Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Цели и задачи экспериментальных исследований. Методика проведения опытов 14
1.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 14
1.2. Инженерно-геологическое строение опытных площадок 15
1.3. Подготовка искусственного песчаного основания. Исследование физико-механических характеристик грунтов основания 18
1.4. Методика подготовки и проведения исследований 23
1.5. Исследование контактных давлений 38
ГЛАВА 2. Напряженно-деформированное состояние основания при действии осевой вертикальной нагрузки 46
2.1. Факторы, влияющие на несущую способность буронабивных свай и фундаментов... 46
2.2. Влияние относительного заглубления на осадку и несущую способность основания 65
2.3. Влияние размеров и формы фундамента на осадку и несущую способность 76
2.4. Характер деформирования и разрушения основания...:...82
2.5. Характер эпюр контактных напряжений 95
Выводы 105
ГЛАВА 3. Напряженно-деформированное состояние основания при действии внецентреннои вертикальной нагрузки 109
3.1. Основные результаты ранее выполненных экспериментов 109
3.2. Полевые опыты с буронабивными фундаментами в глинистом основании 116
3.3. Лабораторные опыты. Влияние эксцентриситета нагрузки и заглубления модели на несущую способность и перемещения 126
3.4. Особенности совместной работы фундаментов с основанием 140
3.5. Исследование эпюр контактных давлений 152
Выводы 164
ГЛАВА 4. Напряженно-деформированное состояние основания при действии горизонтальной нагрузки 165
4.1. Результаты ранее выполненных экспериментов 165
4.2. Опыты в естественных глинистых основаниях 178
4.3. Опыты в песчаном основании 187
4.4. Характер деформирования и разрушения песчаного основания 204
Выводы 222
ГЛАВА 5. Несущая способность и перемещения фундаментов при действии наклонной нагрузки 226
5.1. Результаты экспериментов других исследователей 226
5.2. Лабораторные опыты со штампами 234
5.3. Лабораторные опыты с заглубленными моделями фундаментов 243
5.4. Лабораторные опыты с наклонными моделями 252
5.5. Полевые исследования... 264
5.6. Длительное действие нагрузки 267
Выводы 270
ГЛАВА 6. Перемещения фундаментов при действии многократно-повторной нагрузки ..271
6.1. Результаты экспериментов других исследователей 271
6.2. Опыты с круглыми сплошными штампами .281
6.3. Опыты с кольцевыми штампами 292
6.4. Опыты с заглубленными моделями фундаментов .298
6.5. Определение коэффициентов влияния повторности нагружения 309
Выводы 310
ГЛАВА 7. Несущая способность и деформативность армированных оснований 312
7.1. Опыт возведения сооружений из армированного грунта 312
7.2. Ранее выполненные экспериментальные исследования армированных оснований 313
7.3. Опыты с плоскими круглыми штампами 321
7.4. Опыты с цилиндрическими моделями фундаментов 337
7.5. Практический метод расчета армированных оснований фундаментов мелкого заложения 348
Выводы 353
ГЛАВА 8. Несущая способность и перемещения фундаментов на двухслойном основании 358
8.1. Ранее выполненные исследования 358
8.2. Эксперименты на основании переменной толщины 361
8.3. Эксперименты на двухслойном основании 378
Выводы 379
ГЛАВА 9. Расчет заглубленных фундаментов 380
9.1. Обзор известных решений 380
9.2. Определение перемещений заглубленных штампов 408
9.3. Приближенный метод определения перемещений заглубленных фундаментов 417
9.4. Практический метод расчета заглубленных фундаментов 426
Выводы 426
- Подготовка искусственного песчаного основания. Исследование физико-механических характеристик грунтов основания
- Влияние размеров и формы фундамента на осадку и несущую способность
- Лабораторные опыты. Влияние эксцентриситета нагрузки и заглубления модели на несущую способность и перемещения
- Характер деформирования и разрушения песчаного основания
Введение к работе
Актуальность проблемы . Заглубленные цилиндрические и кольцевые фундаменты применяют при возведении мостов, линий электропередач, водонапорных и телевизионных башен, зданий и сооружений гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения. Рассматриваются фундаменты глубиной до пяти диаметров, при устройстве которых окружающий грунт не уплотняется. Методика их расчета даже для простых случаев нагружения (осевая или внецентренная вертикальная сила) несовершенна. Расхождения между расчетными (СНиП 2.02.01-83) и опытными данными достигают двух раз и более. При вычислении перемещений не учитывается такой основной параметр, как заглубление. Реальные условия эксплуатации гораздо сложнее, чем учитываемые в расчетах. На фундаменты часто передаются сложные силовые, деформационные воздействия, включая внецен-тренные наклонные, многократно-повторные и знакопеременные нагрузки. Для рассматриваемых фундаментов почти везде имеется верхний менее прочный слой грунта. Встречаются наклонные подстилающие слои, иногда являющиеся причиной значительных повреждений зданий и сооружений. Влияние перечисленных факторов мало изучено. При проектировании их или не учитывают, или применяют весьма приближенные решения, полученные без надежного экспериментального обоснования.
