Розробка методик розрахунку осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви

Размещено на http://www.allbest.ru/

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури

УДК 624. 15

05.23.02 - підвалини та фундаменти

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка методик розрахунку осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви

Бородін Максим Олександрович

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури (ПДАБтаА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шаповал Володимир Григорович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри "Основи та фундаменти".

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Петренко Володимир Дмитрович, Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, завідувач кафедри "Тунелі, основи та фундаменти",

- кандидат технічних наук, доцент Винников Юрій Леонідович, Полтавський державний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, докторант кафедри "Основи та фундаменти".

Провідна установа:

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій (НДІБК), відділ основ та фундаментів, Держбуд України, м. Київ.

Захист відбудеться "28" лютого 2002 р. о "15-00" годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.085.01 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського 24а, к. 202.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ПДАБтаА: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського 24а.

Автореферат розісланий "18" лютого 2002р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Фундаменти із кільцевою формою підошви широко використовуються в Україні при будівництві висотних споруд баштового типу, таких як труби, радіотелевізійні башти, градирні, грануляційні і водонапірні башти, доменні печі і т. ін.

Незважаючи на широке використання фундаментів зазначеного типу, у нормативній літературі немає рекомендацій із розрахунку їхніх середніх осідань, а дослідження, присвячені проблемі прогнозу середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви, носять фрагментарний характер. Методи їх визначення, що рекомендуються, дуже громіздкі, незручні для практичного використання й у ряді випадків дають суттєву розбіжність із натурними даними. При цьому цілком відсутні вказівки з розрахунку середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви на основах, що характеризуються реологічними властивостями (тобто властивістю повзучості ґрунтового скелета і водонасичених).

Тому є необхідність у розробці нових зручних методик розрахунку осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви, які б враховували усі ці недоліки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась за науково-дослідною темою кафедри основ і фундаментів ПДАБтаА "Розробка ефективних будівельних конструкцій, розвиток теорії їхнього розрахунку, проектування і засобів виготовлення" і госпдоговірної НДР №315, що виконувалась згідно тематичного плану Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0101U 003602).

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень - розвиток наукових положень розрахунку стабілізованих осідань, а також таких, що протікають у часі, для фундаментів із кільцевою формою підошви.

Для досягнення мети вирішувались такі задачі.

Експериментальні дослідження особливостей розвитку осідань фундаментів із кільцевою формою підошви на модельному матеріалі і ґрунтовій основі.

Одержання теоретичних рішень про напружено-деформований стан за моделями лінійного пружного ізотропного, лінійного пружного ізотропного водонасиченого; лінійного спадково-пружного; лінійного спадково-пружного водонасиченого середовищ.

Розробка методики розрахунку стабілізованих (кінцевих) осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви, ідентичній використаної для цієї мети методики СНиП 2.02.01 - 83*.

Розробка методики розрахунку осідань, що протікають у часі, для фундаментів із кільцевою формою підошви на водонасиченій ґрунтовій основі, ґрунтовий скелет якого має властивість повзучості.

Об'єкт дослідження. Фундаменти із кільцевою формою підошви у взаємодії з основою.

Предмет дослідження. Закономірності розвитку осідань фундаментів із кільцевою формою підошви.

Методи дослідження. У роботі використані стандартні лабораторні методи дослідження розвитку осідань основ фундаментів, та визначення фізико-механічних властивостей матеріалів, які використовуються в якості основ, методи математичної статистики (для обробки результатів експерименту).

Аналітичні дослідження були проведені у рамках різноманітних моделей ґрунту методами одностороннього перетворення Лапласа, перетворення Ганкеля, чисельного інтегрування та знаходження точних рішень.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Одержані нові теоретичні рішення задачі напружено-деформованого стану ґрунтової основи фундаментів із кільцевою формою підошви в рамках моделі лінійного пружного ізотропного середовища, що враховують шаруватість основи і розподіл у плані і по глибині максимальних значень вертикальних нормальних напруг.

- Вперше отримані рішення в рамках моделей: лінійного пружного ізотропного водонасиченого середовища; лінійного спадково-пружного середовища; лінійного спадково-пружного водонасиченого середовища.

Практичне значення одержаних результатів.

На основі одержаних теоретичних рішень, підтверджених експериментальними даними, були розроблені методики:

- розрахунку стабілізованих середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви (по своїй формі вона ідентична прийнятим у СНиП 2.02.01-83* методикам розрахунку середніх осідань круглих і прямокутних фундаментів у рамках розрахункової схеми основи у вигляді лінійного ізотропного середовища, з умовним обмеженням стислої товщі);

- розрахунку середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви при урахуванні реологічних властивостей (фільтраційної консолідації і повзучості) ґрунтових основ.

