автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему: Осадки оснований фундаментов с учетом структурной прочности грунтов
Автореферат диссертации по теме "Осадки оснований фундаментов с учетом структурной прочности грунтов"
004618638 На правах рукописи
Осипова Оксана Николаевна
ОСАДКИ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНОЙ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ
Специальность 05.23.02. - Основания и фундаменты, подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Дыба Владимир Петрович
Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических на-
ук, доцент Олянский Юрий Иванович Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (г. Волгоград)
кандидат технических наук, доцент Таржиманов Эдгар Альбертович Ростовский государственный строительный университет (г. Ростов-на-Дону)
Ведущая организация: ФГОУ ВПО Новочеркасская государ-
ственная мелиоративная академия (НГМА)
Защита состоится 23 декабря 2010 г. в 10® часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, в аудитории Б-203.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Основания фундаментов рассчитываются по предельным состояниям. В том числе по предельным деформациям. Еврокод 7 это предельное состояние обозначает как SLS - Serviceability Limit State.
Нормативный метод послойного суммирования для расчета осадок с использованием модулей деформации грунтов, полученных в компрессионных испытаниях, дает завышенные значения осадок фундаментов.
В диссертации исследуются причины несоответствия вычисляемых и наблюдаемых значений осадок фундаментов.
На основе обработки результатов натурных и лотковых экспериментов, проводившихся в Новочеркасской научной школе механики грунтов и фун-даментостроения, делаются выводы о величине сжимаемой толщи основания.
Аналитические и численные расчеты, проведенные в диссертации, показывают, что учет структурной прочности грунтов снижает в разы величину рассчитываемой осадки фундамента.
Следовательно, использование всей информации, полученной в компрессионных испытаниях, а не только наклона компрессионной линии в интервале нагрузок от 0,1 МПа до 0,2 МПа, позволяет приблизить вычисленные и наблюдаемые осадки фундаментов.
В диссертации разработан модифицированный метод послойного суммирования для расчета осадок, учитывающий структурную прочность грунтов, использующий формулы глубины сжимаемой толщи основания, полученные на основе экспериментальных данных и учитывающих структурную прочность грунтов.
Использование предложенной в диссертации модернизированной формулы для расчета осадки оснований методом послойного суммирования приведет к более рациональному проектированию оснований и фундаментов, к экономии строительных материалов и рабочего времени.
Цель диссертационной работы:
Модернизация метода послойного суммирования с учетом структурной прочности для устранения несоответствия расчетных и наблюдаемых осадок.
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели решены следующие задачи:
- в целях диссертационной работы исследованы и обработаны результаты лотковых и натурных экспериментов, проведенных новочеркасской научной школой механики грунтов и фундаментостроения.
- сравнены эмпирические и нормативные глубины сжимаемой толщи основания в зависимости от возрастающей нагрузки.
- с помощью аналитических и численных методов оценено влияние структурной прочности грунтов на величину осадки.
- разработан вариант метода послойного суммирования, учитывающий структурную прочность грунта, приближающий вычисленные осадки к наблюдаемым.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Получена новая формула метода послойного суммирования для расчета осадок фундаментов, учитывающая структурную прочность грунтов.
2. Впервые проведено сравнение эмпирической и нормативной глубины сжимаемой толщи основания в процессе возрастания нагрузки, показывающее завышенность нормативной глубины.
3. Впервые найдены количественные оценки влияния структурной прочности грунтов на величину осадки основания.
4. Разработана методика определения структурной прочности грунтов в компрессионных и натурных испытаниях.
Достоверность новых результатов подтверждается результатами, полученными путем использования общепризнанных методов и законов механики сплошной среды, применением стандартных программ системы РЬАХ1Б, при численных расчетах, а также использованием достоверных экспериментальных данных.
Практическая ценность работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проведенных на кафедре «Промышленное, гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение» в рамках фундаментального научного исследования по теме: «Разработка научных основ повышения надежности объектов и эффективности управления процессами в водохозяйственных и строительных инженерных системах (НИР: №01200506483)».
