Содержание к диссертации
Введение
1 Краткий обзор по теме диссертации
1.1 Анализ исследований системы «одноэтажная стальная рама-фундамент-грунтовое основание» 8
1.2 Фундаментальные решения теории упругости, уравнения строительной механики и теории сооружений 11
1.3 Расчет и исследование оснований и фундаментов 18
1.4 Выводы 26
2 Экспериментальные исследования несущей способности и перемешений заглубленных фундаментов 28
2.1 Влияние относительных эксцентриситетов, углов наклона нагрузок, относительных глубин заложения на несущую способность фундаментов 28
2.2 Влияние нагрузки, относительных эксцентриситетов и относительных глубин заложения на перемешения заглубленных фундаментов 32
2.3 Исследования нормальных и касательных контактных напряжений 34
2.4 Исследования характера деформирования основания 46
2.5 Выводы 51
3 Расчет перемещений и несущей способности буронабивных фундаментов при действии плоской системы сил 52
3.1 Определение осадок и перемещений фундаментов с применением теории местных
упругих деформаций 52
3.2 Расчет буронабивного фундамента с использованием подхода И.А. Симвулиди... 53
3.3 Формулы для вычисления относительных координат мгновенных осей вращения 62
3.4 Расчет несущей способности фундаментов по материалу и по трещиностойкости 76
3.5 Выводы 82
4 Теоретические исследования перемещений фундаментов и характер деформирования грунтовой среды стальной рамы на базе модели “PLAXIS» 83
4.1 Зависимость перемещений фундамента от эксцентриситета нагрузки 85
4.2 Зависимость перемещений фундамента от угла наклона силы 90
4.3 Зависимость перемещений от глубины заложения фундамента при действии горизонтальной нагрузки 92
4.4 Сравнение экспериментальных данных с расчетными, полученными по методике зарубежных специалистов (программа «Plaxis 8.x») з
4.5 Выводы 105
5 Взаимное влияние подземных конструкций 106
5.1 Расчетные модели грунтовых оснований 108
5.2 Взаимное влияние фундаментов при действии осевой вертикальной силы 109
5.3 Взаимное влияние фундаментов при действии вертикальной внецентренной силы 120
5.4 Взаимное влияние фундаментов при действии внецентренной наклонной силы 125
5.5 Влияние нагруженного фундамента мелкого заложения на несущую способность
свай 130
5.6 Выводы 133
6 Расчет одноэтажных однопролетных стальных рам на буронабивных фундаментах 134
6.1 Исходные данные для проектирования 134
6.2 Расчет болтовых соединений с учетом дополнительных сил 136
6.3 Расчет базы колонны болтовых соединений с учетом жесткости соединений 141
6.4 Расчет однозтажных однопролетных стальных рам с уточнением изгибающих моментов 151
6.5 Выводы 156
Основные выводы 157
Основные условные обозначения 159
Список литературы
- Фундаментальные решения теории упругости, уравнения строительной механики и теории сооружений
- Влияние нагрузки, относительных эксцентриситетов и относительных глубин заложения на перемешения заглубленных фундаментов
- Формулы для вычисления относительных координат мгновенных осей вращения
- Зависимость перемещений от глубины заложения фундамента при действии горизонтальной нагрузки
Введение к работе
Актуальность исследования. Учет совместной работы несущих
строительных конструкций зданий; оснований, фундаментов и зданий
(сооружений) является одной из наиболее актуальных проблем, так как позволяет повысить надежность и экономиченость проектных решений. Расчет системы «одноэтажные стальные рамы - буронабивные фундаменты» с учетом жесткости всех элементов, перемещений опор рамы и их взаимного влияния относится к важнейшей проблеме.
На опоры рам действует плоская система сил изменяющаяся при эксплуатации. Используемые модели зданий и грунтовых оснований приводят к значительному отличию результатов. Во времени меняются физические, механические и реологические свойства грунтов. В податливых соединениях рам возникают дополнительные силы, способные вызывать разрушение соединения.
Существующие методы расчета требуют кардинального
усовершенствования на основе экспериментальных данных.