Актуальной является проблема разработки и внедрения рациональных конструкций фундаментов для восприятия значительных наклонных нагрузок, эффективных способов упрочнения оснований и надежных методов расчета.
Недостаток информации о механизме взаимодействия оснований с заглубленными фундаментами при. сложных силовых воздействиях и неблагоприятных факторов сдерживает развитие теоретических основ этой проблемы. Известные экспериментальные исследования отечественных и зарубежных ученых касались,лишь отдельных сторон задачи; при небольших интервалах изменения влияющих параметров. Очевидна НеобхОДИМОСТЬ В Проведении. КОМПЛеКСНЫХ ЭКСПерИМеНТаЛЬНЬГХ W'
теоретических исследований, в,разработке методов расчета заглубленных фундаментов, наиболее полно учитывающих влияние различных воздействий, и инженерно-технических мероприятий; по повышению эффективности устройства рассматриваемого вида фундаментов.
Изучением данной проблемы занимались специалисты как по основаниям и фундаментам ( Г. Мейергоф, Де, Беер, Г.: Коль, Г. Мус, В. Г. Березанцев, М. И. Горбунов-Пасадов, О. Я. .Шехтер, К. Е.' Егоров, Г.И. Глушков, Е.А. Сорочан, П;А. Коновалов, Ю.Ні Мурзенко, А.П. Пшеничкин и др.), так и по строительной механике и теории уп-
ругости (Б.Н. Жемочкин, Л.А. Галин, Г.К. Клейн, Н.К. Снитко, И.А. Симвулиди, Я.Б. Львин, В.И. Соломин, Ю.В. Верюжский и др.).
Целью диссертационной работы является создание научно-технических основ для совершенствования методики проектирования и технологии устройства заглубленных цилиндрических фундаментов при действии плоской системы статических и многократно-повторных нагрузок, разработка практических методов расчета.
В задачи исследований входило:
- изучение фактических воздействий на основания и фундаменты,
причин недопустимых деформаций зданий и сооружений;
- экспериментальное исследование напряженно-деформирован
ного состояния оснований и обоснование расчетной схемы заглублен
ных цилиндрических фундаментов при различных силовых воздействи
ях;
разработка практических методов расчета перемещений и несущей способности оснований заглубленных фундаментов и штампов с использованием эмпирических зависимостей;
решение прикладных задач об определении перемещений заглубленных фундаментов и штампов для упругой линейной модели основания;
разработка и экспериментальное обоснование рекомендаций по повышению удельной несущей способности фундаментов путем регулирования определяющих параметров и армирования основания, предложений по повышению надежности и долговечности зданий и сооружений;
внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства.
Научную новизну работы составляют:
структурно-логическая схема исследований, базирующаяся на принципах системного подхода, результатах комплексных экспериментальных и теоретических исследований, опыте проектирования и строительства, наблюдениях за зданиями и сооружениями;
данные о фактических воздействиях на фундаменты, классификация причин отказов оснований и фундаментов;
результаты исследований процессов деформирования и разрушения оснований заглубленных фундаментов, распределения контактных напряжений;
оригинальные конструкции крупномасштабных тензомоделей, составных фундаментов и штампов; усовершенствованные приемы исследований прочностных характеристик и напряженно-деформир-ванного состояния основания;
практический метод расчета несущей способности и перемещений фундаментов, основанный на экспериментально определенных функциях и коэффициентах влияния;
предложения по выбору оптимальных сочетаний параметров нагру-жения и размеров фундаментов, оптимальных схем армирования оснований;
решения задач о перемещениях заглубленных штампов и фундаментов в линейной упругой среде при действии плоской системы сил;
рекомендации по повышению надежности и долговечности фундаментов, зданий и сооружений.
Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечена: применением современного оборудования и приборов, проверенных и метрологически аттестованных; использованием теории планирования экспериментов и законов моделирования; тарировкой тензо-метрических элементов; статистической обработкой результатов; сопоставлением с данными, полученными отечественными и зарубежными учеными.
Достоверность теоретических решений определялась сравнением расчетных данных с экспериментальными, с результатами наблюдений за фундаментами зданий и сооружений, с известными решениями для незаглубленных штампов.
Практическое значение работы. Полученный экспериментальный материал о механизме взаимодействия заглубленных фундаментов с основанием может служить для проверки применяемых и создания новых расчетных моделей оснований и фундаментов с учетом изученных факторов.
Построенные с помощью статистических методов эмпирические зависимости, в том числе функции влияния, позволяют более обоснованно и надежно запроектировать цилиндрические заглубленные фундаменты при сложных силовых воздействиях.
Выявленные экспериментальным путем оптимальные параметры нагружения и армирования позволяют повысить эффективность проектных решений за счет вовлечения в работу большего объема грунта.
Разработанные конструкции рамных фундаментов с наклонной подошвой имеют высокую удельную несущую способность и могут успешно применяться при проектировании распорных сооружений.
Предложенные практические методы расчета заглубленных штампов и фундаментов могут быть использованы в проектной практике.
Приведенный анализ причин повреждения 80 зданий и сооружений подтверждает результаты экспериментов и дополняет известные классификации отказов оснований и фундаментов.
На зашиту выносятся научные основы и конструктивные мероприятия по повышению технико-экономической эффективности заглубленных цилиндрических фундаментов, нагруженных плоской системой сил, включающие:
результаты технического обследования 80 зданий и сооружений, имеющих недопустимые деформации, оценку реальных условий их эксплуатации;
математические модели силового взаимодействия основания с заглубленными фундаментами и штампами, картины и процессы деформирования и разрушения основания, распределение контактных напряжений;
инженерный метод расчета оснований заглубленных фундаментов по двум группам предельных состояний, основанный на экспериментально полученных коэффициентах и функциях влияния; прогнозирование развития перемещений при длительном и многократно-повторном действии нагрузки;
метод определения перемещений заглубленных прямоугольных (вертикальных и горизонтальных) и круглых штампов, заглубленных фундаментов с использованием уравнений Р. Миндлина;
комплекс инженерно-технических мероприятий, направленных на повышение удельной несущей способности фундаментов (армированием основания и оптимизацией определяющих параметров), внедрение эффективных конструкций фундаментов, повышение надежности и долговечности зданий и сооружений.
Внедрение результатов работы. Включенные в диссертацию исследования внедрены при проектировании фундаментов теплиц в Гуто-ровском районе Курской области, а также базы ОПМК, птицекомбината и гормолзавода в Курске; животноводческих комплексов в совхозе 9 Мая и Золотухинского сахарного завода в Курской области; оценке характеристик намывного песчаного основания и проектировании фундаментов - оболочек на Курском кожевенном комбинате; проектировании оснований под фундаменты цехов Курского солодовенного завода и трикотажной фабрики; оценке несущей способности 800 опор троллейбусной линии в Курске; разработке рациональных конструкций фундаментов под арочные склады Россошанского химического комбината и в р.п. Анна Воронежской области; оценке характеристик грунтов в п. Песчановка г. Воронежа; разработке предложений по повышению прочности фунтов основания спорткомплекса в Воронеже; написании 5 учебных пособий.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях «Внедрение рациональных конструкций фундаментов в строительстве» (Свердловск, 1972), «Проектирование и возведение фундаментов транспортных сооружений свай и оболочек в сложных условиях» (Ленинград, 1974), IV Всесоюзном совещании по фундаментостроению «Ускорение научно-технического прогресса в фундаменгостроении» (Москва, 1987), на Республиканских совещаниях в Махачкале (1977) и Душанбе (198S), на научно-технических конференциях Воронежского ИСИ (ВГАСА)
(1979-1997), Киевского ИСИ (КГТУСиА) (1978-1980), Полтавского ИСИ (1977), Пензенского ИСИ (ПГАСА) (1990-1994), Воронежского ГУ (1982), ТГТУ (1984-1997).