Использование модифицированного метода послойного суммирования позволит точнее определять осадки фундамента, решить проблему несоот-
ветствия вычисляемых и наблюдаемых значений осадок, что приведет к более рациональному проектированию оснований и фундаментов, к экономии строительных материалов и рабочего времени.
При проведении мероприятий устраняющих возможность замачивания грунтов под подошвой фундамента, предложенный метод позволит точнее прогнозировать осадки.
При локальном замачивании, полученный метод позволит точнее определять разность осадок (которая будет больше нормативной), следовательно, повысит надежность расчетов оснований сооружений.
Основные положения диссертационной работы докладывались на научном семинаре Ростовского регионального отделения Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению, на V Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (22-23 апреля 2009г., г. Волгоград.), на IV Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технологии XXI века (НТТ-2009)» (6-8 октября 2009 г., г. Нальчик), на 5 Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство» (15-16 декабря 2009 г., г. Волгоград), на Российской научно-практической конференции «Актуальные проблемы фундамен-тостроения на Юге России», посвященной памяти профессоров Ю.Н. Мур-зенко и А.П. Пшеничкина (14-15 июля 2010 г., г. Новочеркасск), на V Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (22-24 сентября 2010 г., г. Волгоград) на ежегодных научно-технических конференциях строительного факультета ЮРГТУ (НПИ).
Личный вклад автора заключается в следующем:
1. Аналитически и числено оценено влияние структурной прочности грунтов на глубину сжимаемой толщи и величину осадки.
2. Обработаны результаты лотковых и натурных экспериментов, проведенных новочеркасской научной школой механики грунтов, в целях оценки влияния структурной прочности грунтов на глубину сжимаемой толщи и величину осадки основания, которые подтверждают аналитический и численный расчет.
3. Проведены компрессионные испытания для определения структурной прочности грунтов, характерных для Южного федерального округа.
4. Получена модернизированная формула расчета осадки оснований фундаментов методом послойного суммирования с учетом структурной прочности грунтов.
На защиту выносятся:
1. Анализ и обработка результатов лотковых и натурных экспериментов с целью сравнения экспериментальной и нормативной глубины сжимаемой толщи основания в процессе возрастания нагрузки.
2. Методика определения структурной прочности грунтов в натурных опытах.
3. Методика определения структурной прочности грунтов в компрессионных испытаниях.
4. Аналитические исследования по оценки влияния структурной прочности грунтов на величину осадки ленточных фундаментов.
5. Численные эксперименты оценки влияния структурной прочности грунтов на величину осадки для билинейной модели грунтовой среды.
6. Модификация метода послойного суммирования для нахождения осадки основания, грунты которого обладают структурной прочностью.
Внедрение результатов работы
Результаты исследований переданы для внедрения и использованы при проектировании жилого дома по ул. Октябрьской в фирме «Дельта» г. Азов Ростовской области.
Материалы диссертационных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров в специальном курсе «Моделирование оснований и информационные технологии», в курсе «Механика грунтов», которые читаются студентам специальности ПГС.
Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 опубликованных работах, две из которых - в изданиях, определенных ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы, включающего 92 наименования.
Полный объем диссертации - 132 страницы, включая 30 рисунков, 8 таблиц, приложения.
Автор диссертационной работы выражает благодарность доценту, к.т.н. Галашеву Ю.В. за консультации и помощь в работе над диссертацией.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
При выполнении диссертационной работы производились ссылки на труды отечественных и зарубежных ученых Ю.М. Абелева, М.Ю. Абелева, В.Г. Березанцева, А.Н. Богомолова, Г.В. Василькова, Н.М Герсеванова,
A. А. Григоряна, Б.Н. Дидуха, Б.И. Далматова, В.П. Дыбы, Ю.К. Зарецкого,
B.А. Ильичева, В.И. Крутова, П.Л. Коновалова, М.В. Малышева, Ю.Н. Мурзенко, А.А. Мустофаева, В.Н. Николаевского, Н.В. Орнадского, В.И. Осипова, А.П. Пшеничкина, Е.М. Сергеева, Г.М. Скибина, В.В. Соколовского, В.И. Соломина, Е.А. Сорочана, Ю.Г. Трофименкова, З.Г. Тер-Мартиросяна, В.К. Цветкова, Г.И. Швецова, С.Б. Ухова, В.А. Флорина, В.Г. Федоровского, Бента Хансена, P. Wroth, К.Н. Rosco и др.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы и определены основные этапы ее достижения, указаны научная новизна, степень апробации, практическая значимость и выносимые на защиту положения, представлены данные, о ее практическом внедрении.
