Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Цель и задачи исследования 10
1.1.Обзор экспериментально-теоретических исследований ростверков свайных фундаментов 10
1.1.1. Методы расчета 10
1.1.2. Конструктивные решения ростверков под колонну 18
1.1.3. Экспериментальные исследования ростверков свайных фундаментов 22
1.1.4. Опыт использования каркасно-стержневой модели 24
1.2. Анализ методов расчета, конструирования и ранее проведенных исследований 27
1.3. Развитие исследований по комплексной программе 32
1.4. Программа дальнейших экспериментально-теоретических исследований 33
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования. программа, опытные образцы, методика испытаний 36
2.1. Программа экспериментальных исследований ростверков свайных фундаментов под колонны при многорядном расположении свай. 36
2.2. Испытания ростверков 36
2.2.1. Физико-механические свойства бетона и арматуры 38
2.2.2. Проектирование опытных образцов ростверков с количеством свай шесть и восемь, с различными схемами армирования и различной схемой нагружения 40
2.2.3. Методика испытаний. 44
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований ростверков свайных фундаментов 48
3.1. Образование и развитие трещин в восьмисвайных ростверках при разрушении по сжатой зоне. Схема разрушения 48
3.2. Образование и развитие трещин в восьмисвайном ростверке при разрушении по растянутой зоне. Схема разрушения 54
3.3. Образование и развитие трещин в шестисвайном ростверке при разрушении по сжатой зоне. Схема разрушения 56
3.4. Образование и развитие трещин в шестисвайном ростверке при разрушении по растянутой зоне. Схема разрушения 60
3.5. Образование и развитие трещин в ростверках при перемещении опор и выключении из работы ростверков некоторых свай. Схема разрушения 60
3.6. Оценка напряженно- деформированного состояния ростверков 68
3.7. Классификация трещин 74
3.8. Классификация схем разрушения 75
3.9. Оценка влияния основных факторов на работу ростверков 77
3.10. Разрушающие усилия. Усилия образования трещин .84
Выводы и результаты по главе 3 87
ГЛАВА 4. Исследование напряженно деформированного состояния многорядных свайных ростверков под колонну численным методом по ППП АП ЖБК 89
4.1. Программа исследований ростверков численным методом 89
4.2. Расчетные схемы ростверков 89
4.3. Результаты исследований 90
4.3.1 .Распределение нормальных напряжений а х, ау, az.
Главные напряжения 90
4.3.2. Анализ напряженно-деформированного состояния многорядных ростверков 92
Выводы и результаты по главе 4 111
ГЛАВА 5. Совершенствование метода расчета прочности ростверков свайных фундаментов под колонны при многорядном расположении свай 113
5.1. Научные направления совершенствования метода расчета прочности ростверков свайных фундаментов 113
5.2. Моделирование работы ростверков с многорядным расположением свай 116
5.2.1. Принцип модифицирования расчетных моделей 117
5.2.2. Построение расчетных моделей .122
5.2.3. Построение вариантов расчетных моделей при различных перемещениях свай 137
5.2.4. Построение расчетных моделей в случае появления предельных усилий в одной или нескольких сваях 139
5.3. Определение усилий в расчетных моделях 142
5.4. Предельные состояния и условия прочности ростверка 146
5.5. Оценка влияния исследуемых факторов 151
5.5.1.Расчет прочности ростверков при различных схемах расположения свай 152
5.5.2. Расчет прочности ростверков при наличии эксцентриситета передачи нагрузки 157
5.5.3. Расчет прочности ростверков при различных схемах продольного армирования 159
5.5.4. Расчет прочности ростверков при перемещении свай 162
5.5.5. Расчет прочности ростверков при частичном или полном выключении одной или нескольких свай из работы ростверка 167
5.6. Оценка расчетных моделей и методов расчета прочности ростверков при многорядном расположении свай 171
Выводы по главе 5 175
Общие выводы и основные результаты 178
Литература 182
- Развитие исследований по комплексной программе
- Образование и развитие трещин в восьмисвайном ростверке при разрушении по растянутой зоне. Схема разрушения
- Разрушающие усилия. Усилия образования трещин
- Анализ напряженно-деформированного состояния многорядных ростверков
Развитие исследований по комплексной программе
Анализ результатов экспериментально-теоретического исследования показывает, что проблема проектирования многорядных свайных ростверков остается открытой. Очевидным является необходимость глубокого исследования действительной работы таких конструкций. Данная диссертационная работа проведена в рамках комплексной программы экспериментально-теоретических исследований ростверков свайных фундаментов, выполняемых на кафедре строительных конструкций
Пензенской ГАСА. К настоящему времени завершены исследования ленточных ростверков при однорядном, двухрядном и шахматном расположении свай, а также ростверков под колонну с количеством свай 3 и 4. Существование проблем в проектировании многорядных свайных ростверков под колонну можно объяснить недостаточным коли чеством экспериментальных исследований в этой области и, как следствие, - отсутствие обоснованных методов расчета прочности, которые бы отражали действительную работу таких ростверков. В основе данной диссертационной работы лежат исследования многорядных ростверков, опирающихся на сваи-стойки. Однако будут рассмотрены и некоторые случаи, связанные с неравномерной осадкой опор. При рассмотрении данного вопроса из практики эксплуатации свайных фундаментов выбрано два наиболее распространенных случая.
