Содержание к диссертации
Введение
1. Основные разработки в области расчета оснований и конструкций ленточных фундаментов мелкого заложения. цели и задачи диссертационной работы 12
1.1 Классификация фундаментов под стены зданий и особенности конструктивных решений ленточных фундаментов мелкого заложения. 12
1.2 Теоретические исследования работы оснований и способы совершенствования расчета оснований ленточных фундаментов в практике проектирования 17
1.3 Обзор экспериментальных исследований работы грунтовых оснований 27
1.4 Цель и задачи диссертационной работы 33
2 Методика экспериментального моделирования взаимодействия песчаного основания и моделей ленточного фундамента 35
2.1 Автоматизированная система научных исследований для экспериментального моделирования работы грунтового основания 35
2.2 Метрологическое обоснование экспериментов и оценка погрешностей измерений 45
2.3 Выводы по второй главе 53
3 Экспериментальное моделирование напряженно - деформированного состояния песчаного основания модели ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы 54
3.1 Характеристика моделей фундаментов 54
3.2 Изучение деформаций основания модели фундамента в процессе нагружения 63
3.3 Изучение особенностей напряженно-деформированного состояния основания модели ленточного фундамента с геометрически изме няемой формой подошвы 77
3.4 Выводы по третьей главе 88
4 Экспериментальное моделирование ндс песчаного основания вдоль вертикальной оси модели ленточного фундамента 90
4.1 Особенности проведения экспериментов 90
4.2 Изучение деформаций основания модели фундамента в процессе нагружения 94
4.3 Изучение НДС основания вдоль вертикальной оси модели ленточного фундамента 98
4.4 Особенности формирования предельных линий скольжения под моделью ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы 103
4.5 Выводы по четвертой главе 106
5 Предложения по расчету оснований и конструкций ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подшвы 108
5.1 Расчет осадки ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы 108
5.2 Расчет элементов сборной плиты ленточного фундамента 118
5.3 Эффективность и область применения ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы 124
5.4 Выводы по пятой главе 126
Общие выводы 128
Литература
- Теоретические исследования работы оснований и способы совершенствования расчета оснований ленточных фундаментов в практике проектирования
- Метрологическое обоснование экспериментов и оценка погрешностей измерений
- Изучение деформаций основания модели фундамента в процессе нагружения
- Изучение НДС основания вдоль вертикальной оси модели ленточного фундамента
Введение к работе
Реформы 90-х годов XX века привели к снижению темпов производства в строительной индустрии, впрочем, как и во всех отраслях народного хозяйства нашей страны. В результате, в этот период практически не возводятся крупные промышленные объекты (в основном выполняется реконструкция существующих зданий), а в области гражданского строительства преобладает практика сооружения зданий по индивидуальным проектам.
Сегодня строительный комплекс представляет собой одну из наиболее динамично развивающихся отраслей Российской экономики. В Ростовской области в 2003 г. по объемам строительства был достигнут уровень 1986 г. (последнего спокойного года советской экономики). Это говорит о том, что кризисный период в строительной отрасли, начавшийся в 1991-1993 г.г., остался позади.
Приоритетным направлением развития стройкомплекса Ростовской области стало жилищное строительство. В 2003 г. сдано в эксплуатацию 1064,8 тыс. квадратных метров жилья, таким образом, годовой план превышен на 1,5%. По отношению к показателям 2002 г. отмечен рост на 4,6%. В 2004 г. в области введено 1146,3 тыс. квадратных метров жилья. В последующие годы и до 2010 г. планируется ежегодный рост не менее 7% от достигнутого. В дальнейшем также планируется сохранение положительных темпов жилищного строительства.
Рост объемов строительства жилья будет обеспечен за счет освоения новых территорий в городах Ростовской области, а также за счет развития малоэтажной застройки в пригородных зонах городов. Важной составной частью увеличения объемов ввода жилья является стимулирование индивидуального и многоквартирного строительства на территориях сельских поселений.