Первая глава диссертации посвящена обзору существующих моделей грунтовых оснований. Причинами выбора расчетной модели грунтового основания являются: физико-механические свойства грунтов, информация об инженерно-геологическом строении площадки строительства, размеры и назначение сооружения и др. По целому ряду причин использование многих современных моделей грунтовой среды, в практических расчетах не представляется возможным, в то время как более простые инженерные модели пластического течения, определяемые по информации, представляемой стандартными инженерно-геологическими отчетами, имеют лучшие шансы на практическое использование.
Несмотря на теоретическую возможность вычисления осадки с использованием различных моделей грунтового основания, на практике проектировщики пользуются методом послойного суммирования, т.к. именно для него изыскательские организации готовят исходные данные. Этот метод по существу и определяет так называемую линейно-деформируемую модель грунтового основания, которая применяется широко. Видно, как развивается
метод послойного суммирования, как впитывает в себя достижения современного строительства. В СП 50-101-2004 описан метод послойного суммирования, существенно отличающийся от этого метода, представленного в нормативных документах СНиП И-15-74 и СНиП 2.02.01-83.
Измерения показали, что наблюдаемые осадки значительно превышают расчетные осадки по методу послойного суммирования. Как следствие, СП 50-101-2004 рекомендует определять модуль деформации Е в полевых испытаниях с помощью штампов площадью 2500-5000 см2 при вычислении осадок зданий I и 11, а для сооружений III класса компрессионный модуль деформаций рекомендуется умножать на коэффициент из таблицы Агишева, величиной от 2 до б. При этом не исследуются физические причины, приводящие к такой рекомендации. Автор считает, что в методе послойного суммирования имеется ряд допущений, приводящих к несовпадению расчетных и наблюдаемых осадок:
1. Вертикальные деформации зависят только от вертикальных напряжений и не зависят от других компонент тензора напряжений.
2. Не учтена структурная прочность грунтов.
3. Достаточно условно выбирается глубина сжимаемой толщи основания.
Эти проблемы и стали предметом изучения данной диссертационной работы.
Во второй главе исследуется глубина сжимаемой толщи основания, полученная по лотковым и натурным испытаниям, проведенным новочеркасской научной школой механики грунтов. В результате обработки полученных опытным путем данных производится сравнение нормативной глубины сжимаемой толщи основания с данными, полученными в экспериментах. Проводится исследование влияния размеров фундамента на модуль деформации, рассчитанный по нормативной формуле. Показано, что нормативный модуль деформации изменяется с увеличением размеров штампа, следовательно рекомендованная методика не вполне соответствует данным опытов.
Многочисленные эксперименты по изучению деформирования основания из плотного песка средней крупности в воздушно сухом состоянии проводились в лотке машины МФ-1 (рис.1). Для измерения нормальных деформаций в песке использовались тензометрические деформометры Д-2. (рис.2).
Д сф 1>рм о м от ры 1ПМСр»(<>11Л1С деформации;
У / ¡7 I \ В 7 69 А
Рис.1. Схема установки деформометров Д-2 Рис.2. Конструкция деформометра Д-2 для в песчаном основании по оси штампа. измерения линейных деформаций в грунте.
Автором была получена осредненная зависимость экспериментальной глубины сжимаемой толщи от нагрузки по лотковым опытам Ю.В. Галашева с круглым штампом диаметром 28 см.
