книги из ГПНТБ / Репников Л.Н. Расчет конструкций на комбинированном основании

ГОССТРОЙ СССР

Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений

( Н И И О С П )

Л. Н. Р е п н и к о в

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ НА КОМБИНИРОВАННОМ ОСНОВАНИИ

М о с к в а

. Стсюйиздат

1973 г.

В В Е Д Е Н И Е

Рост темпов промышленного и гражданского строитель­ ства, ведущегося в различных условиях (климатических, гидрогеологических и пр.), постоянно ставит перед проек­ тировщиками и исследователями вопрос 6 необходимости дальнейшего совершенствования методов расчета инже­ нерных конструкций на грунтовом основании.

Состояние теории расчета фундаментов в настоящее время определяется обстоятельствами, вытекающими из общего высокого уровня теоретических и эксперимен­ тальных исследований как в механике грунтов, так и в смежных областях, широким использованием вычисли­ тельных машин в расчетах и при обработке опытных дан­ ных, разработкой программ для расчета балок и плит 'на упругом основании. '

Большое внимание уделяется проблеме учета совмест­ ной работы фундамента и надфундаментных конструкций, учет жесткости которых даст возможность полнее ис­ пользовать несущую способность сооружения и получить более экономичные решения фундамента.

Все большее значение приобретает всесторонняя оценка механических свойств грунтового основания, оказывающая непосредственное влияние на результаты расчета как фундамента, так и надфундаментных конст­ рукций в целом. Исследования в этой области идут различ­ ными путями. Один из них состоит в учете нелинейной связи между напряжениями и деформациями в грунтовом основании. Актуальное значение имеют исследования [9, 10, 1 2 ] , направленные на получение зависимостей между нагрузкой, приложенной к дневной поверхности, и соот­ ветствующими осадками с учетом влияния объемной массы

3

грунта на перемещения. Кроме того, во многих работах [3 0, 31] рассматриваются реологические свойства грун­ тового основания.

В последнее время большое распространение получил рсчет конструкций на упругом слое [22, 23, 24] . Этот метод расчета развивается в направлении учета образую­ щихся под фундаментом областей, находящихся в пре­ дельном состоянии.

Особое место принадлежит исследованиям, в которых деформационные свойства основания оцениваются не­ сколькими параметрами. При наличии разработанной и обоснованной методики определения деформационных кон­ стант такой путь учета разнородных свойств грунта представляется перспективным, дающим возможность при определенном числе параметров найти распределение силовых и деформационных факторов, достаточно близкое истинному. Это направление исследований, разработанное

втрудах многих ученых, представляет большой интерес для практики фундаментостроения и подробно рассмотрено

в§ 1 главы 1.

Настоящее исследование принадлежит к последнему направлению, представляющему собой феноменологический подход к исследованию взаимодействия фундаментных конструкций и упругого основания. Сущность этого подхода заключается в том, что деформационные характе­ ристики грунтового основания формируются из свойств упругого полупространства и свойств винклеровской среды.

Деформативные свойства такой комбинированной модели характеризуются параметрами составляющих ее компо­ нент: модулем деформации EQ, коэффициентом Пуассона fJ-0 и коэффициентом постели /С .

Возможны различные схемы построения сложной моде­ ли из простых (последовательная, параллельная, варианты комбинаций последовательных и параллельных объедине­ ний). Комбинированной в книге названа модель грунтового основания, образованная параллельным совмещением деформативных свойств упругой полуплоскости (полупро­ странства) и основания Винклера. В общем случае такое параллельное совмещение может быть определено равен­ ством тензоров деформации компонент, составляющих

4

комбинированное основание. В такой постановке решение задачи в настоящее время не получено.

Для разработки практического метода расчета фунда­ ментов вполне оправдано смягчение общего условия совмещения деформаций по всему объему требованием равенства осадок поверхности упругой полуплоскости (полупространства) и основания Винклера. Использование этого условия дает возможность относительно просто решать задачи о нагрузках, действующих по поверхности комбинированного основания, и ответить на вопросы, имеющие важное практическое значение (определение контактных давлений под фундаментом, осадки фундамен­ тов и поверхности грунта, свободной от загружения, и др.). Уместно указать также на возможность распростра­ нения такого подхода к расчету конструкций подземных сооружений глубокого заложения. В этом случае давления на обделки тоннелей должны определяться из условия равенства радиальных перемещений компонент, составля­ ющих комбинированную среду, по всему контуру выработки*

Особенности деформативных свойств комбинированного основания исследованы в основном на примерах решения задачи о штампе в условиях как плоской, так и простран­ ственной задачи. В книге принят в качестве основного дискретный метод учета совместной работы отдельных компонент, разработанный применительно к расчету фундаментов на упругой полуплоскости (полупространст­ ве) проф. Б.Н.Жемочкиным [26, 27] .