Актуальность темы диссертации обусловлена практической значимостью указанных выше научно-технических задач, современными возможностями совершенствования качества инженерных расчетов путем использования вычислительных комплексов.
Степень разработанности темы исследования. Теоретическими и практическими основами работы стали исследования отечественных, Европейских и Американских ученых, посвященные расчету одноэтажной однопролетной стальной рамы на буронабивных фундаментах, элементов легких рам производственных зданий, конструкций и их соединений.
Цель диссертационной работы- разработать практический метод расчета одноэтажной однопролетной стальной рамы на буронабивных фундаментах при действии плоской системы сил с учетом перемещений опор рамы и податливости соединений.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
- усовершенствовать метод расчета системы «одноэтажные стальные
рамы - буронабивные фундаменты»;
- проанализировать известные экспериментально-теоретические
исследования напряженно-деформированного состояния системы;
- установить закономерности распределения контактных напряжений по
боковой поверхности и подошве буронабивных фундаментов и расположения
мгновенных центров вращения;
- разработать методы расчета несущей способности опорных конструкций
и их перемещений при действии плоской системы сил;
- разработать метод расчета болтового соединения опоры со стойкой
стальной рамы с учетом гибкости элементов.
Научную новизну работы составляют:
1. Метод расчета системы «одноэтажные стальные рамы - буронабивные
фундаменты», позволяющий более обоснованно получить оптимальное
решение с обеспечением конструктивного требования.
2. Функциональные зависимости координат мгновенных центров
вращения опор рамы и контактных напряжений от относительных величин
заглубленний и эксцентриситетов, нагрузок и углов наклона их к вертикали.
3. Метод расчета несущей способности конструкции опор рамы,
основанный на экспериментально определенных и математически
обработанных данных с определением коэффициентов и функции влияния.
4. Решения задач о перемещениях опор рамы в линейно-деформируемой
среде с использованием МКЭ и программы “Plaxis 8x”, позволяющие
определить компоненты перемещений и координаты мгновенных осей
вращения.
5. Результаты численных исследований НДС основания подземных
конструкций при действии плоской системы сил с определением картин
деформирования основания, построением характерных поверхностей
скольжения.
-
Метод расчета болтового соединения опоры со стойкой стальной рамы, учитывающий гибкости элементов и модели зарубежных ученых.
-
Рекомендации по повышению эффективности проектных решений.
Теоретическая и практическая значимость и реализация результатов
исследования. Разработанная методика расчета системы «одноэтажные
стальные рамы - буронабивные фундаменты» может быть использована при расчете и проектировании стальных рамных конструкций. Основные положения диссертационной работы включены в учебную программу подготовки бакалавров и магистрантов по дисциплинам «Обследование и испытание сооруженний», «Теория сооруженний», «Железобетонные и каменные конструкции».
Установленные многочисленные функциональные зависимости
относительных координат мгновенных осей вращения, закономерности распределения и изменения нормальных и касательных контактных напряжений позволяют уточнить существующие методы расчета несущей способности и перемещений опор рамы и системы в целом, оценить взаимное влияние близко расположенных подземных конструкций.
Методика расчета системы внедрена в практику проектирования во Вьетнаме.
Методология и методы исследования. Методологической основой
исследования послужили ранее полученные данные многолетных
лабораторных опытов с моделью одноэтажной однопролетной стальной рамы с квадратными заглубленными фундаментами на песчаном основании, результаты полевых и лабораторных экспериментов с моделями опор рамы, оснащенными протарированными устройствами для измерения нормальных и касательных напряжений. Деформации и напряжения в элементах рамы измеряли тензометрами и тензорезисторами, перемещения-индикаторами
ИЧ-10. В экспериментах использованы метрологически аттестованные приборы, теории планирования и моделирования.
Проведена статистическая обработка ранее полученных
экспериментальных данных с определением функций влияния. Численные исследования выполнены с применением хорошо апробированных методов и программного комплекса “Plaxis 8x”.
В основу методики расчета соединения опорной конструкции со стойкой рамы приняты разработки отечественных и зарубежных ученых, EUROCODE 3 и ASIC. Использованы общепринятые модели, принципы и гипотезы строительной механики, механики деформируемых твердых сред, теории пластичности.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика расчета системы «одноэтажные стальные рамы -
буронабивные фундаменты» , в основу которой положены определенные
функции влияния.