В 2003 г. объем индивидуального строительства составил около 60% от общего количества сданного в эксплуатацию жилья в Ростовской области. Как известно при возведении индивидуальных домов в качестве конструктивного решения фундаментов преобладают ленточные фундаменты. Учитывая темпы и предпосылки развития жилищного строительства, доля ленточных фундаментов будет возрастать.
Стоимость фундаментов при возведении здания или сооружения составляет в среднем 12%) от его стоимости, трудозатраты нередко достигают 15% и
более от общих затрат труда, а продолжительность работ по возведению фундаментов доходит до 20% срока строительства. При возведении заглубленных частей здания, а также при строительстве в сложных грунтовых условиях эти показатели значительно увеличиваются. Следовательно, совершенствование проектных и технологических решений в области фундаментостроения приводит к экономии материальных и трудовых ресурсов, сокращению сроков строительства зданий и сооружений.
Как было сказано выше, значительное место в фундаментостроении, особенно при возведении жилых малоэтажных зданий, занимают ленточные фундаменты под стены. В связи с этим вопросы внедрения новых конструкций, усовершенствование методов их расчета, экспериментальное и теоретическое изучение работы оснований ленточных фундаментов является на сегодня актуальной задачей.
Среди известных типов фундаментов под стены зданий перспективными с точки зрения экономии материла, по нашему мнению, являются ленточные фундаменты из сборных прямоугольных решетчатых плит, плит с угловыми вырезами и прерывистые фундаменты.
Большая эффективность этих конструкций обусловлена следующими факторами:
уменьшение жесткости фундаментов приводит к перераспределению контактных напряжений с уменьшением значений по краям фундаментов и увеличением в средней части;
увеличение соотношения периметра фундамента к его площади приводит к увеличению коэффициента постели;
увеличение интенсивности давления под подошвой фундамента наиболее существенно снижает коэффициент постели для связных глинистых грунтов с малым углом внутреннего трения и значительным сцеплением;
изменение контура краевой зоны приводит к появлению в основании «арочного эффекта» и увеличению его несущей способности;
положения нормативной литературы позволяют при расчетах таких фундаментов увеличивать величину расчетного сопротивления грунта на 20-30 %;
деформации оснований под прерывистыми фундаментами отстают от давлений;
зоны пластических деформаций оснований под прерывистыми фундаментами меньше, чем под эквивалентными сплошными;
пределы пропорциональной зависимости между напряжениями и деформациями оснований под прерывистыми фундаментами в 1,1-И,5 раза больше, чем под эквивалентными сплошными;
применение прерывистых фундаментов позволяет исключить излишние запасы прочности, появляющиеся в связи с использованием типовых блоков подушек, размеры которых изменяются дискретно;
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 Ь) и снижению напряжений в нижних слоях грунта основания.
При участии автора разработаны две модели ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы которые будут описаны ниже. По принципу взаимодействия с грунтовым основанием они подобны прерывистым фундаментам. Разработанные модели фундаментов защищены патентами на полезную модель. Проведены экспериментальные исследования взаимодействия этих моделей с песчаным основанием и разработаны рекомендации по их конструированию и расчету, внедренные в практику проектирования.
Конструкции фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы являются новыми и включают в себя как сплошную подошву (в центральной части), так и прерывистую (по краям). Возможности конструкций фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы выявлены не полностью и изучение особенностей их взаимодействия с грунтовым основанием является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является создание эффективных конструкций ленточных фундаментов со сложной конфигурацией подошвы, обеспечивающих более полное использование несущей способности основания.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных другими авторами, по расчету оснований ленточных фундаментов.
8 2. Разработка новых эффективных конструкций ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы, обеспечивающих более полное использование несущей способности основания.
3. Проведение модельных экспериментальных исследований несущей спо
собности песчаного основания ленточного фундамента с геометрически изме
няемой формой подошвы и выявление наиболее эффективной формы.
4. Проведение экспериментальных исследований напряженно-
деформированного состояния (НДС) песчаного основания под моделью лен
точного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы, с выдви-
- жением ее элементов на эффективную величину.
Проведение экспериментальных исследований напряженного состояния песчаного основания вдоль вертикальной оси модели ленточного фундамента со смещением элементов подошвы.
