Закономерности взаимодействия с основанием и расчет осадки двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Закономерности взаимодействия с основанием и расчет осадки двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения

Общая характеристика работы

двухщелевой фундамент инженерный

Актуальность темы. Двухщелевые фундаменты, выполняемые в предварительно прорезанных параллельных щелях без крепления их стенок на глубину не более 3 м, являются одним из эффективных видов фундаментов мелкого заложения.

Применение двухщелевых ленточных фундаментов целесообразно и экономически эффективно при строительстве зданий до 5-6-ти этажей с несущими стенами на неводонасыщенных глинистых грунтах, а также пылеватых и мелких песках.

По опыту отечественного и зарубежного строительства преимущество двухщелевых фундаментов заключается в технологичности их устройства, и по сравнению с традиционными конструкциями фундаментов мелкого заложения, обеспечивает снижение объема земляных работ, расхода бетона, арматурной стали, стоимости и трудоемкости до 2-5 раз, а также сокращение сроков выполнения работ нулевого цикла в 1,5-2 раза.

Несмотря на экономичность данных конструкций фундаментов, объем и опыт применения двухщелевых фундаментов мелкого заложения до настоящего времени остаются небольшими. Основные причины состоят в недостаточной изученности взаимодействия двухщелевых фундаментов с грунтом основания и отсутствии достоверных методов их расчета. В связи с этим разработка инженерного расчета двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения является актуальной задачей, которая позволит увеличить объемы их применения в строительстве.

Целью диссертационной работы является исследование взаимодействия двухщелевых фундаментов мелкого заложения с различными видами грунтов основания и параметрами фундаментов, и разработка инженерного метода расчета этих фундаментов по второму предельному состоянию.

Научная новизна выполненной диссертационной работы заключается в следующем:

- установлено распределение долей нагрузки N, действующей на фундамент, приходящихся на подошву стенок, боковые поверхности и грунтовое ядро, расположенное между стенками, а также их зависимость от величин осадок фундамента, расстояний между стенками и их высоты;

- выявлено, что основание двухщелевых фундаментов следует рассматривать двухслойным, состоящим из верхнего слоя грунта в пределах высоты стенок и нижнего, залегающего под их подошвами;

- получено расчетное распределение нагрузок и вертикальных напряжений, действующих по подошве низкого ростверка и условного фундамента шириной B;

- установлено влияние удельного сцепления глинистых грунтов на нагрузки и осадки двухщелевых фундаментов.

Практическое значение диссертационной работы заключается в разработке расчетных схем взаимодействия двухщелевых фундаментов мелкого заложения с грунтом основания и инженерного метода их расчета по деформациям, основанного на экспериментально установленных и подтвержденных численным моделированием научных результатах.

Использование предложенного метода расчета, а также разработанной на его основе программы расчета на ЭВМ позволят увеличить объем применения двухщелевых фундаментов в практике строительства.

Результаты работы использованы при проектировании и внедрении щелевых фундаментов для жилого дома по ул. Наметкина в г. Москве и складского комплекса в г. Видное Московской области, и включены в разрабатываемые НИИОСПом в 2006-2007 гг. «Рекомендации по расчету двухщелевых фундаментов мелкого заложения».

Апробация работы. Полученные результаты работы докладывались на совместном заседании лабораторий НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.

Публикации. По материалам, приведенным в диссертации, опубликовано 2 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов, 1-го приложения и содержит 164 страницы, включающих 88 страниц основного текста, 66 рисунков, 12 таблиц, 70 наименований использованной литературы и 8 страниц приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводятся обзор и анализ состояния вопроса. Установлены особенности двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения, выполнен анализ результатов экспериментальных исследований и существующих методов расчета.

Отмечено, что двухщелевые фундаменты мелкого заложения в нашей стране начали исследоваться и применяться с 80-х годов прошлого века благодаря работам О.В. Бытуценко, В.Д. Иванова, К.П. Кацова, П.А. Коновалова, В.В. Павлова, Е.М. Перлея, В.Г. Пивеня, В.Ф. Раюка, Р.Г. Ревазишвили, Е.А. Сорочана, Л.Н. Теренецкого, В.К. Ярутина и др.