Важнейшим условием практического применения любой модели грунтового основания является разработка обос­ нованного метода определения основных расчетных пара­ метров модели. Для решения этого вопроса исследована нелинейная зависимость между осадками штампа, опираю­ щегося на комбинированное основание, и нагрузкой. Ре­ зультаты этого исследования использованы при обработке штамповых испытаний.

Для оценки правильности выбранного подхода к учету деформативных свойств основания проведено сопоставле­ ние полученных решений с данными натурных наблюдений

5

ГЛАВА 1. ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ

§ 1. Обзор двухпараметрических моделей грунтового основания

Все исследования, посвященные расчету фундаментных конструкций на упругом основании, как правило, содержат обзорный материал, в той или иной степени освещающий историю вопроса. Работы М.И.Горбунова-Посадова [11, 13] и Б.Г.Коренева [3 5] содержат достаточно полный перечень выполненных исследований. Историческую справку можно найти также в работах [7, 17, 36, 51, 72]

идр. Тем не менее прежде чем перейти к характеристике новой двухпараметрической модели, необходимо остано­ виться на некоторых работах, в которых рассматриваются

имодели грунтового основания. Подобный анализ даст возможность сопоставить предлагаемую модель с пред­ ложенными ранее и выяснить ее слабые и сильные стороны.

Внастоящее время нет единой точки зрения на то, какую из моделей грунтового основания считать обще­ признанной. Изучение литературы дает основание выделить три крупных школы, каждая из которых представлена работами большой группы ученых.

Исторически первой была предложена гипотеза учета упругих свойств основания коэффициентом постели (гипотеза Винклера), получившая широкое распростра­

7

характеризуемом коэффициентом постели К (кг/cwP ),

реактивного давления в точке на поверхности грунта, пропорциональную величине осадки только этой точки.

Ограниченность области применения этой теории посте­ пенно стала очевидной в результате накопления опыта эксплуатации искусственных сооружений, который показал, что при загружении поверхности основания деформации возникают не только в зоне приложения на­ грузки, но и захватывают смежные зоны грунта, т.е. рас­ пределение реактивных давлений и осадок поверхности отличается от того, которое предсказывалось теорией местных деформаций.

Однако самым несовершенным в этой модели грунтового основания оказалось непостоянство основной расчетной величины - коэффициента постели. Многочисленные эк­ спериментальные исследования показали, что для одних и тех же условий эксперимента значение коэффициента пос­

гипотезы усугублялись тем, что расчет фундаментных конструкций на винклеровском основании приводил при не­ которых схемах загружения к заниженным значениям из­ гибающих моментов в фундаментных балках, что приводи­ ло в ряде случаев [28] к их разрушению.

В ЗО -х годах было предложено рассматривать основа­ ние фундаментов как упругую среду, характеризуемую мо­ дулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона Это предположение давало возможность, рассматривая

среду как упругое полупространство или как упругую по­ луплоскость, применять для исследования взаимодействия фундаментов и основания хорошо разработанный аппарат математической теории упругости.

Это направление в теории расчета фундаментов на уп­ ругом основании, как на упругом полупространстве полу­ чило исчерпывающее развитие в трудах Г.Э.Проктора (45],

8

П.М.Герсеванова [7] , М.И.Горбунова-Посадова [ l l , 13], В.А.флорина [б9], Б.Н.Жемочкина [2 5 -2 7 ] , А.П.Сини­ цына [28] , И.А.Симвулиди [5 6 -5 9] , А.А.Умайского [6 7] и дрм а также за рубежом в трудах М.А.Био [83], Хетеньи

[8 7] и др.

Теория упругого полупространства (упругой полуплос­ кости) значительно полнее и глубже по сравнению с гипо­ тезой Винклера учитывала реальные свойства грунтового основания, в частности распределительную способность грунтов. Эта гипотеза давала возможность ответить на целый ряд таких важных вопросов, как .распределение напряжений в массиве, учет концентрации реактивных дав­ лений у краев фундамента и оценка взаимного влияния

ранства обнаружились при сопоставлении предсказываемой

задачи). Особенно большое несоответствие наблюдалось для условий плоской деформации. Как известно из курса

ний этой постоянной перемещения поверхности при уда­ лении от загруженного участка стремятся к бесконечности*

Результаты же опытов свидетельствовали о быстром уменьшении осадок за пределами сооружения.

Значительные расхождения отмечались также и при со­ поставлении теоретических и экспериментальных данных для условий пространственной задачи. Несмотря на то что теоретическое решение для жесткого штампа и приводит к конечным величинам перемещений как штампа, так и дневной поверхности, осадки дневной поверхности затуха­ ют лишь на бесконечном удалении от места приложения нагрузки, тогда как на практике уже на расстоянии, рав­ ном размеру самого сооружения в плане, осадки грунта практически равны нулю.

9