Разработка методики расчета осадки ленточных фундаментов с геомет-
рически изменяемой формой подошвы.
7. Разработка рекомендаций по конструированию и прочностному расчету
элементов подошвы ленточных фундаментов с геометрически изменяемой
формой подошвы.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Разработаны эффективные конструкции ленточных фундаментов, обеспечивающие более полное использование несущей способности основания, защищенные патентами на полезную модель.
Экспериментально подтверждено снижение деформации и увеличение несущей способности песчаного основания при изменении геометрической формы подошвы ленточного фундамента.
Интервал пропорциональной зависимости между нагрузкой и деформа-
цией для песчаного основания ленточного фундамента с геометрически изме
няемой формой подошвы, при эффективном выдвижении элементов, больше
чем у эквивалентного по площади сплошного ленточного фундамента.
4. Получены новые данные о напряженно-деформированном состоянии в
массиве песчаного основания, а также вдоль вертикальной оси ленточного
фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы в эксперименталь
ных исследованиях на моделях, во всем интервале нагружения.
5. Установлено, что высота арочного грунтового свода, возникающего в
промежутках между выдвинутыми элементами фундамента с геометрически
9 изменяемой формой подошвы, в процессе нагружения увеличивается и при предельной нагрузке экспериментальное значение высоты свода приближается к теоретическому, определенному по формуле предложенной М.М. Протодьяконовым.
Практическая значимость:
Экспериментально подтверждена работоспособность новых конструкций ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы.
По результатам лотковых экспериментов определена эффективная величина выдвижения элементов опорной плиты ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы на песчаном основании по значениям минимальной осадки и максимальной несущей способности.
Экспериментально исследовано напряженно-деформированное состояние основания модели ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы во всем интервале нагружения. Получены данные, которые могут быть использованы другими авторам.
Разработана программа по расчету осадки ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы. На программу получено свидетельство об отраслевой регистрации разработки.
Предложены рекомендации по конструированию и прочностному расчету ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы, внедренные в проектную практику и учебный процесс.
На защиту выносятся'.
Новые конструкции сборных ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы фундамента.
Результаты экспериментальных исследований закономерностей взаимодействия песчаного основания и моделей сборных ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы.
Методика определения осадки ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы с использованием модели основания в виде линейно-деформируемого полупространства.
Рекомендации по конструированию и прочностному расчету опорной плиты ленточных фундаментов с геометрически изменяемой формой подошвы.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 103 наименования и шести
10 приложений. Полный объем диссертации 153 страницы, включая 62 рисунка и
9 таблиц. Основной текст диссертации (без оглавления, списка литературы, приложений, рисунков и таблиц) содержит 87 страниц машинописного текста.
Диссертационная работа выполнена в русле научного направления Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Компьютерная оптимизация, ресурсосберегающие расчеты и управление состоянием строительных конструкций и оснований зданий и сооружений» (руководитель направления проф., д.т.н. Мурзенко Ю.Н.).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и опубликованы в трудах III и IV Международных научно-практических конференций «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2003-2004 гг.), на юбилейной Международной научно-практической конференции «Строительство 2004» Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону, 2004 г.), на IV Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (Новочеркасск, 2004 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» ВолгГАСУ. (Волгоград, 2005 г.), на конференции "Математическое моделирование и компьютерные технологии", материалы которой опубликованы в журнале "Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Технические науки" (Новочеркасск, 2004 г.), на семинарах в Техническом университете г. Дрездена (Германия, 2004-2005 гг.), на 1-ой и 2-ой Всероссийской выставке-ярмарке (г. Новочеркасск, 2003 г., 2005 г.), на ежегодных внутривузовских конференциях профессорско-преподавательского состава кафедр строительного профиля ЮРГТУ (НПИ) (2002-2005 гг.), на семинаре стипендиатов по программе «Михаил Ломоносов» в г. Бонн (Германия, февраль 2005 г.).
