Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

вие нормальных сил морозного пучения содержит использование численного метода.

Рис. 1. Блок-схема расчета МЗФ

В качестве примера приведем расчет МЗФ под легкое малоэтажное отапливаемое здание. Исходные данные по сооружению и инженерногеологическим условиям, принятые в данном примере, включают:

план здания (рис. 2);

Рис. 2. План здания

481

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

погонную нагрузку, приложенную к обрезу фундамента, она принимается постоянной для всех стен здания и составляет 2,1*104Н/м, соответственно давление по подошве МЗФ равно 0,53*105Па;

грунт основания – пылеватый суглинок, по результатам лабораторных испытаний относительная деформация морозного пучения составляет 7%.

В рассматриваемом примере принят ленточный монолитный МЗФ рамной конструкции прямоугольного поперечного сечения с размером ребра

иглубиной заложения 0,4 м. Материал фундамента – бетон класса В15. Данный фундамент обеспечивает выполнение расчетов по двум группам предельных состояний без учета действия сил морозного пучения.

В соответствии с предлагаемой методикой [3] первый этап расчета включал так же определение величины нормальных сил морозного пучения, приложенных к подошве МЗФ. Следующие этапы проектирования включали определение внутренних усилий в рамной конструкции МЗФ от действия этих сил. Это определение производилось с использованием численного метода расчета, реализуемого с помощью программного комплекса «ПК ЛИРА». При формировании в этом комплексе расчетной схемы, рассматриваемом в данном примере ленточного МЗФ, он разбивался на конечные квадратные элементы с размерами стороны 0,4 м. Поскольку здание отапливаемое, то принимаем, что грунт основания под фундаментами наружных стен здания находится в мерзлом состоянии, а под внутренними стенами – в талом. Это значит, что на фундаменты под наружные стены дополнительно бу-

дут действовать нормальные силы морозного пучения, которые в расчете приняты равными 3,5*105 Па. Определение внутренних усилий производилось для расчетного случая, когда под всеми наружными стенами произошло промерзаниегрунта основания, а деформация морозного пучения отсутствовала.

При выполнении расчета принимались дополнительные исходные дан-

ные:

модуль упругости материала МЗФ – 1,7*1010Па;

коэффициенты жесткости грунта в мерзлом состоянии 1,5*108 Н/м3,

в талом – 0,5*108 Н/м3;

суммарные эпюры давлений, приложенные к подошве МЗФ, как для внутренних, так и для наружных стен приведены на рисунке 3. Их значение находили суммированием нагрузок приложенных к подошве МЗФ от надфундаментной конструкции и нормальных сил морозного пучения.

Для принятой расчетной схемы с использованием «ПК ЛИРА», опре-

делялись значения внутренних усилий в рамной конструкции. Максимальные их величины составили для изгибающего момента Мmax=5,22*104 Н*м, для поперечной силы Qmax=5,95*104 Н. Подобная неблагоприятная схема загружения могла быть реализована только с использованием численного метода расчета.

482

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

0,53·105 Па

2,9·105 Па

Рис. 3. Эпюры действующих суммарных давлений

Таким образом, рассмотренный пример позволят констатировать, что по сравнению с аналитическим методом, численный метод расчета обладает преимуществами:

1.Учет пространственной жесткости рамной конструкции МЗФ.

2.Возможность выполнения расчетов для различных неблагоприятных схем загружения МЗФ.

Литература

1.Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах НИИОСП. – М.: 1985. – 59 с.

2.Сажин, В. С. Проектирование и строительство фундаментов сооружений на пучинистых грунтах / В.С. Сажин, В.Я. Шишкин, А.С. Волох. – Саратов: издательство Саратовского университета, 1988. – 234 с.

3.Каган, Г.Л. Усовершенствование методики расчета ленточных малозаглубленных фундаментов / Г.Л. Каган, М.Н. Харичев // «ОФМГ». – 2010. – №6. – С.18-21.

УДК 624.131

Л.М. Борозенец (ТГУ, г.о. Тольятти)

АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННОГО ПЫЛЕВАТО-ГЛИНИСТОГО ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТА МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ: НЕЛИНЕЙНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Исходные данные для проведения расчетного исследования второй части статьи – «нелинейные деформации» рассматриваемого основания приведены в ее первой части «предельные напряжения» [1].

