упругой стадии в упругопластическую.
Изменение формы подошвы от квадратной (модель 1) до трехлучевой (модель 3) и крестообразной (модель 4) при Р=350 кПа приводит к снижению осадок в связном грунте соответственно на 12,8% и на 24,4% (рис. 2.14.а).
Для фундаментов с треугольной (модель 2) и многоугольной (модель 5) формой подошвы графики S=f(P) практически не отличаются от квадратного фундамента (модель 1).
Приведенные на рис. 2.14.б данные наглядно показывают, что осадка трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента в несвязном грунте при Р=450 кПа меньше осадки квадратного фундамента (модель 1) соответственно в 1,18 и 1,26 раза.
Проведем анализ перемещений глубинных марок в основании для опытной площадки №1 (связный грунт – ИГЭ-2 суглинок мягкопластичный). Для квадратного штампа (модель 1) при Р=350 кПа перемещения марок М1, М2, М4, М6 по оси фундамента на глубине 0,25b; 0,5b; b; 2b составили 42,0 мм; 37,1 мм; 21,5 мм и 5,1 мм, величина остаточных деформаций соответственно составляет 66,9%; 53,2%; 40,3%; 36,4% (рис. 2.15). С изменением формы подошвы в плане к трехлучевой (модель 3) перемещения марок в тех же сечениях при Р=350 кПа составили 36,8 мм; 30,8 мм; 16,8 мм и 4,9 мм (рис. 2.17), а для крестообразного штампа (модель 4) соответственно 33,4 мм; 28,9 мм; 16,6 мм и 4,7 мм (рис. 2.18).
При разгрузке величина остаточных деформаций составила для трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундаментов соответственно 59,9%; 47,0%; 36,5%; 31,6% и 57,7%; 48,1%; 34,8%; 31,4%. Для марок М7, М8 на глубине 2,56 и 3,06 зафиксированы только упругие деформации.
Из графиков видно, наибольшие относительные деформации sz для квадратного фундамента (модель 1) при Р=350 кПа наблюдаются на глубине (0,7-0,8)6 и составляют 0,048 (рис. 2.15). Для трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента наибольшие относительные деформации sz зафиксированы на глубине 0,6256 и соответственно составляют 0,043 и 0,036.
Установлено, что для квадратного штампа (модель 1) нижняя граница зоны деформаций при Р=350 кПа находится на глубине 1,66, ширина зоны деформаций составляет 1,36. Результаты исследований свидетельствуют, что для трехлучевого штампа (модель 3) и крестообразного штампа (модель 4) при Р=350 кПа нижняя граница зоны деформаций находится на глубине 1,66 и 1,656. Ширина зоны деформаций для трехлучевого и крестообразного фундамента составляет 1,726 и 1,616.
Из приведенных данных видно, что при взаимодействии трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента с основанием в работу включается больший объем грунта, создается «арочный эффект» между выступами штампа, что приводит к снижению осадки и повышению несущей способности фундамента. Результаты экспериментальных исследований согласуются с опытами Е.А. Сорочана [109].
Исследование характера распределения напряжений в активной зоне фундаментов со сложным очертанием краевой зоны
На опытной площадке №1, представленной связным грунтом (ИГЭ-2 суглинок мягкопластичный), выполнялись эксперименты по изучению влияния формы подошвы фундаментов на распределение вертикальных сжимающих и контактных напряжений в основании (рис. 2.26-2.30). Характер распределения вертикальных сжимающих напряжений JZ в активной зоне под центром квадратного фундамента (модель 1) показан на рис. 2.26. В пределах линейной зависимости графика «осадка-нагрузка» возрастание вертикальных напряжений JZ происходит практически по линейному закону. С возрастанием нагрузки на фундамент увеличивается интенсивность роста вертикальных сжимающих напряжений JZ под центром штампа. Эпюра вертикальных напряжений oz имеет максимум до глубины 0,56, наибольшие значения напряжений oz при Р=350 кПа составляют 314 кПа.
При рассмотрении контактных напряжений в плоскости подошвы квадратного штампа (модель 1) можно обнаружить, что с ростом нагрузки форма эпюры контактных напряжений изменяется от прямоугольной к седлообразной с увеличением ординат JZ к краям (рис. 2.26).
Изменение вертикальных напряжений JZ в основании трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента иллюстрируется на рис. 2.28, 2.29. Максимальные напряжения oz при Р=350 кПа возникают в области, примыкающей к подошве фундаментов и достигают значений 287 кПа (трехлучевой штамп) и 282 кПа (крестообразный штамп). С изменением формы подошвы от квадратной до трехлучевой и крестообразной происходит более быстрое затухание напряжений oz с глубиной в активной зоне.