Внедрение результатов: Результаты исследований и практические рекомендации, разработанные в диссертационной работе, внедрены:
- в фирме ООО «Тор Дизайн» в качестве контрольного примера рассчитаны ленточные фундаменты при реконструкции здания ресторана по пр. Платовский 78 в г. Новочеркасске;
- в учебном процессе Ростовского государственного строительного университета, Новочеркасской государственной мелиоративной академии и Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в десяти публикациях, среди которых свидетельство об отраслевой регистрации программы для ЭВМ и два патента на полезную модель.
Теоретические исследования работы оснований и способы совершенствования расчета оснований ленточных фундаментов в практике проектирования
Основы расчета грунтовых оснований заложены в трудах Ш. Кулона, В. Ренкина, В.И. Курдюмова, Л. Прандтля, В.И. Новотворцева, М.Х. Пигулев-ского и других.
Основоположниками современной механики грунтов и теории расчета оснований являются К. Терцаги [11], Н.М. Герсеванов [12], В.А. Флорин [13] и Н.А. Цытович [14].
Процессы, происходящие в основаниях, в условиях предельного состояния изучались в работах Л. Прандтля, М.И. Горбунова-Посадова [1], Н.А. Цытовича [15], В.В. Соколовского [16], И.В. Федорова [17], М.В. Малышева [18], Ю.Н. Мурзенко [19], А.П. Пшеничкина [20, 21], Г.В. Василькова [22], В.П. Дыбы [23] и др.
Основными гипотезами и моделями оснований, получившими широкое распространение в практике проектирования, являются: гипотеза коэффициента постели, основание в виде линейно-деформируемого полупространства, основание в виде упругого слоя конечной толщины.
Гипотеза коэффициента постели, благодаря своей простоте, получила широкое распространение при расчете балок и плит на сжимаемом основании [24, 25]. Практика применения Фуссо-Винклеровской модели в расчетах оснований привела к развитию гипотезы общих упругих деформаций. Модель упругого полупространства впервые применена Г.Э. Проктором, К. Вихардом, Н.П. Пузыревским [26] и получила дальнейшее развитие в трудах Н.М. Герсеванова [27], В.А. Флорина [13], М.И. Горбунова-Посадова [1] и др. Ряд вопросов совершенствования методов расчета оснований и фундаментов был разработан в трудах Б.Н. Жемочкина, А.П. Синицина [28], В.А. Во-лосухина, А.Н. Богомолова [29], В.К. Цветкова, К.Ш. Шадунца, В.А. Пшеничкиной.
Существует ряд других гипотез и расчетных моделей оснований, например: модель, характеризуемая двумя коэффициентами постели П.Л. Пастернака [25]; М.И. Филоненко-Бородича и В.З. Власова [30]; модель Черкасова-Клейна [31] и др. Каждая модель применима при определенных грунтовых условиях и не может полностью отражать работу грунтовых оснований.
Модели основания с одним и двумя коэффициентами постели получили широкое распространение в программных комплексах по расчету оснований и фундаментов. В частности эти модели грунтового основания используется в вычислительных комплексах «Plaxis», «Lira», «StructureCAD» и др.
В 1950-х - 1970-х гг. интенсивное развитие получили теории расчета оснований в нелинейной стадии работы, их можно разделить на две группы:
- первая, в которой нелинейность учитывается введением нелинейных членов в уравнение осадки поверхности или накладыванием определенных ограничений на реактивные давления. Развитию этой группы, называемой контактными моделями послужили работы Г.К. Клейна [32], Л.П. Винокурова [33], В.А. Флорина [13] и др.;
- вторая, базирующаяся на феноменологическом представлении основания как сплошной нелинейно-деформируемой среды. Над развитием этого направления нелинейных моделей основания работали А.С. Строганов [34, 35], С.С. Вялов [36], Ю.К. Зарецкий [37], Г.А. Гениев, П.Д. Евдокимов, М.В. Малышев, Г.М. Ломидзе, А.Л. Крыжановский [38, 39], В. Прагер, Е.Ф. Винокуров, Ю.Н. Мурзенко [19, 40], А.К. Бугров и др. В основе изучения совместной работы оснований с прерывистыми фундаментами находятся теория предельного напряженного состояния (теория пластичности) и теория давления грунтов на горные выработки, а именно фундаментальные исследования совместной работы оснований с непрерывными фундаментами, выполненные В.Г. Березанцевым [41, 42] М.И. Горбуновым-Посадовым [1], а также исследования напряженно-деформированного состояния нескальных грунтов над горными выработками, осуществленные М.М. Протодьяконовым [43], Энгессером и др.