Необхідно відзначити, що запропоновані методики розрахунку середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви були прийняті Державними проектними інститутами "Придніпровський Промбудпроект" та "Укрдіпромез" для особистого використання при проектуванні фундаментів із кільцевою формою підошви.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- виконано аналіз методів розрахунку фундаментів із кільцевою та суцільною формами підошви;

- проведені експериментальні випробування фундаментів із кільцевою, круглою та стрічковою формами підошви та зроблені відповідні виводи;

- проведені теоретичні дослідження та отримані рішення у рамках моделей лінійного пружного ізотропного, лінійного пружного ізотропного водонасиченого; лінійного спадково-пружного; лінійного спадково-пружного водонасиченого середовищ;

- розроблені методики розрахунку стабілізованих (кінцевих) осідань, а також таких, що протікають у часі, для фундаментів із кільцевою формою підошви.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи обговорювалися на: 4-й Українській науково-технічній конференції з механіки ґрунтів і фундаментобудування (Київ, 2000 р.); Українсько-польському семінарі (Дніпропетровськ, 2000 р.); Міжвузівському семінарі "Проблеми нелінійної механіки" (Дніпропетровськ, 2001 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано у виданнях, рекомендованих ВАК України, 9 робіт, в яких висвітлено основні положення виконаних досліджень. В опублікованих роботах, список яких слідує за загальними висновками, знайшли відображення такі положення дисертації. Так у спільних роботах [2, 4, 7, 9] здобувачу належать теоретичні дослідження осідань фундаментів із кільцевою формою підошви. У [3] проведене опрацювання експериментальних даних і порівняння з теоретичними. У [4, 5, 6, 7, 9] розроблена методика розрахунку осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви, аналогічної, приведеної в СНиП 2.02.01-83*. У одноособових роботах [1, 6, 8] висвітлена методика експериментальних досліджень та аналіз отриманих результатів.

СТРУКТУРА І ОБСЯГ ДИСЕРТАЦІЇ. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи - 113 стор. основного тексту, 56 рис., 8 табл. і додатки на 10 стор. Список використаних джерел включає 117 найменувань.

Основний зміст роботи

При виконанні дисертації використані і зроблені посилання на роботи: Ф.Н. Бородачова, С.С. Вялова, Б.Г. Гальоркіна, Н.М. Герсеванова, М.Н. Гольдштейна, М.І. Горбунова-Посадова, Б.І. Далматова, К.Е. Егорова, Ю.К. Зарецького, О.В. Зинов'єва, Д.М. Миловича, Л.Н. Репникова, С.Б. Ухова, К.М. Федотова, В.О. Флорина, Н.О. Цитовича, В.Г. Шаповала та ін.

У вступі сформульовані актуальність, мета, задачі, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, показаний особистий внесок здобувача та апробація роботи.

У першому розділі приведені результати аналітичного огляду робіт, присвячених прогнозу осідань фундаментів із кільцевою формою підошви, методикам їх визначення, реологічним процесам, що протікають у ґрунтових основах, і розрахунковим схемам ґрунту, прийнятим на даний час у нормах проектування.

На основі аналізу та стану досліджень зроблені наступні висновки:

Існуючі методи розрахунку осідань фундаментів із кільцевою формою підошви не зручні і громіздкі для використання при проектуванні таких фундаментів.

Існуючи наукові положення з розрахунку фундаментів із кільцевою формою підошви не враховують шаруватість основ і розподіл максимальних вертикальних напруг в плані та по глибині.

Найбільш придатною є модель лінійно-пружного ізотропного середовища, використаної при упорядкуванні нормативних документів.

Має місце проблема прогнозу середніх стабілізованих (кінцевих) осідань фундаментів із кільцевою формою підошви.

Має місце проблема прогнозу осідань, що протікають у часі (тобто проблема прогнозу зміни середніх осідань у часі) фундаментів із кільцевою формою підошви, розташованих на водонасиченій основі, ґрунтовий скелет якої має властивість повзучості.

У другому розділі викладені методики проведення і результати лабораторних досліджень осідань моделей фундаментів у просторовому лотку. У ході проведення досліджень переслідувалася мета виявити особливості поведінки основ фундаментів із кільцевою формою підошви під навантаженням. Через складність розв'язуваної задачі вона була розбита на три етапи.

Переслідувалася мета:

- на першому етапі виявити якісну картину процесу, використовуючи для експерименту модельну основу (поліуретан);

- на другому виявити особливості поведінки під навантаженням однорідних ґрунтових основ фундаментів із кільцевою формою підошви.