Первый случай включает в себя перемещение одной или нескольких свай, второй - появление предельного состояния в одной свае или нескольких, т.е. частичное участие свай в работе ростверка. В практике работы свай известны названные исключительные случаи, связанные с ошибкой проектирования, с ошибкой геологических изысканий, которые приводят к непредвиденным перемещениям свай. Имеются в виду также и обычные условия эксплуатации свай в деформируемом основании. Рассмотренные выше вопросы говорят о необходимости дальнейшего исследования действительной работы ростверков для разработки метода расчета ростверков под колонны при многорядном расположении свай. Таким образом, проблема совершенствования методов расчета ростверков остается по прежнему острой в случае увеличения свай от четырех и далее, т.е. в случае многорядного расположения свай. В качестве методов исследований принят физический и численный эксперимент. Численный эксперимент на основе метода конечных элементов планировалось провести для получения наиболее качест венной картины напряженно-деформированного состояния исследуемых ростверков. Схема программы исследуемых ростверков свайных фундаментов под колонну представлена на (рис. 1.11). В завершении исследований будет предложен единый метод расчета и принципы конструирования ростверков под колонны при многорядном расположении свай. многорядном расположении свай
Схема программы экспериментальных исследований ростверков свайных фундаментов под колонны при многорядном расположении свай представлена на рис. 2.1. В программу исследований были включены все основные факторы, влияющие на работу ростверков под колонны - изменение процента и схемы продольного армирования, схемы нагружения ростверка, а также перемещение свай-опор в пространстве. Физический эксперимент описан во второй и проанализирован в третьей главах диссертации.
Согласно разработанной программе экспериментальных исследований свайных фундаментов под колонну при многорядном расположении свай (рис. 2.1.) были запроектированы образцы ростверков с числом свай шесть и восемь. Испытания ростверков включили в себя: исследование прочности сжатой зоны ростверков; исследование прочности сжатой зоны ростверков при изменении схемы приложения нагрузки; исследование прочности растянутой зоны ростверков при изменении вида армирования; исследование прочности ростверков при перемещении свай- опор; исследование прочности ростверков при выключении из работы ростверка нескольких свай.
Образование и развитие трещин в восьмисвайном ростверке при разрушении по растянутой зоне. Схема разрушения
Оценка напряженно-деформированного состояния ростверков произведена на основе характера образования и развития трещин в ростверках, по показаниям тензодатчиков, расположенных на бетоне и арматуре исследуемых конструкций, а также на основе показаний индикаторов часового типа и тензодатчиков, измеряющих деформации. сжатия над сваей-стойкой.