Характер напряженного состояния оснований под ленточными прерывистыми фундаментами в стадии прямой пропорциональной зависимости между напряжениями и деформациями исследовал Е.А. Сорочан [44]. При этом он общее плоское напряженное состояние оснований под прерывистым ленточным фундаментом аппроксимировал с напряженным состоянием основания под средним блоком-подушкой прерывистого ленточного фундамента. В результате проведенных расчетов на основе теории упругости были построены графики зависимостей приведенных осадок W, т.е. отношений расчетных осадок прерывистых фундаментов S„p к расчетным осадкам фундаментов со сплошными подошвами S от расстояний между блоками прерывистых фундаментов 1а при ширине фундаментов Ь, равной 1,5; 2 и 2,5 м [44].
Анализ, полученных автором работы [44] зависимостей, свидетельствует о том, что приведенная осадка W является функцией не только модуля общей деформации Е0 грунта основания, но и расстояний 1а и отношения сторон блоков-подушек и фундаментов. Так, например, если ширина прерывистого фундамента Ъпр равна ширине непрерывного фундамента Ь, то W 1, а при Ь„р Ъ величина W может быть меньше или больше единицы в зависимости от размера 1а. Развитие осадок оснований под прерывистыми фундаментами (по сравнению с непрерывными) отстают от давлений. Зоны пластических деформаций оснований под прерывистыми фундаментами меньше, чем под непрерывными
Метрологическое обоснование экспериментов и оценка погрешностей измерений
Особенностью метрологического обоснования проводимых исследований является использование измерительных приборов, прошедших многолетнюю апробацию и подтвердивших свою работоспособность и достоверность показаний в процессе проведения экспериментальных исследований в лаборатории оснований и фундаментов кафедры «САПР ОСФ» ІОРГТУ (НПИ).
В процессе проведения экспериментальных исследований проводилось измерение осадок модели фундамента, линейных деформаций и давлений в массиве основания. Задача метрологического обеспечения состояла в оценке погрешностей проведенных измерений. Решение этой задачи возможно при обеспечении измерения одинаковыми методами. С этой целью все стандартизованные приборы - прогибомер 6-ПАО, индикаторы часового типа, тензометри-ческая измерительная станция СИИТ-3 прошли поверку в специализированных предприятиях Госповерки. Для обеспечения необходимой точности измерения нагрузки выполняется ежегодная поверка работы домкратов, а также силоизме-рительного механизма машины МФ-1 непосредственно в исследовательской лаборатории.
Однако в наших опытах использовались нестандартизованные средства измерения - преобразователи напряжений в грунте (месдозы) МК-26, МК-37, МК-54, М-96 и линейные деформометры Д-2 для измерения относительных деформаций.
Метрологическое обоснование измерений с использованием тензомет-рической станции СИИТ-3 обеспечивается выполнением тестовых задач для оценки погрешностей, которые привносятся аналого-цифровыми преобразователями и схемой включения тензорезисторов дистанционных преобразователей.
Погрешность измерений датчиков проверялась при градуировке месдоз в тарировочном баке, а при градуировке линейных и сдвиговых деформометров с помощью специального градуировочного устройства. В ходе эксперимента контроль погрешностей измерений проверяется по статистическим критериям, а также сравнением с результатами решений известных задач - эталонов, полученных с помощью аналитических или численных моделей.
Погрешность, привносимая компьютером АСНИ, определяется разрядностью машинного слова, которая для 32-х разрядного компьютера, настолько мала (менее 215), по сравнению с погрешностями, привносимыми дистанционными преобразователями, что позволяет ее не рассматривать.