Рис. 3. Сравнение экспериментальной и нормативной глубины сжимаемой толщи в зависимости от среднего давления под подошвой круглого штампа На рис.3 сплошной линией показана зависимость экспериментальной
глубины сжимаемой толщи Нэ от нагрузки. Величина Нэ выражается в долях
от диаметра штампа Б. По определению, осадка слоя толщиной Н, равна 95%
от осадки штампа. Экспериментальная кривая построена по осредненным ре-
зультатам нескольких опытов. Прерывистая кривая на рис.1 представляет зависимость нормативной величины Н„ полученной из условия Ог(р) = 0,2 аг (я), от возрастающей нагрузки.
Отношение нормативной глубины сжимаемой толщи Нс к экспериментальной глубине сжимаемой толщи Нэ сложным образом зависит от возрастающей нагрузки (рис.4). При начальных нагрузках, близких к расчетному сопротивлению, нормативная глубина сжимаемой толщи Не больше экспериментальной Н, в 3 - 4 раза. При нагрузках соответствующих фазе сдвигов это отношение колеблется вокруг 2.
Лотковые испытания показывают, что и для плотных песков рекомендации СП 50-101-2004 в два раза завышают глубину сжимаемой толщи основания.
Натурный эксперимент по определению глубины сжимаемой толщи, проведенный новочеркасской научной школой механики грунтов совместно с Калмыцким государственным университетом в г. Элисте, показал пути модернизации метода послойного суммирования для расчета осадок.
Целью экспериментальных исследований явилось изучение развития деформаций и изменение нижней границы сжимаемой толщи лёссового основания с ростом нагрузки. Опыты проводились на опытном полигоне Калмыцкого государственного университета. Площадка опытного полигона была сложена лёссовыми пылеватыми жёлто-бурыми макропористыми маловлажными суглинками. Моделью фундамента в опытах служил круглый жёсткий штамп диаметром 800 мм с относительным заглублением Н : Д = 0,5.
0 01 0.2 0.> 0.4 0.5 "I
Рис. 4. Отношение нормативной к экспериментальной глубине сжимаемой толщи в зависимости от среднего давления под подошвой круглого штампа.
Нагружение модели производилось при помощи домкрата ДГ-100, который передавал нагрузку на упорную ферму. Ферма крепилась к анкерным забивным железобетонным сваям (рис.5). Нагружение модели фундамента производилось ступенями по 0,05 МПа. Нагрузка выдерживалась до условной стабилизации осадки (2+4 часа). Послойные деформации измерялись при помощи глубинных марок, прогибомеров и индикаторов. Измерения проводились в пяти горизонтах по глубине массива основания в створе подошвы модели фундамента на глубинах 0,5 Д; 1,0 Д; 1,5 Д; 2,0 Д от уровня подошвы штампа.
Рис 5. Схема проведения натурных опытов с круглым жестким штампом.
В каждом горизонтальном уровне массива основания марки устанавливались в трех точках на расстоянии 0,1 Д; 0,25Д; 0,4Д от центральной оси модели (рис. 6), перемещения марок фиксировались приборами. Нагрузка на штамп возрастала пошагово, с выдержкой на стабилизацию на каждом шаге нагрузки. Наибольшая нагрузка примерно соответствовала расчетному сопротивлению грунта.
+ глубина 0,5 Д от поверхности штампа
□ глубина д от поверхности штампа
о глубина 1,5 Д от поверхности штампа
• глубина 2Д от поверхности штампа
Точки 1,2,3,4 - 0,1 Д от центра штампа Точки 5,6,7,8 - 0,25 Д от центра штампа Точки 9 ДО, 11,12 - 0,4 Д от центра штампа
Рис 6. План расположения глубинных марок в основании штампа.
Результаты исследования изменения осадки контактной поверхности основания и послойных перемещений массива основания показали, что контактная поверхность и слой основания толщиной 0,5 Д (40см), примыкающий к контактной поверхности получили почти одинаковую осадку, равную 82113 мм. при нагрузке 0,3 МПа. График зависимости осадки от давления имеет почти одинаковую форму для этих двух горизонтов.