Сделан вывод, что при изменении схемы и процента армирования характер напряженно-деформированного состояния ростверков не меняется. Рассмотрим характер распределения растягивающих деформаций в нижней части ростверка, основанном на показаниях тензодатчиков, расположенных на арматуре. На рис. 3.15 показано распределение растягивающих деформаций в образце РК-1. В средней части ростверка арматура испытывала наибольшие растягивающие напряжения. До образования трещин ( рис. 3.15 а ) растягивающие деформации в средних стержнях продольной арматуры больше чем в крайних стержнях. После образования трещин (Р=0,6 Рразр.) произошло перераспределение усилий в арматуре (рис. 3.15 б). Деформации в средних продольных стержнях стали близки по значению. Деформации арматуры в среднем пролете над опорами остались по-прежнему больше деформаций арматуры в крайнем пролете. Во время испытаний были измерены деформации сжатия над опорами (рис. 3.16, 3.17). Величина деформации менялась в зависимо сти от схемы армирования и состояния конструкции (до и после обра зования трещин). На примере восьмисвайных ростверков (рис. 3.16) следует отметить следующее: 1. В целом, деформации над опорами в восьмисвайном ростверке при [is= max меньше чем в том же ростверке при is=min. 2. Если сравнивать два варианта с u.s =min. ( варианты 2 и 3 ), то можно сказать, что концентрация арматуры привела к более равномерному распределению нагрузки между крайними и средними опорами и к меньшим деформациям опор в целом. 3. После образования трещин наблюдался замедленный рост деформаций и их перераспределение. 4. Перераспределение усилий после образования трещин происходило следующим образом: В местах, находящихся ближе к колонне, деформации росли быстрее, чем в удаленных точках. Более того, в удаленных точках часто наблюдалось уменьшение деформаций после образования трещин. N 5. Эксперимент показал, что напряжения над средними опорами больше чем над крайними в 2 - 4 раза, в зависимости от схемы и процента армирования.
Над каждой опорой образуется зона сжимающих, напряжений. Интенсивность напряжений зависит от места расположения сваи. Площадь сжатой зоны зависит не только от размеров поперечного сечения сваи, но и от армирования (рис.3.18). С ростом процента армирования увеличивается площадь сжатой зоны и уменьшаются напряжения над опорой. 6. Распределение сжимающих напряжений по поперечному сечению сваи также происходило неравномерно (рис. 3.18). Наибольшие значения напряжений наблюдались в угловой зоне у той грани сваи-опоры, которая ближе к нагрузке. Итак сделан вывод, что наибольшие сжимающие напряжения наблюдались над средними опорами.
Растягивающие напряжения также распределялись неравномерно, они максимально концентрировались между средними опорами. Характер разрушения восьмисвай-ных ростверков по сжатой зоне (РК-1, РК-1в) и растянутой зоне (РК-2 , РК-5) визуально подтверждают эти выводы. Характер разрушения шестисвайных ростверков также в полной мере соответствует описанному напряженно-деформированному состоянию. Отсутствие трещин у средних опор объясняется следующим образом. На формирование сжатых подкосов оказывают влияние размеры поперечных сечений нижних - опорных и верхних - грузовых площадок. Прочность сжатых подкосов у средних опор оказалась выше за счет большей площади их поперечного сечения. Здесь можно отметить существенное влияние размеров поперечного сечения грузовой площадки и большой угол наклона сжатой бетонной полосы.
Разрушающие усилия. Усилия образования трещин
Разрушающие усилия и усилия образования трещин в испытанных образцах показаны в табл. 3.1. Таблица также содержит прочностные характеристики бетона и арматуры для всех марок образцов. Rbbh 0.76 0.50 0.25 1. Выявлен характер напряженно-деформированного состояния ростверков. Наиболее характерными являются сжатые зоны, располо женные между грузовой и опорными площадками и растянутые зоны, расположенные между сваями-опорами в нижней части ростверка. 2. Особенностями напряженно-деформированного состояния ростверков под колонну при многорядном расположении свай являются уменьшение значений напряжений над опорами-сваями по мере удаления их от оси колонны с одновременным уменьшением рабочей площади свай-опор, а также пространственная ориентация участков ростверка, в пределах которых концентрируются главные сжимающие и растягивающие напряжения. 3. Характерно, что максимальные сжимающие напряжения в опорном сечении сваи смещаются в сторону колонны. Величина напряжений (деформаций) в опорном сечении изменяется в зависимости от схемы армирования и состояния конструкции ( до и после образования трещин). 4. Рабочая площадь сжатой полосы бетона уменьшается по мере удаления сваи от оси колонны и увеличивается при увеличении количества продольной арматуры над опорным сечением сваи. 5. Выявлен эффект пространственной работы многорядных ростверков. Он заключается в повышении разрушающих усилий и усилий образования трещин. Величина повышения указанных усилий зависит от схемы расположения свай. 6. Произведена классификация трещин в ростверках. Выделено, три вида трещин - трещины в растянутой зоне, наклонные граничные трещины, и трещины, характеризующие разрушение сжатых бетонных полос. Классификация трещин в ростверках аналогична трещинам в коротких балках и консолях.