2. Закономерности распределения нормальных и касательных контактных
напряжений, координат мгновенных центров вращения опорных
конструкций, установленные по результатам математической обработки
опытных данных, в том числе, с крупномасштабной тензомоделью.
-
Картины деформирования основания рамы, полученные МКЭ по данным численных исследований с использованием программы “ Plaxis 8x”;
-
Новые методы расчета опорных конструкций по двум группам предельных состояний, в том числе, с помощью эмпирических функций влияния.
5. Предложения по регулированию усилий и перемещений в элементах
системы.
Степень достоверности и апробация работы.
Степень достоверности исследования обеспечивается:
- использованием современного метрологически аттестованного
контрольно- измерительного оборудования;
- применением современных программных комплексов;
- использованием фундаментальных теорий, принципов, хорошо
обоснованных гипотез и допущений;
сравнением расчетных и опытных данных с результатами других ученых;
постановкой численных экспериментов и статической обработкой расчетных и опытных данных.
Основные положения диссертационной работы докладывались на
международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы
проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и
сооружений» (Пенза, 2008 г); первой и второй международной научно-
практической конференции посвященной 35 - летию института АРХСИТ
ТГТУ «Устойчивое развитие региона: архитектура, строительство,
транспорт» (Тамбов, 2014, 2015); научно - технической конференции
«Строительные конструкции и материалы. Современные проблемы, исследования», подсекции «Основания, фундаменты и механика грунтов», посвященной 105 - летию со дня рождения проф. Шеляпина Р.С. (Воронеж, 2014 г); ежегодных научно - технических конференциях ТГТУ (2013... 2016).
Публикации. Основные результаты исследования и содержание диссертационной работы изложены в одной монографии и 7 статьях, опубликованных в сборниках научных работ, 4 из которых в изданиях, входящих в перечень, определенный ВАК РФ.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести разделов, списка использованных источников из 252 наименований, 3 приложений; содержит 187 страниц, из которых 160 страниц машинописного текста, в том числе, 99 рисунков, 33 таблицы.
Фундаментальные решения теории упругости, уравнения строительной механики и теории сооружений
Совершенствованию методики расчета посвящены работы: В.А. Балдина (1967); О.В. Евдокимцева (2010... 2015); Е.И. Белени (1957... 1982); Г.И. Белого (1986, 1988); С.А. Варечкина (2000... 2004); И.Н. Кузнецова (2006... 2009); Л.В. Клепикова (1955, 1957); Ю.И. Колмогорова (1987, 1988); Е.Г. Кутухтина (1988); В.В. Леденева (2000... 2015); Я.И. Олькова (1980); С.Ф. Пичугина (2011); Н.С. Примака (1966); А.Б. Ренского (1958); Г.А. Шапиро (1952); В.С. Шебакина (1993) и др.
Анализируя экспериментальные данные, Г.А. Шапиро (1952) выявил значительное влияние деформативности узлов на работу ригелей, со снижением опорных узлов до 25%. Обширные экспериментальные исследования с крупномасштабными конструкциями однопролетного каркаса проводили Е.И. Беленей и Л.В. Клепиковым [23]. Сопряжение ригелей с колоннами было жестким. Отмечено снижение изгибающих моментов вместе сопряжения ригеля с колонной до 20 % по сравнению с расчетом по идеализированной расчетной схеме. Исследовано влияние перемещений и их характера на совместную работу системы «основание фундаменты мелкого заложения- стойка рамы». Двухпролетный стальной каркас исследовали А.Н. Райтаровский и Б.П. Ковтунов (1979). Отмечено, что поворот фундамента приводит к уменьшению изгибающего момента в уровне базы колонн до 2-х и более раз.
Действительные условия закрепления нижнего конца колонны изучали Е.И. Беленя (1941) и В.А. Балдин (1967). По данным В.А. Балдина вследствие деформации основания изгибающие моменты в колоннах в уровне фундамента уменьшаются на 25 %, базы- на 22 %, нижнего пояса фермы- на 8 %.