Далее заметен рост перемещений вблизи оси симметрии на глубине 0,1 Д (М-2) и почти под краем штампа - 0,4 Д (М-12) на глубине 1,0 Д. Марка регистрирующая перемещение в середине радиуса имеет значительные перемещения, но заметно меньше, чем в центре и у края штампа. Это можно сказать и о глубине 1,5 Д. Наибольшие перемещения происходят в центре и под краем штампа до глубины около 1,0 Д штампа. Здесь наибольшие перемещения, не значительные по сравнению с общей осадкой штампа, наблюдаются в точке М-7, расположенной по центру радиуса штампа, а наименьшие (М-10) - под краем штампа. Видимо на глубине 2,0 - 2,5 Д, происходит медленное
затухание перемещений и изолинии перемещений смыкаются на оси симметрии.
По результатам опытов были построены графики «нагрузка-осадка» для каждой марки.
контакт А \ М-8 ■М-1
Рис 7. Перемещения глубинных марок в процессе нагружения.
Все графики имеют характерный изгиб, соединяющий почти прямые участки. Каждая марка покоится или перемещается незначительно, пока нагрузка на штамп не превысит определенной величины (для каждой марки разной), а затем марка перемещается пропорционально приращению нагрузки. Автор считает, что это явление объясняется наличием структурной прочности грунтов. Оно не учитывается нормативным методом послойного суммирования, что приводит, по мнению автора, к завышению расчетных осадок.
На рис. 8 показано сравнение зависимости экспериментальной и нормативной глубины сжимаемой толщи от возрастающей нагрузки.
Рис.8. Сравнение глубины сжимаемой толщи, полученной в натурном опыте, с нормативной глубиной сжимаемой толщи в зависимости от среднего давления под подошвой круглого фундамента
Экспериментальная глубина сжимаемой толщи оказалась примерно в два раза меньше нормативной глубины, вычисленной в соответствии со СП 50-101-2004.
Автор считает, что в грунтах, обладающих структурной прочностью, глубина сжимаемой толщи должна этой структурной прочностью и определятся. В этом случае понятие глубины сжимаемой толщи приобретает ясный физический смысл.
Доказательством существования структурной прочности слоев грунта в натурном опыте является характерный перегиб графиков «нагрузка-осадка» заглубленных марок на рис.7. Рассмотрим ¡-график для некоторой марки (рис. 9).
После вычисления структурной прочности, построим график дополнительной, структурной прочности Остр = а Р^ где а - коэффициент для круглых фундаментов, принимаемый по табл. 5.6 СП 50-101-2004, Р1- давление по графикам 7.
Рис. 10 График изменения дополнительной, структурной прочности по глубине
Вычислим общую Остр = а Р+ Ну, где а - коэффициент для круглых фундаментов, принимаемый по табл. 5.6 СП 50-101-2004, Н - глубина расположения марки, у - объемный вес грунта - 1,83 т/м3 и построим график изменения структурной прочности по глубине установки марок с учетом действия бытового давления (рис.11).
Рис. 11. График изменения общей структурной прочности по глубине установки марок с учетом действия бытового давления.
Третья глава диссертации посвящена физико-химическим основам структурной прочности грунтов и служит обоснованием предложенных в диссертации методов расчета. Показывается, что грунты, обладающие структурной прочностью, широко распространены по Ростовской области.
Одной из особенностей лессовых грунтов Южного Федерального округа является широкое распространение на указанной территории I, реже II типа грунтовых условий по просадочности, что диктует необходимость изучения их структурно-текстурных особенностей и физико-механических свойств с учетом специфики региона.
Для определения структурной прочности грунта проводились испытания, методом компрессионного сжатия по стандартным методикам на компрессионных приборах КПр - 1 системы «Гидропроект». Была выбрана площадка, сложенная лессовыми суглинками, характерными для Южного Федерального округа. На площадке были отобраны образцы ненарушенной структуры. Грунт отбирался методом режущего кольца со дна и стенок шурфов, отрытых вручную до глубины 1,5-2,5 м. С глубины 2,5 м. до 15 м. грунт отбирался в процессе бурения скважин в виде монолитов грунта. Отбор монолитов грунта производился геологической бригадой ООО «Изыскатель», монолиты исследовались в лаборатории «Механика грунтов», кафедры «Промышленное и гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение».