При обработке результатов экспериментов учитывались погрешности измерительных приборов месдоз и деформометров.
Известно, что относительная погрешность 5 является основной характеристикой преобразователя напряжений (месдозы) и определяется по следующей формуле: а где а - нормальное напряжение в грунте; стЮЛ,- измеренное нормальное напряжение.
Величина относительной погрешности зависит от соотношения модулей деформации месдозы Ем и грунтаЕг, а также от отношения высоты корпуса месдозы hk к ее диаметру d. Исследованиями Д.С. Баранова [77] установлено, что при - 5 и 0,2 ЕГ d относительная погрешность измерений близка к постоянной величине. Формула для теоретической величины относительной погрешности для месдозы, расположенной в массиве грунта, была представлена Д.С. Барановым в виде: (2-2) где [іг - коэффициент бокового расширения грунта, равный 0,3 (для песка). Ю.И. Хариным исследовано влияние на показания плоскостных месдоз параметра напряженного состояния \ха (параметр Лоде) 2о 7 — о г — а 7 Автор [100] приходит к выводу о возможности распространения результатов градуировок при ца = -1 на другие виды напряженного состояния с точностью до случайной погрешности.
Результаты расчета относительной погрешности по формуле (2.2) для месдоз, которые использовались в опытах автора, рассчитанные в работе [83], приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 - Теоретическая погрешность измерений преобразователей напря Для оценки теоретической погрешности деформометра Д-2 принимаем следующее. При деформации слоя грунта высотой (толщиной) h (рисунок 2.7) сближение внешних поверхностей корпуса и жесткой пластины (диска) деформометра hd меньше абсолютной деформации слоя кг. Это объясняется наличием жесткого корпуса высотой:
Изучение деформаций основания модели фундамента в процессе нагружения
В трех сериях опытов было исследовано влияние изменения геометрической формы подошвы ленточного фундамента на осадку и предельную несущую способность песчаного основания [98, 99, 100].
В проведенных экспериментах, осадка фиксировалась двумя способами: в первом случае измерение осадки проводилось на каждой ступени нагружения при помощи прогибомера 6-ПАО (рисунок 3.7) с точностью до 0,01 мм, во втором - при помощи диаграммного аппарата, который фиксирует общий характер изменения осадки в зависимости от нагрузки.
Графики зависимости осадки от нагрузки, построенные по результатам инструментальных измерений, приведены на рисунке 3.9, а их числовые значения приведены в табл. 3.1.
Нагружение модели производилось до предельной нагрузки, достижение которой сопровождалось потерей устойчивости основания и резким поперечным креном модели фундамента. Во всех опытах при потере устойчивости основания наблюдался односторонний выпор грунта вдоль длиной стороны модели фундамента (рисунок 3.8).
Величина зафиксированной предельной несущей способности во всех трех сериях была различной, хотя площадь контактной поверхности оставалась постоянной (табл.3.1). Увеличение предельной несущей способности основания происходило с увеличением величины выдвижения балочных элементов. Так в первой серии экспериментов при нулевом выдвижении балочных элементов (Со=0) предельное давление составило Р = 758 кПа, во второй серии экспериментов при С 1=0,25 /э предельное давление составило Р = 1072 кПа, а в третьей серии экспериментов при С2 0,5 /э предельное давление составило Р = 1405 кПа. Увеличение предельной несущей способности основания объясняется перераспределением напряжений в промежутках между балочными элементами и вовлечением в работу грунта основания находящегося в этих промежутках, за счет возникновения явления «арочного эффекта» [10].
Рост несущей способности также подтверждается увеличением размеров призм выпора (рисунок 3.8). Граница выхода на поверхность призмы выпора в разных сериях имела различные размеры. В первой серии опытов граница выхода на поверхность призмы выпора имела длину 450 мм от оси фундамента, что составило в долях от длины элемента величину 1,6 4- Во второй серии опытов - 1050 мм, или 3,8 4- В третьей серии опытов - 1500 мм, или 5,4 4- Для всех серий экспериментов характерно то, что граница выхода на поверхность призмы выпора всегда проходила параллельно продольной оси модели фундамента, что свидетельствует о соблюдении условий плоской задачи.