Проведенные экспериментальные исследования выявили высокую экономическую эффективность применения двухщелевых фундаментов и некоторые особенности их взаимодействия с грунтом основания, главные из которых состоят в том, что:

- нагрузки, передаваемые на двухщелевой фундамент, зависят от вида грунта, расстояния между стенками b, их высоты d, толщины д и расположения ростверка;

- в песчаных грунтах при увеличении расстояния между стенками, нагрузки, передаваемые на фундамент, возрастают до максимального значения, а затем снижаются и становятся независимыми от расстояния между стенками b;

- заключенное между стенками грунтовое ядро и грунт за пределами стенок можно рассматривать как часть фундамента на естественном основании глубиной d;

Из существующих методов расчета двухщелевых фундаментов мелкого заложения, следует отметить предложенный Р.Г. Ревазишвили и Е.А. Сорочаном. Расчет основан на решении задачи Мелана о действии сосредоточенной силы, приложенной вблизи границы полупространства, и некоторых результатах экспериментальных исследований. Данный расчет учитывает работу двухщелевого фундамента с основанием ниже подошв стенок. Однако, трудоемкость решения уравнений для получения напряжений, действующих в основании условного фундамента, и необходимость экспериментального определения коэффициентов, требуют дальнейшего совершенствования и доработки этого метода для проектирования.

Анализ результатов ранее выполненных экспериментальных работ по двухщелевым ленточным фундаментам мелкого заложения показал, что они могут служить достаточной основой для более детального исследования взаимодействия двухщелевых фундаментов с грунтом основания и разработки инженерного метода их расчета по деформациям.

Вторая глава посвящена исследованию взаимодействия двухщелевых фундаментов с грунтом основания путем дополнительного анализа результатов лотковых и полевых испытаний, выполненных НИИОСПом в 80-х годах прошлого века.

Лотковые испытания двухщелевых фундаментов проводились В.Г. Ревазишвили, Е.А. Сорочаном и Л.Н. Теренецким в плотных песках средней крупности со стенками толщиной 0,1 м, высотой 0,5 и 1,5 м, объединенных высоким и низким ростверками.

За основу исследования приняты экспериментально полученные зависимости нагрузок N, передаваемых на двухщелевой фундамент с высоким и низким ростверками, от расстояния между стенками b при равной величине осадки (рис. 1).



Рис. 1. График зависимости нагрузки N на фрагменты двухщелевых фундаментов от расстояния между стенками b при осадке 5 мм: 1,3 - с высоким ростверком при d=1,5 м и d=0,5 м; 2,4 - то же, с низким ростверком. Пунктиром обозначены кривые 1-4, полученные по экстраполяции до значения b=0

Для выполнения анализа графики были дополнены экстраполирующими кривыми до значения b=0, при которых двухщелевой фундамент рассматривается как однощелевой с шириной подошвы 2д. Это позволило рассмотреть три схемы работы двухщелевого фундамента с основанием:

- однощелевой фундамент из двух спаренных стенок, на который действуют минимальные нагрузки N_min;

- двухщелевой фундамент с оптимальными расстояниями между стенками, который воспринимает максимальные нагрузки N_max;

- двухщелевой фундамент с расстоянием между стенками, при котором отсутствует взаимное влияние одной стенки на другую, на который действуют суммарные нагрузки N_mid.