На третьому етапі аналогічні дослідження були виконані на шаровій ґрунтовій основі.

На другому і третьому етапах досліджень ставилася мета, крім якісної, виявити кількісну картину процесу.

Висота основ приймалася рівною

Н>4R,

де R - радіус круглого фундаменту. У цьому випадку додаткові напруги по підошві основи не перевищують 3% від середнього тиску під підошвою фундаменту. Ширина приймалась більш R/sin(/2). На такій відстані від центру осідання верхньої межі пружного напівпростору, на межі якого розташований абсолютно-жорсткий штамп, не перевищує 10% від осідання штампа.

У ході досліджень моделей фундаментів на поліуретановій основі товщиною 600 мм використано лоток циліндричної форми діаметром 504 мм і висотою 600 мм. Площі штампів дорівнювали 20 см². Діаметр круглого штампа складав 50 мм. Відношення внутрішнього діаметра кільцевого штампа d до зовнішнього D були прийняті 0,5 і 0,8 (у першому випадку D=60 мм і d=30 мм, а в другому D=85 мм, а d=68 мм). У ході випробувань реєструвалися осідання чотирьох точок штампа, розташованих по їхньому периметру.

Випробування однорідної грунтової основи здійснювалися в прямокутному лотку з розмірами 200х400х300мм, із товщиною випробовуваного шару, який дорівнює 280 мм.

На першому та другому етапах були проведені по три серії випробувань кожного зі штампів.

У ході проведення третього етапу досліджень прагнули виявити вплив шаруватої грунтової основи на процес його ущільнення під фундаментом із кільцевою формою підошви. Випробувана тришарова основа (1-й прошарок - суглинок, 2-й прошарок пісок, 3-й прошарок - суглинок). Товщина кожного з прошарків дорівнювала 200 мм. Для поширення вибірки експериментальних досліджень площа штампів була прийнята рівною 100 см², із такими розмірами:

при d/D=0 - d=0, D=112 мм;

при d/D=0,5 - d=65, D=130 мм;

d/D=0,8 - d=150, D=188 мм.

Додатково був випробуваний штамп моделі стрічкового фундаменту з площею підошви рівною площі підошви круглого і кільцевих штампів. Ширина моделі стрічкового фундаменту була прийнята рівною 30 мм при довжині L=333 мм.

Подальші дослідження були направлені на аналіз отриманих у ході експерименту даних. При цьому переслідувалася мета виявити, наскільки, за інших рівних умов (однакові площі підошви, фізико-механічні властивості основи, тиск під підошвою і т.д.), відрізняються середні осідання фундаментів із круглою і кільцевою формою підошви. Для зручності аналізу абсолютні осідання замінялися відносними.

На основі аналізу експериментальних досліджень зроблено висновок про те, що в однакових умовах осідання фундаментів із кільцевою формою підошви менші, ніж осідання фундаментів із круглою формою підошви.

Рис. 1. Залежність "середнє осідання - середній тиск", отримана в ході випробувань на поліуретановій основі

Рис. 2. Залежність "середнє осідання - середній тиск", отримана в ході випробувань однорідної піщаної основи



Рис. 3. Залежність "середнє осідань - середній тиск", отримана в ході випробувань тришарової основи

У третьому розділі подані матеріали теоретичних досліджень спрямовані на виявлення особливостей ущільнення основ фундаментів із кільцевою формою підошви.

У ході теоретичних досліджень в усіх випадках передбачалося, що фундамент є абсолютним-гнучким. Такий вибір обумовлений тим, що в нині діючих нормативних документах (СНиП 2.02.01-83*) прийняті розрахункові схеми абсолютно гнучких круглих, квадратних, прямокутних і стрічкових фундаментів.

Виконані дослідження умовно можна розбити на три взаємозалежні групи визначення напружено-деформованого стану системи "фундамент із кільцевою формою підошви - основа" для стабілізованого стану:

- у рамках моделі лінійного пружного ізотропного середовища;

- у рамках лінійного водонасиченого ізотропного середовища;

- у рамках лінійного водонасиченого спадково-пружного ізотропного середовища.

Задача досліджень була сформульована так. До межі лінійного пружного ізотропного водонасиченого напівпростору прикладене симетричне розподілене кільцеве навантаження інтенсивністю g. Менший радіус кільця дорівнює r , а більший - R (рис. 4).



Рис. 4. Схема навантаження основ фундаментів із кільцевою формою підошви

Визначення напружено-деформованого стану основи в рамках сформульованої вище постановки зводиться до рішення системи рівнянь виду.