Определение деформативных и прочностных характеристик лессовых грунтов проводилось по стандартным методикам согласно ГОСТ 12071-2000. «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование, хранение образцов», ГОСТ 12248-96 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости», ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».
Для определения значения структурной прочности грунта в компрессионном приборе нагружение производилось весьма малыми ступенями нагрузки 0,0125 МПа. Перелом компрессионной кривой свидетельствует о преодолении структурной прочности. По полученным данным строились компрессионные кривые. Компрессионная кривая имеет криволинейное очертание с начальным участком, отличающимся незначительным приращением деформаций с ростом вертикальных давлений.
Рис.12. Различные компрессионные кривые для грунтов с одинаковым
модулем деформаций, но разными значениями осадок. 1 - компрессионная кривая для грунта, обладающего структурной прочностью; 2- то же для просадочного грунта.
Указанные особенности компрессионных кривых лессовых грунтов
отмечались в работах Ю.М. Абелева, Г.И. Швецова, В.И. Осипова. Они обусловлены наличием у лессовых грунтов прочных структурных связей. Пока внешняя нагрузка не превышает прочность структурных связей деформации грунта незначительны. Как только действующее давление, превышает структурную прочность - деформации грунта увеличиваются.
Автором разработана собственная методика по измерению структурной прочности на стандартном оборудовании. Предложена классификация грунтов по структурной прочности, которая подсказывает, в каком случае при расчете осадки следует учитывать структурную прочность, а в каком случае ею можно пренебречь.
Грунты, обладающие структурной прочностью:
- крупнообломочные, плотные маловлажные из магматических пород;
- лессовидные делювиальные маловлажные супеси, суглинки, глины;
- погребенные почвенные горизонты в лессовых породах;
Грунты, не обладающие структурной прочностью:
- пески рыхлые независимо от влажности;
- водонасыщенные суглинки, глины, супеси;
- илы, торф, сапропели.
В четвертой главе диссертации делаются количественные оценки учета структурной прочности грунтов при расчете осадки методом послойного суммирования.
Рассматривается полосовая нагрузка с пригрузкой, моделирующая воздействие на наиболее распространенные в регионе грунты ленточного фун-
дамента. Формула послойного суммирования, которая с точки зрения математического анализа является интегральной суммой, заменяется соответствующим интегралом. В одном случае по линейно упругому решению вычисляется осадка нормативной сжимаемой толщи основания, при этом структурная прочность не учитывается. Во втором случае рассматривается решение для жестко-линейно-упругой модели, в котором сжимаемая область основания ограничена окружностью, проходящей через края фундамента. Вне сжимаемой области среда недеформированная, т.к. структурная прочность не превышена.
Рис. 13. Г-граница области деформирования
Рис.14. Жестко-линейно-деформируемая модель грунта Бели деформациями от напряжений, не вызывающих нарушения структурной прочности, по каким - то причинам, пренебречь нельзя, то от модели жестко-линейно-деформируемого грунта следует отказаться и перейти к модели билинейной или кусочно-линейной модели грунта, представленной на рис. 15.
Рис.15. Кусочно-линейная модель
При возрастании полосовой нагрузки грунт линейно деформируется с
модулем деформации Е1 пока условие fi.tr (01,0з) = Рбй- не достигнуто. При дальнейшем возрастании нагрузки грунт будет линейно деформироваться, но уже с модулем деформаций Е2 . Коэффициент Пуассона также может измениться.
Однако уже не следует ожидать, что граница Г будет являться окружностью. Ее форма находится в процессе решения.
Осадка в первом случае оказалась в 2,7 раза больше чем во втором (рис. 16). Заметим, что точно также уменьшилась бы осадка при умножении модуля деформации на коэффициент тк = 2,7 из таблицы Агишева. Для рассматриваемых суглинков таблица рекомендует примерно такой коэффициент.
срсдное л шленпо, кП-1
Рис. 16. Сравнительный анализ нормативных осадок и осадок с учетом структурной прочности (сплошной линией показан график осадки, рассчитанной по нормативной формуле, пунктирной - график осадки, рассчитанной с учетом структурной прочности грунтов).