Применение подобной схемы рассмотрения двухщелевых фундаментов и передаваемых на них нагрузок выявило следующие закономерности работы двухщелевых фундаментов с высоким и низким ростверками (табл. 1):

Таблица 1

При высоте стенки d, м	Максимальная нагрузка на фундамент	Нагрузки, передаваемые на основание отдельными элементами двухщелевого фундамента в песчаных грунтах
	При высоком ростверке Nmax, кН	При низком ростверке Nmax, кН	При высоком ростверке	При низком ростверке
			Подошвами стенок Nt, кН	Боковой поверхностью стенок, Nf, кН	Грунтовым ядром Nj, кН	Подошвами стенок Nt, кН	Боковой поверхностью стенок, Nf, кН	Грунтовым ядром Nj, кН
При осадке s=2 мм
1,5	400	470	0/0	220/0,55	180/0,45	0/0	220/0,47	250/0,53
0,5	265	320	0/0	110/0,41	160/0,59	0/0	110/0,35	210/0,65
При осадке s=3 мм
1,5	455	560	100/0,22	200/0,44	155/0,34	100/0,18	200/0,36	260/0,46
0,5	315	370	30/0,1	140/0,44	145/0,46	30/0,08	140/0,38	200/0,54
При осадке s=4 мм
1,5	505	600	155/0,31	210/0,41	140/0,28	155/0,26	210/0,34	235/0,4
0,5	370	440	75/0,2	150/0,41	145/0,39	75/0,17	150/0,34	215/0,49
При осадке s=5 мм
1,5	565	640	220/0,39	200/0,35	145/0,26	220/0,34	200/0,31	220/0,35
0,5	445	490	140/0,31	160/0,36	145/0,33	140/0,28	160/0,33	190/0,39

- зависимости осадок s двухщелевых фундаментов с высоким и низким ростверками от минимальных N_min, максимальных N_max и суммарных N_mid нагрузок имеют линейный характер в пределах изменения осадок от 2-х до 5-ти мм;

- распределение нагрузок, передаваемых подошвами стенок N_t, боковыми поверхностями N_f и грунтовым ядром N_j, существенно зависит от величин осадок фундаментов, при которых они определяются. При осадках до 2-3 мм подошвы стенок практически не участвуют в работе фундаментов, и вся нагрузка воспринимается грунтом от сил трения по боковой поверхности и грунтовым ядром. С увеличением осадки до 5 мм, доли нагрузки, приходящиеся на подошву стенок, возрастают до 0,34-0,39, а на боковую поверхность и грунтовое ядро, соответственно, снижаются;

- за счет включения в работу низкого ростверка происходит увеличение доли нагрузки, передаваемой грунтовым ядром N_j, по сравнению с работой фундамента при высоком расположении ростверка c 0,26 до 0,39;

- среднее равномерно-распределенное давление по подошве стенок р_t существенно зависит от величины осадок фундаментов s, и при их увеличении от 2 до 5 мм среднее давление возрастает от 0 до 470 и 730 кПа, соответственно, для фундаментов с высотой стенки 0,5 м и 1,5 м;

- средние равномерно-распределенные давления по подошве грунтового ядра р_j на глубине заложения стенок d оказываются независимыми от их высоты и величин осадок s, при которых определяется нагрузка на фундаменты и изменяются только от расположения ростверка;

- высота стенок наибольшее влияние оказывает на доли нагрузки, приходящиеся на их подошву и грунтовое ядро. С увеличением высоты стенок с 0,5 до 1,5 м, доля нагрузки, передаваемая их подошвами, при осадках 3-5 мм возрастает в 1,3-2 раза, а по подошве грунтового ядра, наоборот, снижается в 1,15-1,3 раза;

- оптимальное расстояние между стенками b, при котором на двухщелевой фундамент передаются наибольшие величины нагрузок N, для фундаментов с высоким ростверком составляет 0,3-0,7 м, а с низким 0,4-0,8 м.

Изложенные положения показывают, что при нагружении двухщелевых фундаментов с высоким и низким ростверками в песчаных грунтах вначале происходит сжатие слоя грунта в пределах высоты стенок d, с последующим включением в работу ниже расположенных грунтов. Таким образом, песчаное основание двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения следует рассматривать двухслойным, состоящим из верхнего слоя грунта в пределах высоты стенок d, и нижнего, залегающего под их подошвой.