Методику оценки деформативности узлов рам разработал Т.Н. Морачевский (1950). Разработке инженерного метода расчета П-образных стальных рам с разной податливостью узловых сопряжений на деформируемом основании посвящены исследование [49, 50]. В результате: - установлена зависимость между видом, жесткость, узлового соединения ригели со стойкой и формой деформирования рамы; - получены эмпирические зависимости параметров НДС стоек и плоского перемещения фундаментов от величины и схемы нагружения ригеля, плотности основания, заглебления фундаментов и жесткости сопряжения элементов рам; - сжимаемость основания в большей степени влияет на НДС стоек чем ригеля; в уровне базы колонны величин экспериментального момента меньше теоретического в среднем на 60 %; - получены определяющие критерии подобия, позволяющие использовать результаты экспериментальных данных для прогнозирования НДС натурных П-образных стальных рам; - разработан практический метод расчета рам с учетом сжимаемости основания и виды сопряжения ригеля со стойкам. О.В. Евдокимцев, И.Н. Кузнецов, В.В. Леденев исследовали (2006... 2015) влияние дефектов в основании и в элементах рамы на НДС системы «основание-фундамент-стальная однопролетная рама».
Так, в опытах с разной плотностью песчаного основания под соседними фундаментами и при разных заглублениях выявлена трансформация эпюр изгибающих моментов с уменьшением их величин в уровне баз стоек в среднем на 40 % и увеличением в верхней части на 30 %.
В зависимости от жесткости верхних узлов сопряжения ригеля со стойками величины перемещений фундаментов в опытах с разной плотностью основания изменяются до 45 %, при разном заглублении фундаментов до 20 %, при наличии зазора между боковой поверхностью одного из фундаментов и грунтом обратной засыпки- до 25 %. Разработана система поправочных коэффициентов влияния, учитывающих наличия дефектов основания и особенности конструкции.
О.В. Евдокимцев в течение пяти лет исследовал влияние дефектов рамы, в том числе, характер и расположение ослаблений элементов. А.Г. Юрьев исследовал с аспирантами безфасоночное соединение элементов стальных ферм, что повысило эффективность конструкции. В.В. Зверев и А.С. Семенов разработали (2007... 2009) эффективную конструкцию фермы из холодногнутых профилей повышенной жесткости с болтовыми соединениями. Взамен самонарезающих винтов использованы болты нормальной точности. Критерием предельного состояния являются деформации смятия элементов в соединении. Особенностью тонкостенных холодногнутых профилей является возможность потери местной устойчивости сжатых граней раньше общей устойчивости элемента. Даны предложения по учету влияния болтовых соединений. Прогиб фермы увеличивается на 30 ... 40 %, изменяется величина изгибающих моментов в верхнем поясе фермы. Предложена методика расчета, позволяющая учесть влияние податливости болтовых соединений и возможности наступления потери местной устойчивости тонкостенных элементов раньше потери общей устойчивости.
Практически во всех формулах усилий и деформаций в явном или неявном виде присутствует основная характеристика-относительная изгибная жесткость системы «основание-рама», определяемая с учетом среднего значения коэффициента жесткости основания Со при вертикальной передаче нагрузки на фундамент. В реальных условиях вертикальная нагрузка приложена к обрезу фундамента с эксцентриситетом. Из работы В.В. Леденева [139, 155] следует, что величины деформаций отдельно стоящих фундаментов (осадка, крен) могут изменяться в несколько раз в зависимости от относительного заглубления подошвы фундамента и эксцентриситета приложения вертикальной силы. Это делает необходимым внесение соответствующих изменений в значение коэффициента жесткости основания и, как следствие, совместной работы основания с сооружением, Мв параметры напряженно-деформированного состояния элементов рамы.
Влияние перерезывающей силы на увеличение податливости основания также существенно и в значительной степени зависит от относительного заглубления подошвы фундамента [136].
В [120] изложена методика беззатяжечного предварительного напряжения стальных тонкостенных разрезных балок и колонн. Напряжение в них достигается предельной деформацией их тонкой стенки. Показана целесообразность применения стержней предварительных напряженных без затяжек в каркасах зданиях.