Граница выхода на поверхность призмы выпора в третьей серии опытов проходила в непосредственной близости от края лотка, что не могло не сказаться на геометрической форме самой призмы. Однако вопрос о влиянии стенок лотка машины МФ-1 на процессы, происходящие в основании, в рамках данной работы не рассматривался. Основное количество экспериментов было проведено с моделью фундамента при величине выдвижения элементов на величину С 1=0,25 /э (рисунок 3.4 б). При такой раздвижке элементов ширина подошвы имеет размер 420 мм и является малой величиной в сравнении с шириной лотка (3000 мм). Очевидно, что при таком соотношении размеров фундамента и лотка влияние стенок последнего на процессы, происходящие в массиве основания, будет незначительным. \лении под подошвой модели фундамента более 200 кПа наблюдается возрастающее расхождение в величине осадки в различных сериях опытов.
Уменьшение осадки модели фундамента во второй серии опытов (при выдвижении балочных элементов на величину Сj =0,25 /э) по отношению к величине осадок в первой серии экспериментов так же объясняется перераспределением напряжений в грунте основания в промежутках между балочными элементами и вовлечением в работу грунта основания находящегося в этих промежутках. Перераспределение напряжений происходит в результате возникновения в массиве грунта основания явления «арочного эффекта».
Увеличение осадки модели фундамента в третьей серии опытов, при выдвижении балочных элементов на величину С2=0,5 /э, по отношению к величине осадок в первой и во второй сериях экспериментов объясняется неудовлетворительной совместной работой балочных элементов. При такой (02=0,5 1Э) величине выдвижения балочных элементов подошва модели фундамента становиться более гибкой, что и явилось причиной увеличения осадки.
Рисунок 3.10 - Измерение перемещения консоли подошвы модели фундамента а - во второй серии экспериментов (С/=0,25 /э); б - в третьей серии экспериментов (0=0,5 I,).
Во второй и третьей сериях экспериментов при помощи индикатора часового типа измерялись также перемещения консоли модели фундамента относительно ее центральной оси (рисунок 3.10).
Изучение НДС основания вдоль вертикальной оси модели ленточного фундамента
При исследовании совместной работы песчаного основания и модели ленточного фундамента с геометрически изменяемой формой подошвы (рисунок 4.2) в шестой серии экспериментов изучалось влияние выдвижения элементов подошвы на распределение в основании вдоль вертикальной оси модели фундамента относительных деформаций b,z и напряжений аг и ст во всем интервале нагружения.
Для измерений нормальных напряжений az были установлены месдозы, до глубины z = 3 1Э с шагом 0,5 /э. Для измерения относительных деформаций ,z были установлены деформометры Д-2 до глубины z = 2,5 /э с шагом 0,5 /э.
Напряжения ау измерялись соответственно сориентированными месдозами, установленными до глубины z = 3 /э с шагом 0,5 /э. Схемы размещения датчиков в шестой серии экспериментов показаны на рисунках. 4.1 и 4.2. Установка всех тензометрических преобразователей в массиве грунта, снятие показаний и их обработка производились аналогично методике описанной в третьей главе диссертации.
На основании обработки экспериментальных данных построены графики распределения относительных деформаций - 2 и напряжений - az и ay вдоль центральной вертикальной оси модели фундамента (рисунки. 4.7 - 4.9).
Графики распределения напряжений rz и ау по оси модели фундамента (рисунок 4.7), качественно подобны по форме с экспериментальными эпюрами в опытах с ленточными фундаментами других авторов [85, 93]. Значения верти кальных напряжений az в контактном слое являются максимальными по глубине лишь на начальных ступенях нагружения. Начиная со ступени 0,ЗЗРпр, максимум напряжений фиксируется на глубине z 0,5 /э, причем значение х превышает среднее давление по подошве фундамента. Область с наибольшими сжимающими напряжениями находится в верхних слоях основания до глубины г 21э (560 мм), и далее с увеличением глубины напряжения т, быстро уменьшаются.