На рис. 2.28, 2.29 показан характер распределения контактных напряжений GZ по подошве трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента. Установлено, что контактные напряжения JZ имеют минимальные значения под центром подошвы фундаментов и концентрацию значений напряжений по краям. Распределение вертикальных и контактных напряжений oz под центром треугольного (модель 2) и многоугольного (модель 5) штампа в связном грунте с ростом нагрузки на фундамент изображено на рис. 2.27, 2.30.
Опытная площадка №2 характеризуется наличием сверху несвязного грунта (ИГЭ-1 песок средней крупности, средней плотности).
На рис. 2.31 приведены эпюры вертикальных напряжений oz по глубине основания под центром квадратного фундамента (модель 1). Результаты опытов показывают, что вертикальные напряжения JZ до предела пропорциональности зависимости S=f(P) возрастают линейно. За пределом пропорциональности происходит отклонение в характере распределения вертикальных напряжений JZ под центром квадратного фундамента от линейного закона. Максимальные вертикальные напряжения JZ по оси квадратного штампа при Р=450 кПа возникают в области, примыкающей к подошве фундамента на глубине 0,56, и достигают значений 524 кПа.
По мере роста нагрузки на квадратный фундамент (модель 1) происходит перераспределение контактных напряжений JZ по подошве, изменение формы эпюры контактных напряжений к седлообразной рис. 2.31.
Распределение вертикальных напряжений oz в активной зоне трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) приведено на рис. 2.33, 2.34. Установлено, что максимальные вертикальные напряжения JZ при Р=450 кПа возникают непосредственно под центром подошвы фундамента на глубине 0,56 и достигают значений соответственно 497 кПа и 462 кПа. Затухание вертикальных напряжений jz с глубиной в основании трехлучевого и крестообразного штампов происходит быстрее, по сравнению с квадратным штампом.
Как показывают опыты, контактные напряжения JZ по подошве трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента имеют наименьшие значения в центральной части подошвы, и наблюдается увеличение ординат напряжений oz к краям рис. 2.33, 2.34. На рис. 2.32, 2.35 приведены эпюры распределения вертикальных сжимающих и контактных напряжений JZ в основании треугольного (модель 2) и многоугольного (модель 5) фундаментов в несвязном грунте. модель -0,75 -0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 х/Ь модель Рис. 2.31. Распределение вертикальных напряжений az в основании (а) и контактных напряжений по подошве квадратного штампа (б) в несвязном грунте
Результаты исследований показали, что изменение контура краевой зоны подошвы для трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундаментов в связном грунте приводит к увеличению ширины зоны деформации в 1,24-1,32 раза по сравнению с эквивалентным фундаментом квадратной формы, в несвязном грунте ширина зоны деформации увеличивается соответственно в 1,22-1,26 раза. Величина относительных деформаций грунта є2 в активной зоне для моделей 3 и 4 соответственно снижается в 1,11-1,30 раза. В работу включается больший объем грунта, находящийся за пределами проекции фундамента, за счет создания «арочного эффекта» между выступами фундамента трехлучевой и крестообразной формы подошвы. Наличие выступов по подошве (модель 3, 4) изменяет характер передачи нагрузки от фундаментной конструкции на основание и позволяет более полно использовать несущую способность основания.
Влияние деформационных характеристик грунта Е и уна напряженно деформирование состояния основания
Достоверность инженерного метода определения осадок крестообразных фундаментов за пределами линейной деформируемости S=f(P) можно установить на основании сравнения результатов экспериментальных исследований с расчетными данными.
Экспериментальные исследования квадратных фундаментов Ф-1 размером 1,6x1,6 м площадью подошвы А=2,56 м2, крестообразных фундаментов Ф-2 внешним размером 1,8x1,8 м площадью А=2,60 м2 и Ф-3 внешним размером 1,6x1,6 м площадью А=2,07 м2 проведены Е. А. Сорочаном в грунтовом лотке размером 8x8x8 м [109]. Опытные фундаменты выполнены с двумя ступенями, каждая высотой 200 мм из бетона класса В15.
Основанием опытных фундаментов служил песок средней крупности, средней плотности, с коэффициентом пористости е=0,55-0,65, плотностью /7=1,60-1,67 г/см3, плотностью сухого грунта д/=1,58-1,62 г/см3, влажностью w=0,02-0,04. Значение расчетного сопротивления грунта, вычисленное Е. А. Сорочаном в основании опытных фундаментов, составляет R=250 кПа. Расчетные значения осадок крестообразных фундаментов получены с использованием инженерного метода прогноза осадок (формула 3.10) для несвязного грунта в диапазоне давления до Р=550 кПа.