Предварительное напряжение позволяет регулировать напряженное и деформированное состояние конструкций. Вектор усилий или перемещений в них направлен в сторону, противоположную соответствующему вектору нагрузок.
Влияние нагрузки, относительных эксцентриситетов и относительных глубин заложения на перемешения заглубленных фундаментов
Используя программу “Plaxis 8x”, приводим результаты расчета фундамента d= 40 см, h= 150 см величины перемещений некоторых точек приведены в табл. 3.2 [150]. В задаче, рассматривается фундамент конечной жесткости на упругом однородном основании. Такая модель широко использована в геотехнических задачах. Эта программа позволяет решать самые разные геотехнические задачи. Возможно использование больших двухмерных конечно-элементных сеток. “Plaxis 8x”, поставляется в виде расширенного программного пакета, учитывающего статические упругопластические деформации, усовершенствованные модели грунта, расчеты устойчивости и консолидации, расчеты по изменяемой сетке и расчеты установившейся фильтрации в грунтах.
Результаты горизонтального перемещения точки О по расчету (метод И.А. Симвулиди) и по программе (Plaxis 8x) незначительно различают (3,404 10-6 м и 3,120 10-6 м), так как они основаны на теории расчета балок на линейном упругом основании.
Предложенная методика может исползоваться при расчете буронабивных сваев на сложных геологических условиях, расчете фундаментов высоких, большопролетных сооужений, в которых значительно действуют ветровые нагрузки.
Перемещение жесткого фундамента рассматривается как вращение вокруг мгновенных центров или осей (случай плоской деформации). При действии плоской системы сил оси вращения расположены в одной плоскости, например, xoz. Для различных комбинаций исследуемых переменных F, F , d, h, e, , t, , и др. можно построить поле координат осей вращения. Здесь обозначено: F - нагрузка; F = F/Fu уровень нагрузки; Fu- разрушающая нагрузка; d- диаметр фундамента; h- глубина расположения подошва фундамента; e,-эксцентриситет и угол наклона силы; t- время; = xc/R = u/(i R); = zc/h = u/(i h), где R 63 радиус фундамента; s, u - осадка и горизонтальное перемещение центра тяжести фундамента в уровне поверхности. Анализ результатов экспериментов удобно рассматривать в относительных величинах, например, = h/d - относительное заглубление фундамента; e0 = e/R - относительный эксцентриситет.
В [134] приведено поле координат осей вращения для случая плоской деформации и винклеровской модели основания с постоянной величиной коэффициента постели.
Фундаменты возводят на основании естественной или нарушенной структуры с набором начальных физико - механических характеристик (с, , Е, , w...). В общей случае среда может быть анизотропной и неоднородной.
При возрастании нагрузки отдельные области основания проходят стадии уплотнения, разуплотнения, упрочнения, течения, выпора, формирования плоскостей скольжения и др. Все начальные величины параметров изменяются. Кроме того, с разной скоростью проходят реологические процессы. Некоторые принципы, например, суперпозиции неприменимы. Исследовать все это экспериментально чрезвичайно сложно. Известны лишь отдельные работы в том направлении (изучение полей плотности грунтового основания Ю. Н. Мурзенко, 1970 и В. В. Леденевым [155]).
Происходящие в основании процессы влияют на величины перемещений фундамента, распределения контактных напряжений, зон отрыва поверхности фундамента от основания, положения координат мгновенных осей вращения, величины параметров нагружения (e0 и ) и т.д. Учесть все это в расчетах на представляется возможным. К тому же, влияющие параметры взаимосвязаны и взаимозависимы [97, 101].
По материалу экспериментов В. В. Леденева ранее выполнены обобщения [128] . Ниже приведены дополнительные сведения о положениях координат мгновенных осей вращения.
Влияние нагрузки на относительные координаты мгновенной оси вращения [130]. Рассмотрим результаты экспериментов, описанных в [155, с. 97-99] и выполненных с тензомоделью d = 50 см; h = 180 см; e0 = 0,4. Координаты мгновенной оси вращения и относительные координаты вычисляли по формулам: zc = uo /i; xc = so /i; = zc/h; = xc/h, где uo, so - вертикальное и горизонтальное перемещение центра О, i - крен фундамента. Их значения приведены в таблице 3.3.