Полевые испытания двухщелевых фундаментов проводились О.В. Бытуценко, Е.А. Сорочаном, В.К. Ярутиным на полигоне в г. Кишиневе. В основании фундаментов залегали суглинки и супеси со средним модулем деформации 14 МПа. Испытывались фундаменты с низким ростверком, высотой стенок 0,8 и 1,2 м, толщиной 0,1 м и расстоянием между стенками 0,3, 0,6, 0,9 м.

По результатам дополнительного анализа полевых исследований выявлено следующее:

- на криволинейных участках зависимостей осадок s от нагрузок N отмечаются точки интенсивного прироста осадок, позволяющие криволинейные зависимости s=f(N) подразделять на два практически линейных участка;

- по мере увеличения расстояния между стенками b, нагрузка N на двухщелевые фундаменты при равных величинах осадок фундаментов (s=3, 5, 6 мм) возрастает (рис. 2). Снижения передаваемой на фундамент нагрузки при увеличении расстояния между стенками b, как это отмечалось для песчаных грунтов, не происходит;

Рис. 2. График зависимости нагрузки N от расстояния между стенками b на фрагменты двухщелевых фундаментов с низким ростверком и высотой стенки 1,2 м при осадках: 1-при осадке 3 мм, 2 - 5 мм, 3 - 6 мм

- на начальных этапах передачи вертикальной нагрузки на фундамент и осадке до 2-х мм, вне зависимости от наличия или отсутствия разрыхленного грунта на дне щелей, нагрузка по подошвам стенок двухщелевых фундаментов не передается.

Отмеченные основные положения, как и выводы, полученные по результатам дополнительного анализа по работе двухщелевых фундаментов в песчаных грунтах, показывают, что и для глинистых грунтов основание двухщелевых фундаментов также следует рассматривать двухслойным.

Третья глава посвящена исследованию взаимодействия двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения с грунтом основания численным моделированием методом конечных элементов. Целью исследования было дополнение результатов экспериментальных работ за счет расширения видов грунтов основания и параметров двухщелевых фундаментов. Моделирование выполнялось по программе PLAXIS в постановке плоской задачи. Использовалась упруго-пластическая модель Кулона-Мора.

Исследования выполнялись для двух видов песков, супесей, суглинков и одного вида глин. Геометрические параметры двухщелевых фундаментов изменялись в следующих пределах: высота стенок 0,5-2,5 м, расстояние между стенками 0-4 м, толщина стенок 0,1-0,3 м, высокий и низкий ростверки. Нагрузка N, передаваемая на фундамент, увеличивалась с 50 до 700 кН/п.м. Всего было просчитано более 1200 вариантов с получением зависимости s=f(N).

По полученным данным выявлено, что общий характер смещения узлов сетки конечных элементов, вертикальных деформаций и главных напряжений зависит от вида грунта, его деформационно-прочностных характеристик, основных параметров фундаментов и расположения ростверка.

В песчаных грунтах по мере повышения нагрузок на фундаменты, зависимость s=f(N) приближается к линейной, а в пылевато-глинистых грунтах на криволинейных участках зависимостей осадок от нагрузок отмечаются точки интенсивного прироста осадок. При этом с увеличением удельного сцепления с глинистого грунта повышается величина нагрузки , действующая на фундамент, при которой график s=f(N) достигает предела пропорциональности (рис. 3).

Установлено, что осадки фундаментов зависят не только от сжимаемости грунтов, но и от их видов, и минимальные значения осадок получены не в песках с наибольшим модулем деформации 30 МПа, а в глинах с модулем деформации 18 МПа, т.е. расчетные величины осадок существенно зависят от удельного сцепления грунтов с (Рис. 4). При этом угол внутреннего трения грунтов ц не оказывает влияния на осадки фундаментов.