де і G - константи Лямэ; - обертання; U і W - переміщення, відповідно в напрямку координатних вісей O і Oz ; zz , , - нормальна, а z - дотична напруга; С - коефіцієнт об'ємної консолідації, , , z - нормальні деформації, а z - деформації зсуву; e - об'ємні розширення; kk - кульовий тензор напруги; Р - поровий тиск, - коефіцієнт порового тиску, t - час, - оператор Лапласа.

Граничні умови мають вид:

Для того, щоб перейти до моделі неводонасиченої основи, необхідно в рішенні (1) покласти t=0 і P=0. При цьому для урахування повзучості грунту в (1) варто замінити пружні константи і G операторами виду

і , (3)

де R(t,) - резольвента ядра повзучості грунтового скелета.

Рішення (1) зручно в рамках моделі лінійного пружного ізотропного середовища уявити у вигляді бігармонійної функції Б.Г. Гальоркіна

, (4)

де А() і У() - деякі функції параметра , що визначаються з граничних умов (2).

Компоненти напруг і переміщень із використанням (4) необхідно визначати із формул

, ,

, (5)

, .

З урахуванням рівностей (2) і (5) осідання денної поверхні основи кільцевого фундаменту дорівнює

, (6)

де J1(x) - функція Бесселя першого порядку.

При цьому вертикальна нормальна напруга в точці з координатами (z, ) дорівнює

(7)

Вважаючи в (6,7) =0 ми приходимо до відомого рішення для навантаження, розподіленого по площі кола.

Подальші дослідження були направлені на необхідність з'ясувати, наскільки відрізняються середні осідання фундаментів із кільцевою формою підошви від осідань фундаментів із круглою формою підошви, а також виявити якісну картину процесу розвитку середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви на водонасиченій грунтовій основі.

Шляхом деяких перетворень були знайдені осідання основи S фундаментів із кільцевою формою підошви, віднесені до осідання фундаменту з підошвою круглої форми.

(8)

де r/R.

Розраховані згідно формули (8) залежності відносного осідання S від безрозмірного параметра r/R зведені в таблицю 1.

Таблиця 1.

Залежність відносного осідання фундаменту кільцевої форми від співвідношення його внутрішнього і зовнішнього радіусів

r/R	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
S()	1.00	0.99	0.97	0.94	0.90	0.86	0.76	0.72	0.63	0.50

Подані в таблиці 1 дані свідчать про те, що за інших рівних умов (тобто однакових властивостях основи, площі і середнього тиску під підошвою фундаменту) середнє осідання основи кільцевого фундаменту буде тим менше, чим більше відношення його внутрішнього радіуса до зовнішнього.

Отримано також точне рішення задачі про напружено-деформований стан водонасиченого (при урахуванні повзучості грунтового скелета основи) напівпростору, до межі якого прикладене розподілене по площі кільця змінне у часі навантаження інтенсивністю g(t).



;

; (9)

,

де g(t) - кільцеве навантаження, Ск - коефіцієнт об'ємної консолідації,; - обертання; і z - координати; і G - константи Лямэ, t - час, - параметр повзучості.

Окремим випадком розглянутої задачі є випадок постійного у часі навантаження (тобто g(t)=const) і фундаменту із круглою формою підошви.

Вважаючи в (9) K(t-)=0 приходимо до розрахункової схеми пружного ізотропного водонасиченого напівпростору, до межі якого прикладене розподілене по площі кільця змінне у часі навантаження інтенсивністю g(t). Вважаючи в (9) Ск= приходимо до розрахункової схеми спадково-пружного неводонасиченого напівпростору, до межі якого прикладене розподілене по площі кільця змінне у часі навантаження інтенсивністю g(t).

Отримані теоретичні рішення дозволили зробити висновок про те, що розподіл напруг у основі фундаментів із кільцевою формою підошви має кількісні та якісні відмінності від аналогічного в основі фундаментів із суцільною підошвою (тобто круглих, прямокутних і стрічкових). Тому для розрахунку їхніх середніх осідань варто використовувати методику розрахунку, що дозволила б врахувати відзначену специфіку напружено-деформованого стану основ фундаментів із кільцевою формою підошви.

У четвертому розділі викладені методики розрахунку середніх стабілізованих осідань і тих, що протікають у часі, фундаментів із кільцевою формою підошви. В основу першої методики покладено приведений у СНиП 2.02.01-83* алгоритм розрахунку.

1. Розрахунок вважається закінченим, якщо виконується умова S < Su, де Su граничне значення середнього осідання, яка встановлюється у відповідності п.п. 2.51...2.55 СНиП 2.02.01-83*, а S - максимальне значення середнього осідання основи будинку (споруди), що розраховується.