Формулы для вычисления относительных координат мгновенных осей вращения
Близко расположенные фундаменты могут отличаться формой, размерами, заглублением, жесткостью, конструкцией сопряжения с надземными частями здания, величинами нагрузок и характеров их воздействия, расстояниями по осям, наличием или отсутствием пола.
Дополнительные (от взаимного влияния) перемещения фундаментов (осадка s; горизонтальные перемещения ux, uy; крены ix,iy) увеличивают относительную неравномерность с возможным превышением предельно допустимых величин.
При определенных обстоятельствах (например, изменение жесткости основания или случайного увеличения нагрузок) возникают и развиваются с разными скоростями деформации ползучести, проявляются реологические процессы (релаксация и последействие).
В период эксплуатации изменяются механические характеристики грунтов, жесткости конструкций, зданий или сооружений. Все это оказывает негативное влияние на деформации надземных частей зданий (сооружений).
Целью экспериментов явилось исследование взаимного влияния фундаментов при их близком расположении.
В задачи исследований входило: - установить степень взаимного влияния незаглубленных и заглубленных фундаментов при действии плоской системы сил; - изучить влияние отдельных фундаментов на забивные сваи; -определить коэффициент повышения несущей способности фундаментов путем ограничения боковых деформаций; - оценить зависимость величин разрушающих нагрузок и перемещений отдельных фундаментов при наличии ограждающих стенок с одной, двух или четырех сторон; - оценить влияние дополнительных перемещений фундаментов, вызванных их взаимодействием на надземную часть здания и сооружения; - предложить эмпирические функциональные зависимости. Влияние подземных конструкций и нагрузки на поверхности. На несущую способность и перемещения фундаментов часто оказывают влияния и другие воздействия. Взаимное влияние фундаментов, зданий и сооружений, учет нагрузки на поверхности основания рассмотрено в работах [55, 68, 103, 104, 127, 130, 180, 191, 195, 232 и др.]. Отметим работы Д.Е. Польшина (1933), Штейнбреннера (1934, 1936), В.Г. Короткина (1939), Н.А. Цытовича (1940), К.Е. Егорова (1948), Б.И. Далматова (1988) и др. Большое значение придается учету нагрузки на поверхности. Это подробно рассмотрено в работах [79, 10, 117, 127, 212 и др.]. Значительные повреждения зданий и аварии связаны с 107 ошибками в расчетах и строительстве. Достаточно обратиться к работам [130, 139, 180, 195 и др]. Влияние отрывки глубокых котлованов на существуюшие здания и сооружения. Проблему обсуждали K.N. Dinakar и S.K. Prasad: Y. Hou, H.Wang, J. Wang (2010); D. Siwik, Cz. Miedzialowski (2013, 2014) и др.
K.N. Dinakar, S.K. Prasad исследовали влияние устройства глубоких котлованов на деформации окружающего грунтового массива, близко расположенных зданий и сооружений. Использовали метод конечных элементов и программу “Plaxis 8х”. Анализ выполняли для нелинейной грунтовой среды с критерием разрушения по Мору- Кулону.
Сделан численный эксперимент по прогнозированию развития горизонтальных и вертикальных перемещений стен по мере выполнения работ. Исследовано влияние различных параметров на величины перемещений и сопротивление сдвигу ограждающих котлован конструкций. Cz. Miedzialowski, S. Damian (2014) МКЭ изучали деформация грунта вокруг глубоких котлованов и сооружений, вблизки расположенных, при разработке котлована и возведении нового здания. Расчеты проведили в условиях плоской и пространственной задачи.