Результаты исследований опубликованы в 3 монографиях 74 печатных статьях, 14 научно-исследовательских отчетах и 5 учебных пособиях.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, десяти глав, основных выводов, списка литературы из 412 наименований, приложений. Изложена на 493 страницах, включает 210 рисунков и 77 таблиц.
Подготовка искусственного песчаного основания. Исследование физико-механических характеристик грунтов основания
Песок уплотняли ручными, электро- и пневмотрамбовками. В нескольких сериях опытов песок отсыпали с определенной высоты и с заданной скоростью равномерно по площади. В большинстве серий опытов грунт уплотняли ручными трамбовками. Этот способ подготовки основания был принят потому, что опыты проводили в лотках разных размеров с разной толщиной уплотняемых слоев и во всех случаях невозможно было применять, например, электротрамбовки.
Кроме, того способ подготовки основания, как отмечено в [86] , а также подтверждено нашими исследованиями, оказывает значительное влияние на напряженно-деформированное состояние основания. Так, несущая способность песчаного основания, уплотненного электротрамбовками до р = 1,7 г/см3 , оказалась в 1,6 раза выше, чем для основания, уплотненного также до р = 1,7 г/см3 ручными трамбовками. Плотность песка контролировали режущими кольцами и оттарированной иглой - плотномером.
Минимальная плотность песчаного основания pmjn=T,4 г/см3(етах=0,948), максимально достигнутая плотность Ртах=1 78 г/см3(emin=0,51).Опыты в основном проводили при р = 1,6(е = 0,743) и 1,7(е = 0,636) г/см3. Плотность сложения по СНиП П-15-74 рыхлая и средняя, по К. Терцаги - средняя и плотная. По степени влажности sT -пески маловлажные. Полная влагоемкость cosat — 0,239. По классификации И.В.Дудлера-песок малопрочный, сжимаемый. Уплотняемость песка исследовали на приборе Гипродорнии при влажности от 2 до 15%. Получены следующие усредненные значения максимальной плотности в сухом состоянии: со = 0,02 - pd = =1,76 г/см3; со = 0,04 - Pd = 1,77 г/см3; со = 0,06 -pd = 1,78 г/см3; со = (0,08...0,1) - pd = 1,8 г/см3; со = 0,13 - pd = 1,82 г/см3; со = 0,15 -pd — =1,79 г/см3. Величина оптимальной влажности данных опытах зафиксирована при со = 0,13. При этом pd = 1,82 г/см3. Угол естественного откоса песка в воздушно-сухом состоянии равен 25, под водой - 23 30. По эмпирической формуле Хазена-Ландборна угол внутреннего трения ф = 30-3 = 27 (обычная окатанность зерен, однородный песок средней плотности).
Несколько серий опытов было проведено на приборе плоского среза конструкции Гидропроекта. Песок при заданной влажности выдерживали 12 часов. Известную массу песка укладывали в обойму слоями по 1,5 см и уплотняли трамбовками. Зазор между кольцами составлял не менее 4 мм. Вертикальную нагрузку принимали равной 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,7 и 1 МПа. По результатам испытаний были получены значения углов внутреннего трения (табл. 1.3).
При р = const= 1,62 г/см3 и со = 5 и 10% сопротивление песка сдвигу было примерно одинаковым. Увеличение влажности свыше 13% приводило к уменьшению сопротивления сдвигу. Удельное сцепление песка при р = 1,6 и 1,7 г/см3 соответственно составило: со = 0,005-1 и 2 кПа; со = 0,05 - 2 и 3 кПа; со = 0,1-3,5 и 4,5. Коэффициент сдвига шероховатой металлической пластинки (с наклеенным песком) по песку ( р = 1,62 г/см3) получен в среднем равным 0,40 при со = 0,05; 0,43 при со = 0,1; 0,46 при со = 0,1; 0,46 при со = 0,14 и 0,37 при со =0,18. Под действием постоянной вертикальной нагрузки наблюдалось повышение сопротивления песка сдвигу (со = 0,005), т.е. проявлялся эффект холодной сварки.