Из приведенных данных видно, что при первых ступенях нагружения основание работает в стадии уплотнения, графики зависимости S=f(P) носят линейный характер до Р=250 кПа. Расчетный график S=f(P) для крестообразного фундамента Ф-2, Ф-3 пересекает экспериментальный при давлениях, превышающих значение расчетного сопротивления грунта. Разность осадок на последней ступени нагружения, полученных расчетным путем и по данным натурных экспериментов составляют 16,4-17,5%.
Выполненное сопоставление расчетных осадок крестообразных фундаментов с экспериментальными данными профессора Е. А. Сорочана показало удовлетворительное совпадение и возможность использования инженерного метода прогноза осадок при давлениях, превышающих расчетное сопротивление грунта.
Конструктивные особенности сооружения, инженерно-геологические условия площадки строительства Рассмотренный в главе 2, 3 фундамент с многоугольной формой подошвы (модель 5) был использован в качестве фундаментов элеватора датской компании SKIOLD A/S – одного из ведущих европейских производителей оборудования для производства кормов.
В современных строительных нормах и правилах отсутствует методика расчета фундаментов сложной многоугольной формы.
Фундаменты элеватора запроектированы в форме 5-ти сблокированных многоугольников с габаритными размерами подошвы отдельных блоков 11,0 м и 16,0 м (рис. 5.4). Фундаменты имеют сложную конфигурацию в плане и по подошве с учетом расположения технологических каналов (рис. 5.5). Глубина заложения подошвы фундаментов составляет 3,40 м.
Возникла необходимость в оценке напряженно-деформированного состояния основания и прогнозе осадок фундаментов сооружения с учетом взаимного влияния отдельных блоков. По данным инженерно-геологических изысканий, выполненных ЗАО «ПИ Агропроект», в геологическом строении площадки принимают участие элювиально-делювиальные четвертичные отложения (edQ), подстилаемые отложениями верхнетатарского яруса верхней перми (P2t2) (рис. 5.8). Под подошвой фундаментов элеваторов залегает слой ИГЭ-2 суглинок тугопластичный средней мощностью 0,4 м. Ниже расположен слой ИГЭ-3 суглинок мягкопластичный и ИГЭ-4 суглинок текучепластичный средней мощностью 0,8 м и 1,2 м соответственно. Подстилаются ИГЭ-6 глиной полутвердой, вскрытой до пределов исследуемой области.
Распределение напряжений и перемещений в основании фундаментов с учетом их взаимного влияния Одновременный учет прочностных и деформационных свойств грунта в расчетах напряженно-деформированного состояния оснований был осуществлен в решении пространственной упругопластической задачи МКЭ с использованием программного комплекса PLAXIS. В качестве условия текучести при решении задачи было принято условие предельного равновесия Мора-Кулона. Расчетная схема МКЭ фундаментов элеватора представлена на рис. 5.9.
Расчет основания производился по стадиям. Учет собственного веса грунта проводился в виде начальных напряжений. На рис. 5.10-5.12 представлены стадии расчета основания от собственного веса фундаментов элеваторов, а также от приложения расчетных нагрузок на фундаменты пяти блоков с учетом их взаимного влияния.
Расчетная осадка фундамента центра блока №1 составила 42,59 мм, осадка края соответственно составила 36,51 мм (рис. 5.10). Расчетная осадка фундамента центра элеватора №3 составила 43,84 мм, осадка края соответственно составила 39,08 мм (рис. 5.11). Расчетная осадка фундамента
Результаты оценки компонент напряженно-деформированного состояния в основании фундамента приведены на рис. 5.13-5.16. Анализ изменения вертикальных перемещений Uy (рис. 5.13) показывает, что максимальные их значения возникают в области контакта подошвы фундаментов и затухают с глубиной, вертикальные деформации Uy на глубине (0,5)b составляют 20% от осадки S фундамента сооружения. За значение b принят габаритный размер многогранного фундамента сооружения.
Зависимость осадки центра и края фундамента №1 элеватора от нагрузки c учетом взаимного влияния Зоны максимальных горизонтальных Uz перемещений (рис. 5.14) в поперечном направлении находятся в области, отстоящей находятся от края подошвы фундаментов на расстоянии 0,5 м и на глубине 0,1b. Горизонтальные перемещения имеют знакопеременный характер. Максимальные значения горизонтальных перемещений достигают Uz = 18 мм.