В.А. Ильичев и Ю.А. Готман предложили [68] метод определения размеров грунтоцементного массива с применением модели винклеровского основания, стандартных методик расчета монолитных подпорных стен и теории оптимального проектирования. Минимальный объем грунтоцементного массива определяют из условия, что горизонтальные перемещения ограждения при откате котлована S max пред (5.1) Основным параметром для решения задачи является переменый по высоте коэффициент жесткости основания. В состоянии покоя ограждение рассматривается как балка, защемленная с двух сторон преднапряженными поясами. Уравнением состояния является матрияное уравнение МКЭ K(k)z -Q = 0, где К(к) - глобальная матрица жесткости системы, элементы которой зависят от «к», Q и z-векторы узловых нагрузок и перемещений. Взаимное влияние ростверка и свай. А.А. Бартоломей один из первых исследовал НДС ростверка и долю нагрузки, передающейся через ростверк [17, 18]. В.В. Бабанов и В.А. Шашкин провели [12] анализ работы свайных фундаментов с низким и высоким ростверками с учетом нелинейной работы основания и использованием упругопластической модели основания с независимым деформационным упрочнением. В случае низкого ростверка фундамент является плитно - свайным.
Численый эксперимент выполнен с помощью программного комплекса FEM models. Согласно СП 24.133330.2011 фундамент можно считать плитно - свайным для оснований, сложенных песками средней плотности и плотностными, глинистыми грунтами твердой, полутвердой или тугопластичной консистенции (IL 0,5).
Численное моделирование выполняли для трех конструкции: плитного, свайного и плитно-свайного фундамента. Шаг свай изменяли от 3 до 24 d. Несущие способности сравнивали при осадках 1 см и 20 см. Расчеты показали, что при шаге свай: - 3 d грунт и свай работают как единый свайный фундамент; - 16 d несущая способность плитно - свайного фундамента на 30 % больше плитного и 8 d-на 5 % выше свайного. Практически важные результаты получены в [68, 69, 88, 122, 165, 193, 209 и др.]. Исследование прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных конструкций, в том числе, фундаментных проводили: В.Н. Байков (1991); В.М. Бондаренко (1962... 2010); А.В. Боровский (2011); Г.А. Гениев (1969); Г.А. Гениев, В.И. Колчунов, Н.В. Клюева, А.И. Никулин, К.П. Пятикрестовский (2004); Г.А. Гениев, В.И. Колчунов, Н.В. Клюева (1998); В.В. Гвоздев (1978); А.С. Залесов, Э.Н. Кодыш, Л.Л. Лемыш, И.Н. Никитин (1988); Н.И. Карпенко (1976, 1996); В.И. Колчунов (1991... 2002); А.П. Кудзис (1989); В.В. Леденев (1980); В.В. Леденев, В.М. Струлев, Азама Нилас (2010); В.С. Плевков, И.В. Балдин, П.В. Стуков (2004); А.Н. Тетиор (2010) и др.
Зависимость перемещений от глубины заложения фундамента при действии горизонтальной нагрузки
В первом случае при вращении вокруг мгновенного центра с(х,y) со стороны передней грани формируется область выпора грунта, захватывающая впереди расположенные фундаменты. При разрушении основания область выпора смещается вверх, увлекая нагруженные фундаменты. Вектор перемещений в центре их направлен под некоторым углом вверх. Во втором случае (рисунок 5.14,б) наблюдается следующая картина. При достижении нагрузкой предельной величины грунт из-под подошвы смещается вправо по образующейся поверхности скольжения. Если с(х,y) выше подошвы, то грунт у низа задней грани перемещается также вправо. При расположении с(х,у) ниже подошвы влияния этого давления на грунт не будет. Выше границы области Г(x,y,z) находится область пластических деформаций.
Опыты проводили в маловлажном песке при р = 1,65 г/см ; со = 0,05; df = 20 см; L=L/d f = 1,2,3,6; Ц = 0; 0,5; 1; 15; S = 0, 10; е = 0; -0,25. Эксперименты показали (таблица 5.5), что перемещения нагруженной модели при F 0,5(F = F/Fu где Fu - предельная нагрузка) появляются вследствие проявления Пуассонова эффекта. При F 0,75 формируются поверхности скольжения, приводящие к некоторому подъему и повороту в противоположную сторону модели Ф2. Значения перемещений нагруженной (sb щ) и ненагруженной (s2, u2) модели приведены в таблице 5.5.