Так, при действии вертикальной нагрузки в течение 1 мин, 1 сут, 3 сут, 5 сут, 6 сут, 7 сут получены следующие значения предельных касательных напряжений: 0,27; 0,28; 0,29; 0,30; 0,31 и 0,31 МПа (р = 0,5 МПа и р = 1,6 г/см3). В некоторых опытах горизонтальная нагрузка при значениях 0,85; 0,9; и 0,95 от предельной оставалась в течение 12 суток постоянной. Дополнительных перемещений за этот период не наблюдали, сдвиг происходил при больших нагрузках, чем в опытах, осуществляемых по обычной методике. При увеличении горизонтальных перемещений возрастали вертикальные перемещения подъема - V и увеличивался объем песка при сдвиге V. В опытах на приборе ВСВ-25 пиковое касательное напряжение превышало остаточное в среднем на 5%.
Проведена серия пенетрационных испытаний песка при со = 0,05 конусом с углом при вершине 30. При погружении конуса на 2 см найдены следующие значения удельного сопротивления пенетрации (рис. 1.1). После укладки песка в лоток происходит формирование гидратационной прочности, зависящей от толщины пленки воды (при со = const) и времени гидратации. Учитывая также разрушение отдельных частиц песка в зоне высоких напряжений под подошвой модели, проводили тщательное перемешивание песка после каждого опыта и дополнительное доувлажне-ние. Нагружение модели в большинстве опытов осуществляли через 16 часов после укладки песка. Как показали опыты на плоский сдвиг и пенет-рацию песка ( = 5%), выдержанного перед испытанием в течение 10...20 часов, заметного изменения прочности за этот период не происходило. При со= 5% и времени выдержки 3 суток сопротивление сдвигу в среднем возрастало на 8%. Если влажность заметно уменьшалась, то прочность песка резко возрастала вследствие адгезионного склеивания части.
Влияние размеров и формы фундамента на осадку и несущую способность
Взаимодействие свай и фундаментов с грунтом рассмотрен в [13, 14, 15, 21, 77, 87, 174, 262, 311, 321, 345, 378, 401 и др.]. Тоима и Риз установили [401] что при высоких сжимающих давлениях под подошвой и выше неё образуются две зоны течения и сводообразования. Явление сводообра-зования вызывает увеличение давлений выше зоны течения и уменьшение ниже этой зоны. В рыхлых песках сопротивление подошвы небольшое, зона сжатия под подошвой распространяется на малую глубину и влияние её на напряжение по боковой поверхности незначительное. В очень плотных песках давления под подошвой достигают значительных величин, а зоны течения и анкеровки поднимаются выше подошвы на 5...6 диаметров.
Скемптон показал [401], что степень нарушения механических свойств грунта вокруг буровых свай зависит от количества грунтовой воды, имигрирующей в менее напряженные зоны, и воды из бетона. Нарушение происходит в зоне, ограниченной одним дюймом от ствола сваи. Это приводит к снижению сцепления между сваей и грунтом. Такое же размягчение грунта возникает под торцом сваи. Объем нарушенного грунта здесь значительно меньше, чем вдоль ствола.
Витакер и Кук по результатам испытания нескольких буровых свай диаметром до 80 см и длиной до 20 м с регистрацией сопротивления подошвы и боковой поверхности определили [343], что сопротивление сдвигу глины ненарушенной структуры линейно возрастало с глубиной. Оно несколько уменьшилось после достижения пикового значения.
Аналогичные эксперименты выполнены Нейли и Ризом [378] с буровыми сваями цилиндрической формы, с уширением у подошвы и с полостью под подошвой. При вдавливании в грунт сваи с полостью отмечено существенное снижение сопротивление сдвигу после срыва.
В [345] приведены результаты испытаний трех буронабивных свай диаметром 67 см, длиной около 4,5 м. Опытная площадка сложена сверху растительным слоем 1,05 м, далее до глубины 3,6 м - глиной. Нижняя часть свай погружена в гравелистый песок. Нагрузка на боковую поверхность при осадке до 20 мм составила 75%. Полное использование несущей способности основания достигалось при осадке равной 10% от диаметра сваи. Мобилизация бокового трения в слоистом основании происходила постепенно в отдельных слоях. В опытах на выдергивание боковое трение глин составило 1/3 бокового трения при задавливании.
