Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СОСТОЯНОЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА 3
2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Оборудование и измерительная аппаратура 38
2.2 Песчаное основание. Прочностные характеристики песка 39
2.3 Оценка результатов испытания песка на прочность
2.4 Деформационные характеристики исследованных грунтов
2.5 Грунтовые мессдозы 76
Выводы по главе 2 93
3. КИНЕМАТИКА ПЕСЧАНОГО ОСНОВАНИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПЕСКА ПРИ ВОЗРАСТАНИИ НАГРУЗКИ НА ОСНОВАНИЕ
3.1 Центральная нагрузка 96
3.2 Внецентренная нагрузка
Выводы по главе 3 117
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ
4.1 Краткий исторический очерк 119
4.2 Грунтовое основание жесткого полосового штампа 124
4.2.1 Нормальные контактные напряжения 124
4.2.2 Напряженное состояние в контактном слое 128
4.2.3 Напряженное состояние основания под штампом в зоне формирования уплотненного ядра 136 1
4.2.4 Напряженное состояние основания в точках центральной оси штампа 149
4.2.5 Напряженное состояние области, примыкающей к незагруженной поверхности основания
4.2.6 Напряженное состояние основания в начальной стадии выпирания грунта из-под жесткого штампа
4.2.7 Деформационные характеристики плотного песка в различных точках основания 168
4.2.8 Напряженно-деформированное состояние плотного песка и супеси //Г в различных точках основания 85
4.2.9 Напряженно-деформированное состояние рыхлого песчаного основания жестких штампов 201
4.2.10 Напряженное состояние плотного песчаного основания при равномерной вертикальной нагрузке (плоская деформация) 208
4.2.11 Нормальные напряжения в контактном слое внецентренно нагруженного жесткого полосового штампа 220
Выводы по главе 4 223
5. СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ # РЕШЕНИЙ С ПОЛУЧЕННЫМИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ
5.1 Оценка решений теории упругости 226
5.2 Оценка результатов решений теории предельного равновесия в применении к грунтовым основаниям 237
5.2.1 Классическое рещение В.В.Соколовского и эксперимент " 237
5.2.2 Влияние различных факторов на результаты решения задачи об устойчивости основания по В .В .Соколовскому 45
5.3 Оценка результатов решений деформационной теории пластичности 250
5.3.1 Результаты расчетов при постоянном значении объемного модуля деформации 250
5.3.2 Физические уравнения для грунтов при различном направлении главных напряжений и результаты их использования в расчетах осадок 257
5.4 Оценка результатов решений, основанных на применении модели 269
5.4.1 Результаты расчета напряженно-деформированного состояния основания жесткого полосового штампа .270
5.4.2 Влияние параметров напряженно-деформированного состояния полуплоскости на величину осадки фундамента 276
Выводы по главе 5 280
6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОСАДОК И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
6.1 Универсальный шаговый метод расчета осадок фундаментов 284
6.1.1 Эффективность учета изменения модуля деформации грунта в расчетах осадок штампов и фундаментов
6.1.2 Условный модуль деформации грунта 288
6.1.3 Главные напряжения в точках центральной вертикальной оси фундамента 292
6.1.4 Область применения универсального шагового метода послойного суммирования деформаций 299
6.1.5 Алгоритм и программа расчета осадок фундаментов универсальным шаговым методом 3.02
6.1.6 Примеры и результаты расчета осадок фундаментов и штампов 5универсальным шаговым методом 305
6.2 Оценка эффективности результатов корректировки характеристик
6.2.3 Давление грунтов на ограждения 323
6.2.4 Устойчивость грунтовых откосов 324 2 Выводы по главе 6 -327
7. ВНЕДРЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ В ПРАКТИКУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ .329
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА 353.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Программа расчета осадок универсальным шаговым методом 391
ПРИЛОЖЕНИЕ II Акты внедрения результатов работы в производстве 396
ПРИЛОЖЕНИЕ III Дискретизация расчетной области основания
Введение к работе
Разработанные к настоящему времени методы расчета с достаточной степенью надежности отражают качественные явления и процессы, протекающие в грунтовом основании, однако в количественном отношении прогнозы устойчивости и деформирования основания зачастую расходятся с опытными данными. Это обстоятельство в немалой степени объясняется недостаточной полнотой исходных данных, используемых в расчетах. Накопление и обобщение опытных данных с последующим их использованием в расчетах оснований - один из важнейших этапов совершенствования процесса проектирования грунтовых оснований и фундаментов. Отмеченные обстоятельства определяют актуальность проблемы, рассматриваемой в работе.