483

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

1. Определение нелинейных общих, нелинейных упругих, пластических объемных и пластических сдвиговых деформаций дисперсных грунтов под нагрузкой.

Рассматривается квадратный жесткий железобетонный фундамент площадью А = 6400 см2 с размерами сторон 80 80 см. Для упрощения расчетной схемы квадратная форма подошвы фундамента заменяется на круглую, схему см. рис. 1. Диаметр круга, равновеликого по площади квадратному фундаменту,

Радиус круга R5 = 451,5 мм.

где р (Р8 5 ) / n (265,0 126,3) / 5 27,74 кПа;

484

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Экспериментальная система координат при восьми ступенях нагрузки преобразуется в матричную при девяти ступенях нагрузки для использования матричных коэффициентов пропорциональности поступенчатых нелинейных общих деформаций [2], показанные на рис. 2.

Рис. 2. Графики зависимости осадок от нагрузки: 1 – экспериментальные данные для

фундамента размером 4,0 0,8 м к графику 2 (); 2 – расчетные данные для фунда-

мента размером 0,8 0,8 м к графику 3 (); 4 – расчётный и экспериментальный график; расчетные элементарновидовые осадки: 5 – упруго-объемной; 6 – пластически-фрикционно-объемной; 7 – пластически-фрикционно-сдвиговой; 8 – предел пропорциональности

2. Предельная краевая нелинейная общая, упругая, объемная и сдвиговая осадка на девятой последней ступени нагрузки.

Сжимаемость первого слоя грунта непосредственно под подошвой фундамента

485

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Общая деформация упругой зоны сжимаемости на девятой ступени

Sstr 0 8,7 мм.

Упругая объемная сжимаемость

Модуль упругой деформации минеральных элементов структуры грунта ESe 131,3 МПа – по расчету.

Упругая сжимаемость минеральных частиц по состояниям предельных равновесий

486

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Предельная пластически-фрикционная сжимаемость на девятой ступени нагрузки

Для распределения значения сжимаемости между пластической объемной и пластической сдвиговой вводятся коэффициенты пропорциональности:

– объемной сжимаемости

487

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

По аналогии с методологией расчета на девятой ступени нагрузки производятся расчетные исследования на остальных от восьмой до первой ступени нагрузки с определением своих параметров нелинейной деформации грунтов в основании фундамента мелкого заложения. Поступенчатые расчетные значения нелинейных общих, упругих, пластических объемных и сдвиговых осадок приведены в табл. 1.

По расчетным данным на рис. 2 построены графики общих – 4, упругих

– 5, объемных – 6, сдвиговых – 7 нелинейных деформаций. Сходимость эскпериментального графика 2 с расчетным 3 – совершенная.

Экспериментальные данные и результаты расчетного исследования показаны на рис. 1 в виде нелинейных графиков зависимости осадок от нагрузки. Расчетное исследование проведено с использованием эталонномодельных поступенчатых коэффициентов пропорциональности модулей нелинейных общих, упругих, объемных и сдвиговых деформаций для средневзвешенного значения модуля общей деформации литологического разреза. Безупречная сходимость расчетных и экспериментальных нелинейных графиков указывает на научную состоятельность выдвинутой гипотезы о действительности эталонно-модельных поступенчатых коэффициентов пропорциональности модулей нелинейных общих, упругих, объемных и сдвиговых деформаций для любых прочих разновидностей дисперсных грунтов, имеющих модуль общей деформации.

Таким образом, деформация основания расчетного фундамента размером 0,8 0,8 м и экспериментального фундамента размером 4,0 0,8 м получается одинаковой, следовательно, квадратный элемент ленточного фундамента с размерами сторон равными ширине ленточного фундамента можно использовать для расчета осадки прямоугольного и ленточного фундаментов.

488

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

3. Влияние полного водонасыщения дисперсных грунтов оснований фундаментов мелкого заложения на формирование их напряженнодеформированных состояний

Выявлены следующие факторы влияния:

1.Коэффициенты пропорциональности поступенчатых модулей нелинейной общей, нелинейной упругой, пластически-фрикционной объемной

ипластически-фрикционной сдвиговой деформацией для дисперсных грунтов естественной влажности действительны и применимы для полностью водонасыщенных грунтов.