В [321] описаны статические испытания буронабивных свай диаметром 20 см в песке плотном и средней плотности. Погружение свай осуществляли циклами по 10 см до перемещения, равного 5-9 диаметрам свай. Несущую способность буровых свай могли установить лишь при осадках от одного до полутора диаметров свай, в то время как забивной при осадке, равной 0,1 диаметра сваи. Под подошвой сваи было зафиксировано уплотненное ядро высотой 15 см (0,75d) конической формы. Плотность грунта в ядре была равна 2 г/см3, при естественной 1,47 г/см3. Эпюра контактных давлений под подошвой в большинстве случаев имела седлообразную форму с максимумом у краев, где давление превышало более 10 МПа. Среднее давление составило около 7 МПа. При этом частицы грунта разрушались. Количество частиц размером менее 0,105 мм увеличивалось с 17% (естественный грунт) до 65% (после проведения опыта).
В [311] описаны результаты статических испытаний моделей опор глубокого заложения диаметром от 60 до 530 мм в послойно уплотненном песчаном основании (р= 1,73 г/см 3, р = 33). Удельная сила трения по боковой поверхности свай-штампов возрастала с увеличением диаметров моделей:
Эксперименты автора. Взаимное влияние соседних фундаментов и элементов контактной поверхности. Подробнее см. в [124]. На рис.2.1 приведены результаты испытаний двух одинаковых буронабивных фундаментов, на один из которых передавалась осевая вертикальная нагрузка, а второй оставался незагруженным. В первом опыте (рис.2.1, а) имелся полный контакт фундаментов с грунтом по боковой поверхности. Затем вокруг обоих фундаментов делали зазор и фундаменты испытывали повторно как заглубленный штампы. Предельное сопротивление сдвигу по боковой поверхности фундаментов составило 0,022 МПа, а сдвиговая осадка 1,5... 2 мм. Сопротивление сдвигу по боковой поверхности первого фундамента реализовано при 40 кН, а дальнейшее приращение нагрузки воспринималось подошвой. Модуль деформации основания под подошвой Е = =23,4 МПа. Осадка ненагруженного фундамента составила 6,4% от осадки нагруженного. При повторном нагружении фундамента как заглубленного штампа (рис.2.1, б) отмечали линейную зависимость между нагрузкой и осадкой ( а 0,85 МПа).
Модуль деформации равнялся 33 МПа. При большей нагрузке наблюдали резкое увеличение осадки фундамента и модуль деформации уменьшился до 6,4 МПа (с = 1,02 МПа). Осадка ненагруженного фундамента в конце опыта составила 21,7% от осадки ненагруженного, что может быть достигнуто при давлении на основание, примерно равным 0,4 МПа.
С целью изучения взаимного влияния элементов контактной поверхности был осуществлен эксперимент с составным фундаментом (рис.2.2, а). Каждый элемент фундамента мог быть нагружен отдельно. С помощью индикаторов вели наблюдения за перемещением всех элементов. Стержни к индикаторам проходили через отверстия в теле бетонных колец.
Лабораторные опыты. Влияние эксцентриситета нагрузки и заглубления модели на несущую способность и перемещения
Дополнительные данные о взаимодействии фундаментов с основанием. Несущая способность буронабивных фундаментов в основном зависит от физико-механических характеристик грунта, способа устройства скважины, качества зачистки дна, состава бетона, технологии бетонирования, размера фундамента и т.п. Путем повышения качества работ, рационального подбора состава бетона и режима уплотнения можно существенно повысить несущую способность фундамента по грунту и материалу. Давление бетонной смеси на стенку скважины возрастало с глубиной до достижения критической величины, зависящей от скорости бетонирования и схватывания. Применение жестких бетонных смесей, уплотняемых глубинными вибраторами с использованием пластификаторов, позволяет повысить несущую способность свай до 20% по сравнению со сваями из литых смесей подвижностью 16... 18 см, снизить усадочные деформации. При виброуплотнении бетона резко возрастают радиальные давления aR и деформации SR . После укладки бетона давления на грунт постепенно уменьшаются. В первые сутки это уменьшение достигает 30% от гидростатического. Релаксация напряжений продолжается в течение нескольких месяцев в зависимости от начального давления на грунт и его свойств. От действия нагрузки возникают вертикальные и горизонтальные деформации, составляющие (0,5...3)х10 4. Полное сопротивление по подошве реализуется при осадке, составляющей 5... 15% от диаметра фундамента. Сопротивление сдвигу по боковой поверхности в значительной степени зависит от радиальных давлений, возникающих при бетонировании ствола, твердении бетона, последующих реологических процессов, расширении ствола от действия внешней нагрузки.