2. У необхідних випадках розрахунок середніх осідань проводити у часі.

3. Якщо основа будинку (споруди) у процесі будівництва не впливає на експлуатаційну придатність основи, то при визначенні осідання S їх допускається не враховувати.

4. Дана методика базується на розрахунковій схемі основи у вигляді основи, що лінійно деформується, з умовним обмеженням стислої товщі (п.2.40 СНиП 2.02.01-83*).

5. При розрахунку середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви обов'язково повинні виконуватися вимоги п.п.2.41...2.56 СНиП 2.02.01-83*.

6. Розрахунок осідання основи фундаменту з кільцевою формою підошви S із використанням розрахункової схеми напівпростору, що лінійно деформується, з умовним обмеженням товщі необхідно робити по формулі

, (10)

де =0,8 - безрозмірний коефіцієнт;

- zp,i - середнє значення додаткової вертикальної напруги zz у i-ому елементарному прошарку грунту (визначається як півсума діючих на цей прошарок напруг) на вертикалі, що проходить через центр підошви кільця (тобто на відстані (R-r)/2 від центру фундаменту);

- hi і Ei - відповідно товщина і модуль загальної деформації i-го елементарного прошарку;

- n - число елементарних прошарків, на які розбита грунтова товща в межах від підошви фундаменту до її умовної нижньої межі.

7. Якщо грунтові умови в плані і по глибині під підошвою фундаменту на різноманітних вертикалях, що проходять через центр підошви фундаменту, істотно відрізняються, середнє осідання необхідно розраховувати для вертикалей, на яких грунтові умови мають найбільшу різницю. При цьому в якості розрахункового вибирається осідання, що має найбільшу величину.

8. Якщо підошва фундаменту залягає на значній глибині, то при розрахунку середнього осідання необхідно враховувати підйом дна котловану унаслідок усування привантаження у вигляді вибраного грунту.

9. Додаткові напруги zp на розрахунковій вертикалі варто визначати по формулі

фундамент ґрунтовий осідання водонасичений

, (11)

Де

i - коефіцієнт загасання напруг по глибині z, прийнятий по таблиці, яка аналогічна приведеної в СНиП 2.02.01-83*, у залежності від співвідношення внутрішнього і зовнішнього радіусів =r/R і відносної глибини =2z/b;

- b=(R-r) -ширина підошви кільцевого фундаменту;

- р0 - додатковий тиск дорівнює

;

- р - середній тиск під підошвою фундаменту;

- 'II - середньозвішене значення питомої ваги грунту, що залягає вище підошви фундаменту;

- d - глибина закладення підошви кільцевого фундаменту.

Суть методики розрахунку середніх осідань, що протікають у часі, полягає в такому.

1. Середні осідання, що протікають у часі, варто класифікувати як осідання обумовлені фільтраційною консолідацією і повзучістю грунтового скелета , а також їхньою суперпозицією .

2. Середні осідання, що протікають у часі, обумовлені фільтраційною консолідацією необхідно визначати по формулі

, (12)

де S - стабілізовані осідання (методика їхнього розрахунку приведена вище), а (t) - безрозмірний коефіцієнт, чисельно рівний відношенню середніх осідань, що протікають у часі, і стабілізованих у момент часу t у залежності від відношення внутрішнього радіуса фундаменту до зовнішнього r/R і значення коефіцієнта Пуансона основи.

3. Обумовлені повзучістю грунтового скелета осідання, що протікають у часі, необхідно визначати по формулі

, (13)

де - значення осідання, що протікає у часі, у момент часу t; K(t-) - ядро повзучості грунтового скелету; tэ - час експлуатації будинку (споруди), - параметр повзучості.

6. Ядра повзучості K(t-) варто приймати у виді

або (14)

де n - число членів складового ядра повзучості, i і 1i - параметри повзучості.

7. Осідання, що протікають у часі, обумовлені спільним впливом процесів повзучості і фільтрації, варто визначати за формулою

, (15)

де параметр (t) визначається відповідно до вимог п. 2.

Проведені подальші перевірки розроблених методик розрахунку середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви на адекватність випробуванням показали, що розраховані значення мають задовільну відповідність з отриманими при випробуваннях.

Використовуючи розроблені методики розрахунку осідань фундаментів із кільцевою формою підошви, були розраховані реальні кільцеві фундаменти грануляційних башт.

Отримані осідання склали 118% від натурних осідань реальних фундаментів.

Загальні висновки

Виконані дослідження дозволили в цілому зробити такі висновки.