Особенностью развития трещин в рост верке является криволинейная траектория граничных трещин полуарочного характера, которые выделяют участок ростверка над наиболее нагруженными сваями, близко расположенными к колонне, как в продольном, так и в поперечном направлениях. 7. Получены три схемы разрушения ростверков - по сжатой зон& бетона, по растянутому арматурному поясу, совместное разрушение по бетону и арматуре. 8. Разрушающая сила в ростверках изменяется не пропорционально количеству свай и зависит от схемы расположения свай. Наиболее эффективной является схема, в которой горизонтальные оси колонны совпадают с поперечными либо продольными осями свай. 9. При изменении схемы нагружения, т.е. при появлении эксцентриситета передачи нагрузки снижается разрушающая сила, так как уменьшается пролёт среза со стороны эксцентриситета и близлежащие сваи-опоры становятся наиболее нагруженными. 10. Концентрация арматуры над сваями-опорами приводні к более равномерному распределению усилий между сваями, повышает разрушающую силу по сравнению с армированием сеткой. 11. Увеличение процента продольного армирования повышает разрушающую силу. При увеличении диаметра продольной арматуры в 2 - 2,5 раза прочность возрастает в 2,6 раза. При дальнейшем увеличении количества арматуры отмечается новая схема разрушения ростверка - по сжатой полосе. 12.
Неравномерная осадка опор приводит к перераспределению усилий в сваях, к изменению углов наклона главных сжимающих и растягивающих напряжений, которые концентрируются над сваями и между сваями, а также к изменению рабочих площадей свай и к уменьшению разрушающих усилий. ростверков численным методом Для получения более полной информации о качественной картине напряженно-деформированного состояния ростверков был произведен их расчет численным методом. Расчет производён методом конечных элементов по пакету прикладных программ для автоматизированного проектирования железобетонных конструкций ( ППП АП ЖБК) по программе «Лира» на ЭВМ. Программой исследований предусматривалось определить напряженно-деформированное состояние ростверков под колонны при многорядном расположении свай. Рассмотрены варианты ростверков при постоянном шаге свай в поперечном направлении 1200 мм, при постоянной высоте ростверка 900 мм, а также при поперечном сечении свай 300x300 мм. В продольном направлении при исследовании величины пролета среза a/h0 от 0,5 до 2,5, расстояние между осями свай принималось 900, 1200, 1500 мм, также изучалась схема приложения нагрузки. В качестве первой схемы принято осевое нагружение ростверка, в качестве второй схемы принято нагружение с эксцентриситетом е0 = 0,25 hcoi, где hcoi - размер поперечного сечения колонны. Расчетные схемы ростверков определялись путем представления объема ростверка в виде конечных элементов. Для получения более четкой картины напряженно-деформированного состояния, в зонах предполагаемого действия касательных напряжений, размеры конеч
Анализ напряженно-деформированного состояния многорядных ростверков
На рис. 4.2 приведены эпюры распределения нормальных напряжений ау по оси «А», проходящей по середине фундамента. Распределение напряжений jy характеризует образование нагруженных, слабонагруженных и ненагруженных зон. При этом в наиболее нагруженных зонах напряжения ау дважды или трижды меняют знак. Наиболее нагруженными зонами являются: участок под колонной, непосредственно под нагрузкой, и участки над сваями - опорами, которые расположены по осям 2 и 3 и находятся вблизи действия нагрузки. Сравнивая три варианта между собой, можно сделать вывод, что с увеличением шага свай растут сжимающие напряжения под колонной, но по мере удаления от места приложения нагрузки в ростверках с большим шагом свай сжимающие напряжения быстрее идут на убыль (рис. 4.3, 4.4).
