Введение к работе
Актуальность работы. При проектировании оснований сооружений одним из основных вопросов является оценка их прочности или несущей способности, расчёт предельной нагрузки фундаментов на основание. Надежность определения этой величины зависит, прежде всего, от выбора модели грунта и от качества определения его механических свойств.
В практике инженерных расчётов несущей способности наибольшее распространение получили решения, основанные на теории предельного равновесия грунтов (ТПРГ). Расчёты, выполняемые в рамках этой теории, содержат некоторый набор характеристик прочности. В большинстве случаев - это связность грунта и его внутреннее трение.
Прочностные свойства грунтов обусловлены большим количеством геологических факторов - это происхождение, условия образования, возраст, физико-геологические процессы, протекавшие ранее и современные. Кроме того, они зависят также и от способа нагружения и величины нагрузки. Влияние на прочность грунта первой группы факторов, как правило, учитывается на стадии лабораторных и полевых исследований свойств грунтов, когда весь комплекс геологических факторов де-факто приводит к конкретным, фиксируемым в опыте значениям физико-механических характеристик. По существу здесь остается проблема прогноза изменения механических свойств на период эксплуатации сооружения. Учёт способа и характера нагружения грунта на стадии лабораторных испытаний требует особых подходов, основанных на теоретическом анализе механического поведения грунтового массива под нагрузкой.
Для определения предельного давления на основания фундаментов на сегодняшний день широко используются строгие решения ТПРГ в плоской и осесимметричной постановках. В общем случае пространственной задачи используются приближённые методы решения (инженерные), либо методы, основанные на достаточно сложных с точки зрения практического применения критериях прочности грунтов.
Приближённые методы, как правило, основаны на переходе от плоской задачи к пространственной с помощью коэффициентов формы или коэффициентов пространственности. Эта же методика используется в формуле СНиП 2.02.01-83*.
Существует большое количество предложений по поводу методов определения коэффициентов формы. Здесь нет единого мнения и с теоретической, и с экспериментальной точек зрения. Зачастую эти коэффициенты не зависят от прочностных, то есть механических, свойств грунтов любого генезиса.
В ряде случаев приходим к необходимости учитывать зависимость прочностных свойств грунта от условий и характера нагружения, в частности, при больших давлениях. По этой проблеме существуют только отдельные решения частных плоских или осесимметричных задач.
Таким образом, определение прочности или несущей способности грунтовых оснований прямоугольных в плане фундаментов, которые весьма распространены, является актуальной задачей современного проектирования и строительства. При этом в связи с устойчивой тенденцией роста нагрузок на основание, необходимо также рассмотреть вопрос о методах расчета прочности грунта с учётом её зависимости от величины нагрузки.
Цель работы заключалась в совершенствовании метода расчёта прочности глинистых и песчаных оснований прямоугольных фундаментов на основе решений теории предельного равновесия грунтов с учётом особенностей их механических свойств. Для достижения этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:
Получить решение задачи о прочности грунтовых оснований прямоугольных фундаментов в плане на основе строгих решений плоской и осесимметричной задач ТПРГ. При этом решение в осевой симметрии рассматривается вне концепции полной пластичности.
Получить выражения для определения коэффициентов формы, зависящих не только от соотношения сторон фундамента, но и от угла внутреннего трения грунтов.
Провести крупномасштабные и лотковые опыты по определению прочности грунтовых оснований прямоугольных в плане фундаментов на глинистых и песчаных грунтах.
Получить решения плоской и осесимметричной задач о штампе при нелинейном графике сдвига.
На основе этих решений произвести оценку прочности песчаных оснований прямоугольных фундаментов при больших нагрузках.
Исходные данные и личный вклад автора.