Цель диссертационной работы заключалась в решении научно- технической проблемы повышения надежности методов расчета грунтовых оснований фундаментов по предельным состояниям. Цель работы достигалась путем всестороннего глубокого изучения поведения грунтового основания под нагрузкой, выявления новых закономерностей при деформировании грунта, в разработке нового метода расчета осадок и новых подходов по оценке несущей способности основания с проверкой целесообразности внедрения этих предложений в лабораторных и натурных условиях.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи.
1. Разработаны, изготовлены и проградуированы приборы и оборудование для изучения свойств исследуемых грунтов, измерения напряжений и деформаций в грунтовой среде.
2. Всесторонне исследованы свойства грунта и грунтового основания (смещения, деформации, плотность сложения, механические характеристики среды и др.).
3. С использованием приборов, создающих сложное напряженное состояния образцов грунта, получены физические зависимости «напряжения- деформации», используемые в теориях линейно-и нелинейно деформируемых сред и др.
4. Полученные зависимости использованы в численных методах расчета напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований, исследуемых в лабораторных условиях.
5. В условиях плоской деформации основания, в различных его «точках», измерены все компоненты напряжений и деформаций, построены изолинии полей напряжений и деформационных характеристик среды, выявлены зоны разрушения грунта и др.
6. Установлены причины взаимного несоответствия результатов расчета несущей способности и напряженно-деформированного состояния основания линейными и нелинейными методами с опытными данными.
7. На основе полученных данных разработан новый метод расчета осадок фундаментов; установлены реальные пути сближения расчетных и опытных данных о несущей способности оснований, давления грунтов на ограждения, устойчивости откосов. Эффективность применения нового метода расчета осадок и устранения ошибочных представлений о прочностных характеристиках грунтов показаны на примерах расчета, а также - проектирования и строительства многочисленных объектов.
Экспериментальная часть работы выполнена с применением тензомет- рических приборов и оборудования, установок для создания сложного напряженного состояния образцов грунта, оригинального гидравлического штампа, стабилометра больших размеров и др. Теоретические исследования выполнены с применением численных методов расчета (конечно-разностного и метода конечных элементов) на ЭВМ. Достоверность результатов лабораторных и натурных исследований подтверждается 3-6 кратной повторяемостью одноименных опытов, результатами статистической обработки этих данных, выполнением условий статики, в расчетах - сходимостью итерационных процессов, совпадением результатов расчета с опытными данными.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. На основе обобщения опытных данных о кинематике частиц грунта, изменении плотности сложения, особенностях напряженно- деформированного состояния основания, несущей способности его, установлен специфический характер напряженного состояния грунта в контактном слое; области формирования грунтового ядра; области примыкающей к незагруженной поверхности основания; установлено преуменьшение величины угла внутреннего трения при использовании прибора одноплоскостного среза. Учет этих особенностей в расчетах грунтовых оснований существенно сокращает разрыв между расчетными (с применением различных методов) и опытными данными об осадках, несущей способности основания, о давлении грунтов на ограждения, устойчивости откосов.
2. Установлено, что существенная изменчивость традиционных деформационных и прочностных характеристик грунта (Е, V, ф) в зависимости от уровня действующих напряжений и вида напряженного состояния, диктует необходимость разработки шагового метода расчета осадок фундаментов, и учета переменности угла внутреннего трения ср в соответствующих расчетных методах.
3. Установлено, что одной из основных причин количественных различий между результатами расчетов математически строгими методами и опытом является значительная неоднородность сложения и свойств природного грунта, а также - сложности строгого учета изменчивости этих свойств в процессе возрастания нагрузки (даже при простом нагружении).
4. На основе полученных данных разработан новый универсальный шаговый метод расчета осадок фундаментов мелкого заложения, отражающий влияние собственного веса грунта и изменение его свойств, в процессе возрастания нагрузки.
5. Установлены основные причины, приводящие к занижению величины расчетного сопротивления (Я) и к расхождениям расчетных и опытных значений несущей способности оснований.