В роботі отримані нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності вирішують актуальну задачу розрахунку середніх осідань фундаментів із кільцевою формою підошви, що дозволяє, використовуючи розроблені наукові положення, підвищити ефективність запровадження таких фундаментів в 1,5 рази.

Отримані нові теоретичні рішення задачі про напружено-деформований стан ґрунтової основи фундаментів із кільцевою формою підошви в рамках моделі лінійного пружного ізотропного середовища, що враховують шаруватість основи і розподіл у плані і по глибині максимальних значень вертикальних нормальних напруг.

Вперше отримані теоретичні рішення в рамках моделей: лінійного пружного ізотропного водонасиченого середовища; лінійного спадково-пружного середовища; лінійного спадково-пружного водонасиченого середовищ, які враховують роботу водонасичених основ, завантажених по кільцю, що володіють властивістю повзучості.

Експериментальним шляхом при використанні різноманітних матеріалів у якості основи (поліуретан, піщаний і глинистий ґрунти, ґрунтова товща, що включає в себе прошарки глинистого і піщаного ґрунту) встановлено, що за інших рівних умов (однакові площі підошви, фізико-механічні властивості основи, тиск під підошвою і т.д.):

- середні осідання стрічкових фундаментів в 4-5 разів більші, ніж середні осідання фундаментів із круглою формою підошви, при цьому середні осідання фундаментів із круглою формою підошви більші на 20-50%, ніж середні осідання фундаментів із кільцевою формою підошви (у залежності від відношення внутрішнього радіуса каблучки до зовнішнього на інтервалі 0<r/R<0,9);

- осідання фундаментів із кільцевою формою підошви, при відношенні внутрішнього радіуса r до зовнішнього R, яке дорівнює 0,5, на 5-15% менші, ніж осідання фундаментів із кільцевою формою підошви при r/R=0,1, а при r/R=0,85 осідання менші на 40-60%, ніж при r/R=0,1.

Аналіз матеріалів теоретичних досліджень показав, що для фундаментів із кільцевою формою підошви, при зростанні глибини, має місце зсув максимальних значень напруг від вертикалі, що проходить через центр підошви фундаменту, до центру концентричних округлень, що описуються внутрішнім r і зовнішнім R радіусами фундаменту, причому координата екстремума може перебувати за межами завантаженої області.

Доведено, що середні осідання фундаментів із кільцевою формою підошви при збільшенні відношення внутрішнього r радіуса кільця до зовнішнього R від 0,1 до 0,9 зменшуються до 50% при r/R=0,9.

Показано, що чим менше відношення внутрішнього і зовнішнього радіусів, тим швидше завершується процес фільтраційної консолідації основ фундаментів із кільцевою формою підошви.

Доведено, що найбільш економічними є конструкції фундаментів із кільцевою формою підошви при значеннях r/R, що знаходяться на інтервалі від 0,7 до 0,9. Середні осідання фундаментів із кільцевою формою підошви на цьому інтервалі на 30-50% менші, ніж осідання із круглою формою підошви.

На основі отриманих теоретичних рішень, підтверджених експериментальними даними, розроблені методики розрахунку:

- стабілізованих середніх осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви. По формі вона ідентична, прийнятим у СНиП 2.02.01-83*, методикам розрахунку середніх осідань круглих і прямокутних фундаментів у рамках розрахункової схеми основи у виді лінійного ізотропного середовища з умовним обмеженням товщини стислої товщі. Запропонована таблиця розподілу вертикальної нормальної напруги по глибині складена для діапазону значень r/R від 0,1 до 0,95.

- осідань, що протікають у часі, для фундаментів із кільцевою формою підошви при урахуванні реологічних властивостей (фільтраційної консолідації і повзучості) грунтових основ. Складено таблицю значень безрозмірного коефіцієнта, що залежить від часу для діапазону r/R від 0,1 до 0,9 і коефіцієнта Пуансона.

Результати досліджень прийняті у практику проектування.

Основні положення дисертації опубліковані у таких роботах

1. Бородин М.А. Методика исследования осадки моделей кольцевых фундаментов, нагруженных центральной внешней нагрузкой, при расчетной схеме упругого полупространства // Сб. научных трудов ПГАСА. - Днепропетровск: ПГАСА. - 1997. - Вып. 2. - Ч. 1. - С. 4-6.

2. Швец В.Б., Шаповал В.Г., Бородин М.А., Улитина Ю.Ю. К вопросу выбора фундамента рациональной формы // Сб. научных трудов ПГАСА. - Днепропетровск: ПГАСА. - 1997. - Вып. 2. - Ч. 1. - С. 35-38. (внесок здобувача - теоретичне дослідження осідань фундаментів із кільцевою формою підошви).