2.В водонасыщенных грунтах оснований фундаментов удельное дав-

ление объемной силы тяжести скелета грунта γd уменьшается взвешивающим действием воды, а удельное сцепление грунтов под влиянием физикохимических свойств уменьшаются по значению в 3,3 раза.

3.Грунтовые воды и подстилающий водоупор оказывают существенное физико-механическое влияние на напряженно-деформированное состояние водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов оснований фундаментов, состоящее в следующем:

напряжение первого состояния предельного равновесия имеет значение меньше структурной прочности скелета грунта и поэтому выпадает из расчета во всех девяти ступенях нагрузки;

на первой и второй ступенях нагрузки эффективные напряжения распространяются только в объеме пирамидального тангенсоида, за его пределами напряжения уравновешиваются только поровым давлением, без развития эффективных напряжений за его контуром в структуре скелета грунта основания; краевые напряжения развиваются от контактных по подошве фундамента до конечного напряжения пятого состояния предельного равновесия по контуру уплотненного ядра;

на третьей ступени нагрузки, в результате отжатия воды из порового пространства за пределами контура пирамидального тангенсоида, в основании поровое давление снижается, в скелете структуры грунта возникают эффективные напряжения от контактного давления под подошвой фундамента до третьего состояния предельного равновесия и затем до напряжения структурной прочности грунта; развитие зоны упругих напряжений блокируется поровым давлением грунтовой воды;

на четвертой и пятой ступенях нагрузки развитие напряжений по состояниям предельных равновесий протекает как на третьей ступени с отличием в том, что эффективные напряжения действуют уже до второго состояния предельного равновесия;

с шестой по девятую ступени нагрузки развитие напряжений по состояниям предельных равновесий протекает, как на пятой ступени, с отличием в том, что с шестой ступени начинается развитие зоны упругих напряжений в структуре скелета грунта; на девятой ступени нагрузки развитие зоны

489

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

упругой деформации ограничивается мощностью слоя сжимаемого грунта 12,2 м, подстилаемого водоупором, что полностью соответствует методологии инженерно-геологического разреза;

краевое начальное значение упругого напряжения на всех последующих четырех ступенях нагрузки остается постоянным.

Выводы

1.Получены положительные результаты применения метода нелинейной механики вытеснения дисперсных грунтов к примеру конкретного расчетного исследования экспериментальных данных.

2.Проведено расчетное определение нелинейных общих, нелинейных упругих, пластических объемных и пластически сдвиговых деформаций дисперсных грунтов на девятой конечной ступени опытной нагрузки.

3.Выявлены факторы влияния полного водонасыщения дисперсных грунтов оснований фундаментов мелкого заложения на формирование их на- пряженно-деформированных состояний.

Литература

1.Бартоломей А.А. Расчет осадок ленточных свайных фундаментов / А.А. Бартоломей. – М., : Стройиздат, 1972. – 127 с.

2.Борозенец Л.М. Нелинейная механика вытеснения грунтов в основаниях фундаментов / Л.М. Борозенец // Мат. междунар. науч.-техн. конф.: Геотехника Беларуси: наука

ипрактика. – Минск, : БНТУ, 2013. – С. 183-194.

УДК 624.15

Я.А. Пронозин, М.А. Степанов

(ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ, Тюмень)

ПРОГНОЗ ОСАДКИ ЛЕНТОЧНЫХ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫМ ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

В условиях слабых водонасыщенных грунтов юга Западной Сибири (рис. 1 [1]) при строительстве зданий 16–25 этажей возникает вопрос выбора адекватного типа фундаментов.

При геологических разрезах, соответствующих схемам а, б, в, д, использование плитных фундаментов невозможно по причине сверхнормативных расчетных осадок, свайные фундаменты в виде забивных свай длиной до 12м неприменимы по причине малой несущей способности, а использование буровых технологий связано с большими затратами. В данных условиях авторами предлагается применение ленточных свайных фундаментов с предва-

490