Измеренные в опытах напряжения ту по своей величине значительно меньше (примерно в 7-Ю раз), чем значения напряжений JZ, измеренных в том же уровне. Интенсивность снижения значений напряжений ау с увеличением глубины также значительно меньше, чем интенсивность снижения значений напряжений ст2, т.е. график распределения напряжений 7У более равномерный по глубине, чем график jz (рисунок 4.8).
В таблице 2.4 приведены осадки модели фундамента, измеренные по прогибомеру 6-ПАО и вычисленные по формуле (4.2). Отметим что разница между фактической осадкой и вычисленной по (4.2) невелика, что является контролем результатов измерений. В среднем погрешность составила 13%. Величина погрешности осадки вычисленной по формуле (4.2) станет меньше, если измерить относительные деформации до глубины z 5 /э, что соответствует нижней границе сжимаемой толщи, полученной по упругому решению по методике СНиП [47]. В наших опытах этого не было сделано из-за ограниченного числа датчиков.
Графики распределения z на начальных ступенях нагружения имеют максимальное значение на глубине z 1 /э (280 мм), а при приближении к предельной нагрузке максимальное значение было зафиксировано на глубине z 0,5 /э (140 мм). В наших опытах наблюдаются различия в распределении относительных деформаций z вдоль вертикальной оси в сравнении с опытами других авторов [79, 85, 93]. В работе автора [79] экспериментально было изучено распределение деформаций ,z по оси круглого жесткого штампа, а в опыте автора [85] - по оси ленточного штампа. В этих работах были выявлены следующие закономерности в распределении деформаций \z. Графики распределения имеют форму волны, значения вертикальных деформаций, зарегистрированные на глубине z-0,75b и z=l,75b (b - ширина ленточного фундамента в работе [85] или диаметр круглого штампа [79]), превышают значения деформаций на глубине z=l,25b. При достижении нагрузки 0,6Рпр форма эпюры "выравнивается", значения деформаций по глубине все время возрастают до глубины z=l,75b, на которой фиксируется максимальное значение, и далее убывают. Форма экспериментальных эпюр в интервале нагружения 0,6 Рпр - 0,98 Рпр предполагает наличие в слое l,25 z l,75 точки, в которой г достигает максимального значения.
Такое расхождение в распределении деформаций \г объясняется качественно другими условиями работы основания, вследствие ломаного очертания краевой зоны подошвы фундамента. В работе [46] также было отмечено, что в прерывистых фундаментах (схожих по характеру взаимодействия с исследуемой конструкцией фундамента) в сравнении с эквивалентными непрерывными фундаментами происходит перераспределение напряжений по глубине с увеличением напряжений в верхних слоях (до 1,5 Ь) и снижению напряжений в нижних слоях грунта основания. В наших опытах, также как и в прерывистых фундаментах, наблюдается максимум значений напряжений az в верхних слоях основания, а с увеличением глубины величины напряжений резко снижаются (рисунок 4.7).
Экспериментальные исследования разрушения оснований под моделями жестких фундаментов показали, что во всех случаях предельного состояния, непосредственно под жестким фундаментом образуется уплотненное клиновидное ядро грунта, являющееся естественным продолжением фундамента.
При расчете несущей способности основания форма и размер ядра играют значительную роль, первое предложение о форме ядра в случае вертикальной центрально приложенной нагрузки было сделано К.Терцаги. Он принял сечение ядра в виде равнобедренного треугольника, стороны которого наклонены под углом (рщ к подошве фундамента. Эта же форма была принята М.И. Горбуновым-Посадовым [1] и B.C. Христофоровым [95]. В работе [94] М.И. Горбунов-Посадов при определении предельной нагрузки на основание для жесткого ленточного фундамента, по результатам экспериментальных исследований, принял исходное положение о существовании двух частей уплотненного грунтового ядра - «упругой», примыкающей к подошве, и «пластической», являющейся продолжением первой. В наших опытах в шестой серии экспериментов непосредственно под подошвой модели при достижении предельного состояния была также зафиксирована клиновидная область.