Практическое значение работы
1. Полученные экспериментальные данные являются исходным и конечным этапами оценки жизнеспособности любой модели грунтового основания, применяемой в настоящее время в практике проектирования, или вновь разрабатываемых, или совершенствующихся. Сказанное подтверждается использованием полученных нами результатов в работах А.К.Бугрова, М.И.Горбунова-Посадова, М.Н.Гольдштейна, В.С.Копейкина, М.В.Малышева, Ю.Н.Мурзенко, Ю.И.Соловьева, С.Кобеляка (Польша) и др.
2. Новый универсальный шаговый метод расчета осадок фундаментов мелкого заложения устраняет недостатки, присущие традиционным методам, рекомендуемым СНиП 2.02.01-83 (метод послойного суммирования деформаций, метод сжимаемости слоя конечной мощности). Шаговый метод использован в практике проектирования 36 объектов Новосибирской области и Алтайского края.
3. Установлено, что испытания грунта в приборе одноплоскостного среза приводят к преуменьшению истинных значений угла внутреннего трения ф. Отказ от применения названной методики в пользу стабилометриче- ских испытаний или пересчет в этом направлении упомянутых значений ф приведет к значительной экономии сил, средств и времени при устройстве сооружений, контактирующих с грунтом (за счет увеличения расчетного сопротивления Я, увеличения расчетной величины несущей способности оснований, корректировки величины устанавливаемых расчетом давлений грунта на ограждения и др.).
4. Результаты работы внедрены в учебный процесс НГАСУ в виде двух учебных пособий и используются в дипломном проектировании.
Публикация и апробация работы. Основная часть ее опубликована в центральных журналах «Основания, фундаменты и механика грунтов» - 12 публикаций, «Изв. вузов. Строительство и архитектура» - 41 публикация, в сборниках трудов Всесоюзных научных конференций (Челябинск - 1985, Йошкар-Ола - 1989, С.-Петербург - 1993), региональных (Новосибирск - 1972, Барнаул - 1980, Чита - 1985); в сборниках научных трудов НИСИ и НТО Стройиндустрии (1967-69, 1972, 1991), НИИЖТа (1969, 1975, 1980, 1991), СГПИ, Свердловск - 1978, НИИОСП и Алт.П.И., Барнаул - 1980, 1989, 1991; ЧПИ, Чита -1985; Москва - 1987 и др.
Отдельные разделы работы докладывались на Всесоюзных конференциях (Челябинск - 1985, Йошкар-Ола - 1989, С.-Петербург - 1993); региональных (Новосибирск - 1967, 1972; Барнаул - 1980, Чита - 1985); внутриву- зовских (НИСИ - 1965 - 1999. НИИЖТ - 1982); научных семинарах (МИСИ -1978; ЛПИ-1983, 1989; ПГТУ-1999, 2001, ТГАСА - 2000) и др. Основные публикации, по которым написана диссертация, составляют 65 наименований. Положительные результаты расчета осадок фундаментов 36 объектов Западной Сйбири новым универсальным методом подтверждены соответствующими актами внедрения и справками. На защиту выносятся
- результаты экспериментальных исследований, составляющих научную новизну работы (см. выше);
- результаты сопоставления теоретических и опытных данных о напряженно- деформированном состоянии и несущей способности грунтовых оснований (см. п. 1 и 5, отмеченные в сведении о научной новизне работы);
- новый универсальный шаговый метод расчета осадок фундаментов различной формы и размеров при расположении их на грунтах любой сжимаемости;
- практические рекомендации об отказе от прямого использования результатов испытаний песка в приборах одноплоскостного среза, переходу на ста- билометрические испытания или использование корректировочных зависимостей для установления характеристик прочности песчаного грунта.
Личный вклад автора. Экспериментальные исследования выполнены нами индивидуально, или при непосредственном участии учеников (к.т.н,- В.К.Федорова, В.Е.Иванова, В.А.Бабелло, П.П.Райса, Л.В.Федосеевой, О.А.Коробовой, Л.В.Халтуриной и инж.Т.А.Еремеевой). В последнем случае разработка методики проведения лабораторных и численных экспериментов, методика обработки их результатов, а также их анализ выполнялись нами совместно с аспирантами. В статьях, опубликованных в соавторстве, каждому из соавторов принадлежит равная доля материала.