В таблице приведены величины горизонтальных перемещений ненагруженных моделей в уровнях поверхности основания. В обоих случаях они направлены вправо. Численные значения перемещений близки к величинам осадок s2.
Перемещения нагруженной модели при предельной нагрузке su, uu и при нагрузке F (sb иГ) показаны в таблице 5.6.
Возможен случай расположения фундаментов в ряд, например, вдоль оси х. При S 0,e0 0 модель вращается вокруг мгновенного центра с(х,y) (рисунок 5.15). Перед моделью формируется поверхность скольжения, следы которой показаны на рисунке 5.15, а, б. Она захватывает впереди расположенные фундаменты. Возможно их смещение. Опыты [139] показали, что длина проекции поверхности скольжения на ось х достигает 6 d. Векторы перемещения центров ненагруженных моделей фундаментов направлены под углами /? вверх. Рисунок 5.15- Влияние нагруженного плоской системой сил заглубленного цилиндрического фундамента и незаглубленного квадратного штампа на соседние: а,б) - заглубленная цилиндрическая модель, б,в) - незаглубленный квадратный штамп
Рассмотрим случай размещения незаглубленных квадратных фундаментов также вдоль оси х. Положение точки с(х,у), зависит, в первую очередь, от (е/6и F). Поверхность скольжения может проходить с захватом грунта под подошвой (охватывая ее полностью (рисунок 5.15,в) или частично). В зону ее влияния попадают Ф2 и Ф3 . Вектор их перемещения также направлен вверх под некоторым углом р .
Ненагруженные фундаменты в зоне влияния получат дополнительные перемещения: осадку, горизонтальное смещение и крен. Соотношения перемещений для 1 (нагруженного), 2 и 3 (ненагруженных моделей) в среднем составило 100 %, 8 % и 2 %. Кроме того, угол наклона вектора перемещений с удалением от 1-ой модели приближается к горизонтали.
В практике такие случаи встречаются часто. Например, при усилении перекрытий стальными балками. Опорами колонн являются фундаменты мелкого заложения. Они располагаются, как правило, вблизи фундаментов здания, в том числе, и свайных. Дополнительные нагрузки от отдельных фундаментов на сваи могут быть существенными.
1. Близко расположенные фундаменты, здания, сооружения, нагрузка на поверхности вызывают дополнительные перемещения подземных конструкций, увеличивают их неравномерность, приводят к дополнительным напряжениям в элементах зданий, сооружений, к появлению повреждений (трещин, сколов, смятию, сдвигем и т.п.) и разрушений, нарушают эксплуатационные качества и снижают долговечность.
2. Учесть взаимное влияние расчетом довольно сложно из-за: многообразия грунтовых условий, изменения характеристик грунтов при эксплуатации; отсутствия достаточно обоснованных расчетных моделей грунтов, конструкций, зданий и сооружений, стыковых соединений; случайного характера изменения жесткостных характеристик материалов и конструкций.
3. Установлены экспериментальные зависимости между влияющими параметрами, позволяющими точнее определить эффект взаимного влияния и обосновать конструктивные решения, снижающие последствия этого вличния.
4. Численный эксперимент МКЭ по программе “Plaxis 8x” показал распределение в основании силовых полей, в зону которых попадают условно ненагруженные фундаменты, вызывая сложный характер плоских перемещений. - С увеличением относительного эксцентриситета при постояном расстоянии между фундаментами осадки (вертикальные перемещения) ненагруженного фундамента возрастают до 58 % от осадки нагруженного. - С увеличением расстояния между фундаментами при постояном относительном эксцентриситете, осадки ненагруженного фундамента уменьшается примерно в 1,5-2 раза. - Вертикальные перемещения ненагруженного фундамента от влияния близко расположенно нагруженного фундамента считаются значительными. Эти допольнительные перемещения оказывают негативное влияние на деформации надземных частей зданий (сооружений). - Значения расчетных осадок нагруженного фундамента меньше экспериментальных на 24 53 %, а осадки ненагруженного фундамента больше экспериментальных в 2 раза, обсобенно при меньшем расстояние между фундаментом.