Сопротивление сдвигу по боковой поверхности фундаментов. Для свай в рыхлом песке трение прямолинейно возрастает до 10d и до 20d в плотных. Ниже этих критических глубин сопротивление сдвигу постоянно с глубиной. Величина сдвиговой осадки по результатам проведенных нами опытов с фундаментами диаметром до 1 м и длиной до 3,5d составила: для песков 2...6 мм; для супесей - 3...8 мм; глин твердой и полутвердой консистенции 2... 10 мм. В среднем можно принять sC4B = 0,0Id.
Площадь фактического контакта грунта с буронабивным фундаментом. Относительная площадь контакта ч = Аф/Аг равна отношению площадей действительно контакта Аф к геометрической Аг. Величина г\ существенно влияет на перемещение фундамента и разрушающую нагрузку. Зависит она от множества факторов, в том числе: от вида, гранулометрического состава, влажности и плотности грунта, технологии изготовления фундамента, характеристик бетонной смеси и её составляющих, условий эксплуатации конструкций, модуля открытой поверхности фундамента. С увеличением дисперсности грунта, плотности, давления повышается площадь действительного контакта. При тщательном уплотнении бетона, применении напрягающих цементов ч возрастает, а при усадке бетона и грунта - уменьшается. В случае изготовления монолитных фундаментов в грунте цементное молоко проникает в поры грунта до 4 мм и склеивает частицы. Площадь контакта здесь выше, чем при обсыпных фундаментах и одинаковой плотности основания. Основание, конструктивные элементы здания, узловые соединения имеют разную жесткость, нагруженность. Ползучесть их протекает с различной скоростью. Грунт вокруг фундамента в зоне аэрации имеет переменную во времени и в пространстве влажность. В результате этого величина ч непрерывно изменяется. Частицы грунта на контакте и в массиве перемещаются с вращением в случайно меняющихся направлениях, образуют царапины и углубления в бетоне, происходит дробление частиц и скол острых граней. При переменных во времени напряжениях и нестационарных вынужденных деформациях конструкций площадь контакта грунта с фундаментом также изменяется.
Отрыв фундамента от основания. Отрыв происходит чаще всего по контакту, а в отдельных случаях (в водонасыщенных глинистых грунтах), с захватом грунта. Вследствие сил адгезии в скелете развиваются растягивающие напряжения, приводящие к разуплотнению грунта и образованию трещин. С увеличением скорости отрыва возрастает отрывающее усилие. В полости отрыва возникает дополнительное отрицательное давление с фильтрацией воды в полость. Отрыв сопровождается динамическим импульсом. Мгновенный отрыв возникает и при определенных силовых воздействиях [192].
Снижение несущей способности фундаментов при насыщении основания растворами и маслами. Вблизи территории Воронежского вагоноремонтного завода был поставлен следующий эксперимент. Изготовили 6 бу-ронабивных моделей фундаментов диаметром 20 см, заглубленных на 80 см. Основанием их являлись мелкозернистые влажные пески (р=1,71 г/см3; ер = 33 5; Е = 21 МПа). Испытали по две модели с расстоянием между осями 10d: в естественном основании, в насыщенном водой и насыщенном водным раствором масла, взятом из сливной ямы. Относительные величины разрушающих нагрузок соответственно равнялись 1; 0,95 и 0,77. Угол внутреннего трения песка, насыщенного водным раствором масла уменьшился до 29.