В основу работы положены материалы исследований, выполненных автором в период с 2005 по 2009 гг. Диссертационная работа выполнялась в составе временного научного коллектива кафедры и НИЛ «Геология, основания и фундаменты» Сибирского государственного университета путей сообщения. В 2005 г. по теме «Проведение полевых экспериментов по определению физико-механических характеристик грунтов в районе жилмассива «Снегири» г. Новосибирска», в 2006 г. по теме «Расчёты по возможности увеличения нагрузки на существующие фундаменты здания по ул. Энергетическая, д. 9 в г. Жуковский», в 2009 г. по теме «Испытания грунтов вертикальной статической нагрузкой сваей-оболочкой №2 в ру-
еловой опоре №84 моста ч/з р. Юрибей новой ж.д. линии Обское-Болваненково» и в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в 2009-2013 гг. Научная новизна работы заключается
в совершенствовании методики определения прочности грунтовых оснований прямоугольных фундаментов, основанной на решении плоской и осесимметричной задачи ТПРГ вне концепции полной пластичности;
в получении новых коэффициентов формы, зависящих не только от соотношения сторон фундамента, но и от параметров прочности грунта (угла внутреннего трения);
в получении новой системы уравнений для осевой симметрии вне концепции полной пластичности при нелинейном графике сдвига;
в получении строгих статических решений задачи Прандтля для условий плоской деформации и осевой симметрии вне концепции полной пластичности при нелинейном графике сдвига;
в определении на основе плоских и осесимметричных решений предельного давления на песчаные грунтовые основания прямоугольных фундаментов при нелинейном графике сдвига.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
- разработана методика определения прочности глинистых и песча
ных оснований квадратных и прямоугольных фундаментов;
предложены новые коэффициенты формы, которые позволяют обосновано повысить оценку прочности оснований прямоугольных фундаментов;
разработана методика определения предельного давления на песчаные основания ленточных, круглых и прямоугольных фундаментов при больших нагрузках;
предлагается использовать величину предельного давления на основания прямоугольных фундаментов, полученную по данной методике, при определении осадки на нелинейном участке графика зависимости «осадка»-«нагрузка».
Методы исследований. Основными методами, использованными в работе, являются: строгий статический метод ТПРГ (метод характеристик); метод конечных разностей при численном интегрировании канонических уравнений ТПРГ; методы математического анализа при выводе канонических уравнений; экспериментальные методы исследований механики грунтов.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международных научных студенческих конференциях «Сту-
дент и научно-технический прогресс» на секции «Математика», подсекция «Механика сплошной среды» в 2002, 2004, 2005 гг. в НГУ (г. Новосибирск), на Новосибирских межвузовских научных студенческих конференциях МНСК «Интеллектуальный потенциал Сибири» по направлению «Современные проблемы технических наук» на секции «Теория расчёта инженерных сооружений и конструкций» в 2002...2004 гг. в НГАСУ (г. Новосибирск), на научно-технических конференциях «Наука и молодёжь XXI века» в 2003...2005, 2007 гг. в СГУПС (г. Новосибирск), на 61-й, 62-й, 64-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава НГАСУ на секции «Актуальные проблемы инженерной геологии, оснований и фундаментов» в 2004, 2005, 2007 гг., на Всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» (65-я научно-техническая конференция) в НГАСУ в 2008 г., на межвузовской конференции «Геотехника: актуальные теоретические и практические проблемы» в 2005, 2006 гг. в СПбГАСУ (г. Санкт-Петербург), на семинарах кафедр «Геология, основания и фундаменты» СГУПС в 2005... 2011 гг. и «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» АлтГТУ в 2011 г.; представлены в сборнике научных статей СГУПС «Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты» (2007 г.), в журналах, рекомендованных ВАК, «Промышленное и гражданское строительство», №4 в 2008 г. (г. Москва), «Ползуновский вестник», № 2, ч. 1, АлтГТУ им. И.И. Ползунова в 2011 г. (г. Барнаул).
Публикации. По теме диссертации автором было опубликовано 8 печатных работ.
На защиту выносятся:
решение задачи о предельном давлении на грунтовые основания прямоугольных фундаментов по схеме Мейергофа на основе строгих решений задачи Прандтля в плоской постановке и для условия осевой симметрии вне концепции полной пластичности;
новые формулы для определения коэффициентов формы, зависящих как от соотношения сторон фундамента, так и от угла внутреннего трения глинистых и песчаных грунтов;
результаты крупномасштабных и лотковых экспериментальных исследований зависимости прочности оснований прямоугольных фундаментов от соотношения сторон, выполненных на глинистых и песчаных грунтах;
каноническая система уравнений осесимметричной задачи статического метода ТПРГ при нелинейном графике сдвига вне концепции полной пластичности;
результаты решений плоской и осесимметричной задач Прандтля при нелинейном графике сдвига;
- результаты решения задачи о предельном давлении на основания прямоугольных фундаментов при нелинейном графике сдвига на основе схемы Мейергофа.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 176 страниц, в том числе 95 рисунков и 30 таблиц. Список литературы содержит 118 источников, в том числе 18 иностранных.