Рис. 3. График зависимости нагрузок N, при которых происходит перелом кривых s=f(N) от удельного сцепления с при глубине стенок d=0,5 м (1 и 3), d=1,5 м (2 и 4); расстоянии между стенками b=0,2 (3 и 4), b=0,4 м (1 и 2)

Рис. 4. Графики зависимости нагрузок и осадок на двухщелевые фундаменты с высоким ростверком и толщиной стенок д=0,1 м, расстоянием между стенками b=0,4 м при различных видах и значениях модулей деформации Е и удельного сцепления с грунтов

1 и 2 при d=0,5 м и s=10 и 20 мм; 3 и 4 при d=1,5 м и s=10 и 20 мм; 5 и 6 при d=0,5 м и N=100 и 200 кН/м; 7 и 8 при d=1,5 м и N=100 и 200 кН/м

Анализ влияния основных параметров двухщелевых фундаментов на их осадки и нагрузки показал, что:

- осадки двухщелевых фундаментов превышают осадки однощелевых с шириной подошвы фундамента b+2д в песчаных грунтах до 1,5 раза, а в пылевато-глинистых грунтах их осадки практически совпадают (рис. 5);

- осадки фундаментов наиболее существенно зависят от расстояния между стенками b. Причем наибольшее влияние расстояния между стенками на осадки и нагрузки проявляется в интервале 0-0,6 м (рис. 5);

Рис. 5. Графики зависимости осадок s от расстояния между стенками b двухщелевых (1-3) и однощелевых фундаментов (1`-3`) шириной B=b+2д при нагрузке N= 200кН/м в песках (1 и 1`), супесях (2 и 2`) и глинах (3 и 3`)

- нагрузки на двухщелевые фундаменты с высоким ростверком с увеличением расстояния между стенками b для всех видов грунтов до определенного предела повышения значения b возрастают, а затем после достижения максимального значения N_max снижаются. В частности, для песков максимальные значения N_max при осадках s=5 и s=10-20 мм достигаются при расстоянии между стенками, соответственно, равными 0,8 и 1,6 м. В пылевато-глинистых грунтах максимальные нагрузки N_max достигаются при более высоких значениях b, равных 2-4 м;

- осадки фундаментов незначительно зависят от толщины стенок д и с увеличением от 0,1 до 0,3 м, снижаются в 1,1-1,3 раза;

- наиболее существенное снижение осадок фундаментов наблюдается за счет увеличения высоты стенок d, с возрастанием от 0,5 до 1,5 м, осадки снижаются в песках и в супесях в 1,3-1,5 раза, а в глинах до 1,7-2 раза;

- расположение ростверка оказывает наибольшее влияние на осадки двухщелевых фундаментов в песках, существенно в меньшей степени в супесях, суглинках и практически не сказывается в глинах. В песчаных грунтах при расстояниях между стенками до 0,4 м осадки двухщелевых фундаментов с высоким и низким ростверками оказываются практически одинаковыми. С увеличением расстояния между стенками до 1,6 м осадки фундаментов с низким ростверком по сравнению с высоким снижаются в 1,5-2,0 раза.

В целом характер взаимодействия двухщелевых фундаментов с грунтом основания при различных их видах по результатам численного моделирования оказывается достаточно близким к данным экспериментальных исследований и дополняет их. Картина вертикальных перемещений показывает, что сжатие грунта происходит не только под подошвами стенок, но и между ними и в стороны от них, что подтверждает ранее сделанный вывод о том, что основание двухщелевых фундаментов следует рассматривать двухслойным.

В четвертой главе по результатам проведенных исследований разработаны расчетные схемы взаимодействия двухщелевых фундаментов с грунтом основания, которые основываются на следующих положениях:

- напряженно-деформируемое состояние основания характеризуется передачей нагрузок от фундамента на грунты по подошве стенок, боковыми поверхностями, грунтовым ядром и по подошве низкого ростверка;

- основание фундаментов рассматривается двухслойным, состоящим из верхнего слоя в пределах высоты стенок d, и нижнего, залегающего под их подошвами;

- осадки s двухщелевых фундаментов зависят от их основных параметров (b, d, д) и физико-механических характеристик грунтов (ц, c, E).