3. Бородин М.А., Шаповал В.Г. Экспериментальное исследование деформаций оснований кольцевых штампов при расчетной схеме упругого полупространства // Сб. научных трудов ПГАСА. - Днепропетровск: ПГАСА. - 1998. - Вып. 5. - Ч. 1. - С. 13-17. (внесок здобувача - аналіз експериментальних даних випробувань на модельній та грунтових основах).

4. Бородин М.А., Шаповал В.Г. К вопросу взаимодействия основания и кольцевых фундаментов // Теоретичні основи будівництва, - Дніпропетровськ: ПГАСА. - 2000. - №8 - С. 410-412. (внесок здобувача - розробка методики розрахунку осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви).

5.Бородин М.А., Шаповал В.Г., Захваткин М.П. К расчету стабилизированных осадок кольцевых фундаментов // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: Gaudeamus. - 2000. - №9. - С. 18-24. (внесок здобувача - аналіз НДС основ фундаментів із кільцевою формою підошви, розробка методики розрахунку осіданнь для фундаментів із кільцевою формою підошви).

6. Бородин М.А. Методика экспериментального исследования осадок оснований кольцевых фундаментов, нагруженных центральной внешней нагрузкой // Будівельні конструкції. Межвідомчий збірник "Механіка грунтів та фундаментобудування". Зб. наук. праць - Київ: НДІБК. - 2000. - Вып. 53. - Ч.1. - С. 343-347.

7. Бородин М.А., Шаповал В.Г., Швец В.Б. Особенности работы оснований кольцевых фундаментов // Будівельні конструкції. Межвідомчий збірник "Механіка грунтів та фундаментобудування". Зб. наук. праць - Київ: НДІБК. - 2000. - Вып. 53. - Ч. 1. - С. 347-354. (внесок здобувача - аналіз НДС основ фундаментів із кільцевою формою підошви, розробка методики розрахунку осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви).

8. Бородин М.А. Исследование взаимодействия основания и кольцевых фундаментов // Зб. наукових праць ДДТУЗТ (ДИИТ). Будівництво. - Дніпропетровськ: Нова ідеологія. - 2000. - Вып. 8. - С. 276-279.

9. Бородин М.А., Шаповал В.Г., Швец В.Б. Исследование осадок основания кольцевых фундаментов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - Москва. - 2001. - №1. - С. 12-16. (внесок здобувача - аналіз НДС основ фундаментів із кільцевою формою підошви, розробка методики розрахунку осіданнь для фундаментів із кільцевою формою підошви).

Аннотация

Бородин М.А. Разработка методик расчета осадок для фундаментов с кольцевой формой подошвы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.02 - основания и фундаменты. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, 2002.

Работа посвящена изучению напряженно-деформированного состояния (НДС) основания фундаментов с кольцевой формой подошвы и разработке методики расчета стабилизированных и текущих во времени осадок таких фундаментов.

Существующие в научной литературе (в СНиП вообще отсутствуют методы расчета) не отображают реальную картину деформаций. Решение поставленной задачи осуществлялось экспериментально-теоретическим путем.

Экспериментальное исследование выполнено в три этапа: на модельном материале (полиуриетан), на песчаном и на трехслойном основаниях. Использовались штампы площадью 20 см² (на первых двух этапах) и 100 см² (третий этап). При одинаковых прочих условиях варьировались только параметры кольца - r/R=0, r/R=0,5, r/R=0,8. Примененная методика позволила изучить особенности уплотнения различных оснований фундаментов с кольцевой формой подошвы.

Экспериментальным путем при использовании различных материалов в качестве основания (полиуретан, песчаный и глинистый грунты, грунтовая толща, включающая в себя слои глинистого и песчаного грунта) показано, что при прочих равных условиях (одинаковые площади подошвы, физико-механические свойства основания, давление под подошвой и т.д.):

- средние осадки ленточных фундаментов в 4-5 раз больше, чем средние осадки фундаментов с круглой формой подошвы, при этом средние осадки фундаментов с круглой формой подошвы на 20-50 % больше, чем средние осадки фундаментов с кольцевой формой подошвы.

- осадки фундаментов с кольцевой формой подошвы тем меньше, чем больше отношение их внутреннего радиуса r к наружному R.

В рамках теории упругости определены напряжения и деформации основания фундаментов с кольцевой формой подошвы. Получено точное решение задачи о напряженно-деформированном состоянии грунтового основания в рамках модели линейной упругой изотропной среды. Получены точные решения задачи о напряженно-деформированном состоянии грунтового основания в рамках: модели линейной упругой водонасыщенной изотропной среды; модели наследственно упругой изотропной среды; модели водонасыщенной наследственно-упругой изотропной среды.