Ясно, что такую задачу затруднительно решить аналитически. Требуются численные методы, была проведена попытка решения для билинейной модели методом конечных элементов с использованием программного комплекса PLAXIS.
При начальной нагрузке численные решения моделируют упруго-напряженно-деформированное состояние с модулем Ех = 5Ео при следующем шаге нагружения, когда вертикальные напряжения в отдельных конечных элементах достигнут Рстр жесткость этих элементов уменьшается (жесткость характеризуется модулем Ео) производится следующий шаг по нагрузке и т.д. до расчетного сопротивления грунта основания.
В данной версии PLAXIS затруднительно провести расчеты для оснований с различными модулями деформации при различных нагрузках для модели грунта с одним модулем деформации численные расчеты подтверждают аналитическое упругое решение. При расчете глубины сжимаемой толщи из условия 0z = р стр. получен результат при нагрузке Р = 100 кПа значения аналитического решения и численных методов практически совпали, при данной нагрузке при аналитическом решении результат получился 1,441 м., численный расчет дал результат 1,4 м. Отличия возникают у нижней границы области конечных элементов за счет того, что на ней перемещения приняты равными нулю, при нагрузке 200 кПа аналитический расчет дал результат 4,023 м., а численный расчет показал значение 1,6 м. При расчете осадок согласно метода послойного суммирования, с учетом структурной прочности грунта, при аналитическом расчете получен близкий по значению результат при нагрузках 100 кПа (рис. 17) и 200 кПа. (рис.18).
Рис. 17. Полные перемещения при Рис. 18. Полные перемещения при
нагрузке Р=100 кПа. нагрузке Р=200 кПа
В результате комбинирования решений с различными модулями деформации и определением осадки такой комбинированной билинейной модели можно сделать вывод, что принятие гипотезы жестко-линейно-деформированного тела не приводит к существенным изменениям осадки и модель можно применить при модернизации формулы послойного суммирования для расчета осадок.
В пятой главе диссертации описывается модифицированная формула осадки по методу послойного суммирования, даются рекомендации по ее применению. Указываются грунтовые условия, при которых применение формулы наиболее эффективно. Рассчитываются примеры.
При расчете осадки фундаментов, возводимых в котлованах глубиной менее 5 м, допускается в формуле
не учитывать второе слагаемое. Если среднее давление под подошвой фундамента р < а-д 0, осадку основания фундамента 5 определяют по формуле:
где /?- безразмерный коэффициент, равный 0,8;
а-. - среднее значение вертикального, нормального напряжения (далее -вертикальное напряжение) от внешней нагрузки в г'-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, кПа;
Л, - толщина 1-го слоя грунта, см, (не более 0,4 ширины фундамента);
Е, - модуль деформации /-го слоя, кПа;
и - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.
Для фундаментов возводимых в котлованах менее 5 м мы предлагаем учитывать структурную прочность грунта, модифицировать формулу (1)следующим образом:
где Р стр, г - структурная прочность грунта г'-го слоя.
При этом глубина сжимаемой толщи определяется с учетом структурной прочности грунтов.
Результаты лотковых экспериментов и натурных опытов, проведенные новочеркасской научной школой механики грунтов, описанные в главе 2 диссертации, подтверждают правильность утверждений автора, т.к. и в лотковом эксперименте и в натурном опыте мы получили завышенные значения расчетных осадок, определяемых по нормативному методу. Предложенная формула (2) позволит приблизить расчетную осадку к реальным значениям. Основой модернизации метода послойного суммирования явился учет структурной прочности грунта.
1. Расчет осадок зданий и сооружений может быть произведен только в рамках некоторой модели грунтового основания. Причинами выбора расчетной модели грунтового основания являются: физико-механические свойства грунтов, объем информации об инженерно-геологическом строении площадки строительства, размеры и назначение сооружения и др.
2. Определяющую роль в расчете осадки методом послойного суммирования играет правильный выбор глубины сжимаемой толщи. Эксперименты показывают, что в нормативном методе (СП 50-101-2004) расчета осадок глубина сжимаемой толщи завышена и в случае грунтов обладающих структурной прочностью и в случае песчаных оснований. Нормативная глубина сжимаемой толщи должна корректироваться в сторону уменьшения.