Линии максимальных сжимающих напряжений показаны на рис. 4.2, 4.5, 4.6. Линии максимальных напряжений в направлении оси «У» располагаются в нижней части фундамента, наиболее с удаленной от колонны, и резко переходят в верхнюю зону вблизи колонны. С изменением шага свай длина участка, в пределах которого о у max располагается в нижней части, увеличивается. Растягивающие напряжения сгу имеют наибольшие значения в нижнем слое между осями 2 и 3. С увеличением расстояния между сваями растут и растягивающие напряжения ау . С удалением от нагрузки они появляются в верхнем слое ростверка, и их величины находятся в прямой зависимости от шага свай. Характер распределения нулевых линий с увеличением шага свай не изменяется со стороны наиболее нагруженной части. Особенностью распределения линий с нулевыми напряжениями является то, что в пределах одного и того же вертикального сечения может быть несколько нулевых линий, а также имеет место резкий переход нулевых линий по высоте сечений. Более спокойное напряженное состояние возникает в третьем варианте - с наибольшим шагом свай, в направлении оси «У» в сечении, наиболее удаленном от колонны.
При этом линия нулевых напряжений стремиться занимать среднее положение по высоте, однако сжимающие и растягивающие зоны резко изменяют свое положение в сечениях между сваями и над сваями. Расположение нормальных напряжений ах в сечении 10 (рис.4.7) имеет тенденцию изменять свое положение по высоте ростверка, в пролете между сваями она опускается, выделяя незначительную растягивающую зону, и поднимается над сваями, близко расположенными к колонне. При этом нулевая линия раздваивается и располагается в двух уровнях по высоте сечения. Характер расположения нейтральной оси почти не изменяется с изменением шага свай. Что касается ах мах следует отметить, что линии этих напряжений имеют тенденцию располагаться в нижней и верхней гранях ростверка, однако в сечениях над сваями, близко расположенных к колонне появляются участки с максимальными ах в средней части ростверка. В сечениях наиболее удаленных от колонны, по оси «X» характерным является то, что на участках над сваями, находящимися близко у колонны и в приопор-ных зонах этих свай напряжения ох однозначны по высоте. В при-опорных зонах и над сваями, наиболее удаленными от колонны, появляются двузначные напряжения Ох (рис.4.7,4.8). На рис. 4.8 - 4.10 показаны эпюры распределения нормальных напряжений o z по осям «А» и «Б» в продольном направлении и по осям 1 и 2 в поперечном направлении. Характерно, что в сечении под колонной в верхних слоях ростверка напряжения o z повторяют характер приложения нагрузки, т.е. внецентренное нагружение.
С удалением от верхнего слоя напряжения az уменьшаются по абсолютной величине и рассредоточиваются по ширине рассматриваемого сечения. Наибольшие сжимающие напряжения oz наблюдаются в верхнем слое, непосредственно под нагрузкой. Они достигают максимального значения над 1/4 частью колонны ближе к краю - в первом варианте, и ближе к середине - во втором и третьем вариантах. С увеличением шага свай уменьшаются сжимающие напряжения а2 как под колонной, так и под всеми сваями. По характеру распределения нормальных напряжений az можно судить о размерах рабочей зоны сваи - опоры. С удалением свай от нагрузки уменьшается их рабочая площадь. Если в первом варианте ширина рабочей площадки свай Al, А2, A3 равна полной ширине сваи, то во втором варианте крайняя свая А1 участвует в работе с шириной рабочей площади равной 2/3 b св, свая А4 - 1/3 Ъ св. В третьем варианте ширина рабочей площади сваи А1 уменьшается до 1/3 Ьсв, а свая А4,наиболее удаленная от нагрузки, совсем исключается из работы и над ней появляются растягивающие напряжения (табл. 4.1). Появление растягивающих напряжений отмечено в нижнем слое, непосредственно под колонной. Пики напряжений приходятся на крайние элементы колонны. Для второго и третьего вариантов на участках до появлении верхней ступени характер распределения az представляет собой волнообразные знакопеременные линии. Распределение нормальных напряжений az характеризуется концентрацией максимальных напряжений в верхних слоях под колонной и образованием волнообразного потока, ориентированного на внутреннюю часть свай шириной 1/3 ЬСв = 10 см. Наибольшая часть напряжений приходится на сваи, которые расположены вблизи колонны. Поскольку характер распределения напряжений az имеет особо важное значение для анализа напряженно-деформированного состояния ростверка, - по этим напряжениям можно судить о степени участия свай в работе ростверка при различных схемах их расположения, а также о напряженно - деформированном состоянии соответствующих сваям участков ростверка. Целесообразно crz представить в аксонометрии (рис.4.11). На рис. 4.12 показано, как меняются напряжения az в пределах опорных площадок и в уровне верхней грани ростверка под колонной.