Анализ НДС грунтового основания фундаментов с круглой и кольцевой формой подошвы в рамках модели линейной упругой изотропной среды позволили нам сделать такие выводы: средние осадки фундаментов с кольцевой формой подошвы отличаются тем более, чем ближе к единице отношение их внутреннего радиуса к наружному; распределение нормальных вертикальных напряжений zz в плане и по глубине существенно зависит от параметра =r/R.

Анализ НДС водонасыщенных грунтовых оснований, в частности, позволил сделать выводы о том, что чем выше значение коэффициента Пуассона грунтового скелета и ближе к нулю значение =r/R, тем быстрее завершается процесс фильтрационной консолидации.

Анализ материалов теоретических исследований показал, что качественная картина распределения вертикальных нормальных напряжений в основании фундаментов с кольцевой формой подошвы существенно отличается от аналогичной для сплошных круглых фундаментов. Так для кольцевых при возрастании глубины имеет место смещение максимальных значений напряжений от проходящей через центр подошвы фундамента вертикали к центру концентрических окружностей, описываемых внутренним r и наружным R радиусами фундамента, причем координата экстремума может находиться за пределами загруженной области.

На основании экспериментальных и теоретических исследований разработаны методики расчета стабилизированных средних осадок фундаментов с кольцевой формой подошвы. По своей форме она идентична, принятым в СНиП 2.02.01-83* , методикам расчета средних осадок круглых и прямоугольных фундаментов. Даны практические рекомендации по расчету стабилизированных и текущих во времени осадок фундаментов с кольцевой формой подошвы.

Ключевые слова: фундамент с кольцевой формой подошвы, напряженно-деформированное состояние, средняя стабилизированная и текущая во времени осадки, модель водонасыщенной наследственно-упругой изотропной среды.

Анотація

Бородін М.О. Розробка методик розрахунку осідань для фундаментів із кільцевою формою підошви. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.23.02 - підвалини та фундаменти. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2002.

Робота присвячена вивченню напружено-деформованого стану (НДС) фундаментів із кільцевою формою підошви і розробці методик розрахунку стабілізованих осідань і тих, що протікають у часі, таких фундаментів.

Експериментальне дослідження виконане в три етапи: на модельному матеріалі, на піщаній та тришаровій основі. При однакових інших умовах варіювалися тільки параметри кільця r/R.

У рамках теорії пругкості визначені напруги і деформації основ фундаментів із кільцевою формою підошви. Отримано точне рішення задачі про напружено-деформований стан грунтової основи в рамках моделі лінійного пругкого ізотропного середовища. Отримані точні рішення задачі про напружено-деформований стан грунтової основи в рамках: моделі лінійного пругкого водонасиченого ізотропного; моделі спадково пругкого ізотропного та моделі водонасиченого спадково-пругкого ізотропного середовищ.

Аналіз дозволив нам зробити висновки.

На підставі експериментальних і теоретичних досліджень були видані практичні рекомендації з розрахунку стабілізованих осідань і тих, що протікають у часі, фундаментів із кільцевою формою підошви.

Ключові слова: фундамент із кільцевою формою підошви, зовнішнє навантаження, напружено-деформований стан, напруга, середні осідання, реологічні процеси.

Summary

Borodin M.А. Development of techniques of account of settlings for the foundations with the ring form of sole. - Manuscript.

Thesis for Degree of Candidate of Technical Science, speciality 05.23.02 - footings and foundations. - State academy of Civil Engineering and Architecture. Dnipropetrovsk City, 2002.

This scientific work is devoted to studing of stress-deformed state (SDS) of foundations` bases with the ring form of a sole and development of technique of account of the settlings stabilized and flowing in time of such foundations. The present time metods in the scientific literature (generally in building norms there are no such of account) don`t reflex a real picture of deformations. The solution of given task was carried out by experimental - theoretical way.

The experimental research is carried out in three stages: on a model material, on a sandy and on triple layer footings.

Within the of theory of elasticity there are defined the strains and deformations of foundations` bases with the ring form of sole.

On the base of experimental and theoretical researches there are developed some methods of account of foundations of stabilized average settlements with the ring form of sole.

Its form is similar of the accepted in Building norm and rules 2.02.01-83* methods of account of average settlements of round and rectangular foundations. Practical recommendations are given here on the account of stabilized and flowing in time settlements for the foundations with the ring form of sole.

Key word: foundations with the ring form of sole, stress-deformed state, average settlements, models of absorptive water hereditary isotropic medium.

Размещено на Allbest.ru