3. Полученные результаты исследований и разработанная региональная инженерно-геологическая классификация лессовых грунтов имеют важное практическое значение при проектировании оснований фундаментов зданий и сооружений.
4. Структурная прочность влияет на глубину сжимаемой толщи основания, на величину деформаций слоев грунта и, следовательно, должна быть учтена в методике расчета осадок фундаментов.
5. Использование модифицированного метода послойного суммирования позволит точнее определять осадки фундамента, решить проблему несоответствия вычисляемых и наблюдаемых значений осадок, что приведет к более рациональному проектированию оснований и фундаментов, к экономии строительных материалов и рабочего времени.
6. При проведении мероприятий устраняющих возможность замачивания грунтов под подошвой фундамента, предложенный метод позволит точнее прогнозировать осадки.
7. При локальном замачивании, полученный метод позволит точнее определять разность осадок (которая будет больше нормативной), следовательно, повысит надежность расчетов оснований сооружений.
Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих
публикациях: В изданиях, определенных ВАК:
1. Осипова, О.Н. О различии модулей деформации по компрессионным и штам-повым испытаниям / О.Н Осипова, В.П. Дыба, О.А. Богомолова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. - Волгоград: Изд-во ВолгГ АСУ, 2009. - Вып. 15(34).-С. 11-14.
2. Осипова, О.Н. Влияние структурной прочности грунтов на величину глубины сжимаемой толщи и осадку основания / О.Н. Осипова, В.П. Дыба, Ю.В. Га-лашев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ (НПИ), 2010. - № 5. - С.83-85.
Работы, опубликованные в других изданиях и журналах:
3. Осипова, О. Н. К выбору глубины сжимаемой толщи основания / О.Н. Осипова, В. П. Дыба, Ю. В. Галашев // Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2009) : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. - Нальчик : Изд-во Каб,-Балк. ун-та, 2009. - С. 406-411.
4. Осипова, О. Н. Сравнительный анализ нормативных осадок и осадок с учетом структурной прочности / О. Н Осипова, В. П. Дыба // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений : материалы IX Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 11 сент. 2009 г. - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2009.-С. 92-95.
5. Осипова, О. Н Осадки оснований фундаментов с учетом структурной прочности грунтов / О. Н Осипова, В. П. Дыба // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта "Доступное и комфортное жилье гражданам России": технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 15-16 дек. 2009 г, Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. - С. 216-219.
6. Осипова, О. Н Исследование влияния размеров фундамента на модуль деформации рассчитанный по нормативной формуле / О.Н Осипова, В.П. Дыба Ю.В. Галашев II Актуальные проблемы фундаментостроения на Юге России : материалы Рос. науч.-практ. конф., посвящ. памяти проф. Ю.Н. Мурзенко и А.П. Пшеничкина, 14-15 июля 2010 года, г. Новочеркасск. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2010.-С. 36-40.
7. Осипова, О. Н Некоторые вопросы нормативного расчета макропористых грунтовых оснований / О. Н Осипова, В. П. Дыба // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы V Междунар. науч.-техн. конф., Волгоград, 23-24 апреля 2009 г.: [в 3 ч.]. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. - Ч. III. - С. 185-188.
8. Осипова, О. Н Информационные технологии моделирования осадки фундаментной плиты учебного корпуса Адыгейского государственного университета в г. Майкопе / О.Н Осипова, М. Н. Шутова, Р. В. Овчинников // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений : материалы IX Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 11 сент. 2009 г. - Новочеркасск : ЮРГТУ : 2009. - С. 95-99.
9. Осипова, О.Н. Формула для расчета осадки методом послойного суммирования с учетом влияния структурной прочности грунтов. / О.Н. Осипова // Городские агломерации на оползневых территориях : материалы V Междунар. конф. по геотехнике, г. Волгоград, - 22-24 сент. 2010 г. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ : 2010.-С. 261-264.
Осипова Оксана Николаевна
ОСАДКИ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНОЙ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ
Подписано в печать 08.11.2010. Формат 60x84 '/|б. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 48-1068.
Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132