Характер деформирования и разрушения песчаного основания
Нагрузку на модель увеличивали равными ступенями до достижения осадки равной 30 см (А, = 1,9). Этим опытом, аналогичным зондированию, пытались выявить влияние заглубления на несущую способность основания при Рнач= const, сонач = const (в разных опытах возможно некотороеот-клонение этих параметров от планируемых). За условную стабилизацию перемещений была принята осадка в 1 мм за 1 час наблюдения. Нагрузки на модель в опытах с А, = 0,61 и Анач = 0,5 при осадке в 5 см примерно равны. При А, = 1 предельная нагрузка на модель равнялась 43 кН, при X = 1,5 - 54 кН.Влияние относительного заглубления модели фундамента диаметром 22 см на осадку основания, послойно уплотненного до р = 1,6 г/см3, видно из рис.2.16. нагрузкой на модель и осадкой основания при 1:1-0; 2-0,5; 3-1; 4-1,5; 5-2 Результаты отдельных опытов, например, при X = 0 оказались близкими или совпали. В опытах получено линейное нарастание нагрузок с глубиной для s = const. Теоретическим путем П.А. Миняев показал [212], что сопротивление грунта изменяется в зависимости от размеров и формы загрузочной площадки. Проведены опыты в ящике размером 1x0,8x0,8 м на песчаном основании. Для пластинок диаметром 16, 24, 32 и 40 см соответственно получены предельные нагрузки 0,095, 0,159, 0,224 и 0,326 МПа, т.е. несущая способность основания оказалась почти пропорциональной диаметру площадки.
А.С. Кананян исследовал [134] очертание линий скольжения и величины критической нагрузки на штампы шириной 10 и 15 см. Основание приготавливалось из среднезернистого песка (р = 1,7 г/см3, ср = 32...34). Критическая нагрузка на штамп шириной 10 см составила 0,151 МПа, на штамп шириной 15 см - 0,251 МПа. Длина зоны выпирания составила от 4 до 6 ширин штампа, глубина 1,5...2 ширины, угол выхода поверхности сдвига к дневной поверхности основания 27...42.
Г. Мейергоф в опытах на песке установил [364]: несущая способность возрастала с уменьшающейся скоростью по мере роста ширины модели фундамента; при равной площади подошвы несущая способность квадратных моделей фундаментов несколько выше, чем круглых; несущая способность квадратных моделей на 30% меньше, чем прямоугольных при одинаковой ширине.
Иствуд пришел [342] к следующим выводам: несущая способность не зависит от длины фундамента; скорость роста несущей способности уменьшается с увеличением ширины; несущая способность круглых фундаментов диаметром 10 и 15 см была несколько ниже, чем прямоугольных такой же ширины. Коэффициент формы для круглых моделей диаметром 10 см равнялся 0,96, а диаметром 15 см - 0,94.
Нархари и Моган проводили [385] эксперименты на мелком речном песке, уплотненном до разной степени, с моделями разных размеров и формы. Опыты показали: наблюдаемая несущая способность в 5,6 раз превышала вычисленную по формуле Мейергофа; коэффициент формы на песке плотностью 103 lb/ft3 равнялся 1,25, а плотностью 107 lb/ft3 - 2,64; с увеличением плотности на 4 lb/ft3 несущая способность основания возрастала на 185%.
Селиг и Макки [395] в опытах на плотном песке установили, что несущая способность прямо пропорциональна ширине фундамента. При равной площади отношения несущей способности круглых фундаментов к квадратным равнялось 0,887. Несущая способность квадратных фундаментов на 34,6% меньше, чем прямоугольных такой же ширины.
Анализируя экспериментальные данные, Де Беер установил [335], что коэффициент несущей способности уменьшается с увеличением ширины фундамента. Опираясь на гипотезу Муса о прогрессирующем разрушении плотных песков, он пришел к выводу, что максимальный угол сопротивления сдвигу становился меньше для широких фундаментов, чем для узких.
По результатам опытов, проведенных Фундаментстроем со штампами площадью от 2500 до 80000 см2 на пылеватых влажных суглинках, при удельных нагрузках, не превосходящих предела пропорциональности, осадка оказалась пропорциональной корню квадратному из площади штампа. Подобные результаты получены Х.Р. Хакимовым в опытах с фундаментами площадью от 0,5 до 15 м2 на водонасыщенных мелкозернистых заиленных песках и В.Н. Голубковым в опытах с кустами свай, нагруженными вертикальной силой [64].
По данным Д.Е. Полыиина осадки квадратных штампов на лессовидных суглинках пропорциональны размеру при средних давлениях до 0,125 МПа.
С. Прокаш и М.С. Гумман провели [385] эксперименты с круглыми, квадратными и прямоугольными штампами на сухом песке с ф = 43 и р = 1,8 г/см3. Результаты их представлены в табл.2.6.