При оптимальных расстояниях между стенками напряженно-деформируемое состояние основания от внешней вертикальной нагрузки N в пределах верхнего слоя грунта основания характеризуется вертикальными напряжениями (рис. 6): от собственного веса грунта - у_zg; по подошве низкого ростверка на грунт между стенками - у_r; в грунтовом ядре - у_zj; от трения по боковым поверхностям - у_zf.

Рис. 6. Схема к определению осадки s_в верхнего слоя основания двухщелевых ленточных фундаментов



Рис. 7. Схема к определению осадки нижнего слоя s_н основания двухщелевых ленточных фундаментов: а - вертикальные напряжения, действующие на кровле нижнего слоя, б - распределение вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве нижнего слоя

В пределах нижнего слоя, залегающего под подошвами стенок, напряженно-деформируемое состояние будет определяться вертикальными напряжениями, действующими на его кровле (рис. 7, а): от собственного веса грунта - у_zg; по подошве стенок - у_t; по подошве грунтового ядра - у_j; от трения по боковым поверхностям стенок - у_f.

Согласно предложенной расчетной схеме, приведенной на рис. 6 и 7, ширина условного фундамента на глубине заложения подошв стенок составляет

B=b+2д+2b`, (1)

где b` - зона распространения вертикальных напряжений в стороны от наружных боковых поверхностей стенок, определяемая по формуле:

b`=d tg( /г_ц), (2)

где г_ц - коэффициент распределительной способности грунта, принимаемый на основе экспериментальных исследований.

Для определения приведенного угла внутреннего трения используется зависимость сопротивления грунта срезу ф от нормального напряжения у (рис. 8) по результатам испытания грунтов в приборах одноплоскостного среза.

Рис. 8. График зависимости сопротивления срезу грунта ф от нормального напряжения у

На рис. 8 наряду с зависимостью ф=уtgц+c (прямая 1) проведена дополнительная прямая 2 - ф= уtg, проходящая через точки «0» и пересечение линий ф₃-у₃. При у=у₃ и ф=ф₃ получаем tg= tgц+с/у₃, в котором первое составляющее представляет собой его фактическое значение tgц, получаемое по прямой 1, а второе - условное, определяемое удельным сцеплением с. За счет удельного сцепления приведенные значения угла внутреннего трения в глинистых грунтах повышаются в 1,1-1,2 раза.

Для выявления доли вертикальных нагрузок, передаваемых от низкого ростверка на поверхность грунта, расположенного между стенками, использованы результаты лотковых испытаний. Установлено, что вертикальная нагрузка, передаваемая по подошве низкого ростверка, зависит от ширины ростверка b. Величины долей вертикальных нагрузок г_r, передаваемых на грунт между стенками от низкого ростверка, рекомендуется принимать равными: при b=0,3 м - г_r = 0,1; при b=0,7 м - г_r = 0,3.

Для определения расчетных долей нагрузок, передаваемых на основание отдельными элементами двухщелевых фундаментов: подошвой стенок, боковыми поверхностями и грунтовым ядром, использовались результаты дополнительного анализа лотковых экспериментов (таблица 1), которые путем экстраполяции доведены до величины осадки s=10 мм.

По полученным данным величины долей нагрузок, передаваемых на основание по подошвам стенок _t, боковыми поверхностями _f и грунтовым ядром _j, зависят от высоты стенок d и приведены в таблице 2.

Таблица 2

Высота стенок d, м	Значения коэффициентов нагрузок по:
	подошве стенок гt	боковой поверхности стенок гf	грунтовому ядру гj
1	2	3	4
0,5	0,45	0,25	0,3
1,5	0,50	0,25	0,25
2,5	0,6	0,25	0,15

Пятая глава посвящена изложению разработанного метода расчета двухщелевых ленточных фундаментов по деформациям. На основании выполненных исследований и разработанной расчетной схемы (рис. 6, 7) предложен метод расчета двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения, в котором основание фундаментов рассматривается двухслойным, и деформации происходят в пределах верхнего слоя s_в, равного высоте стенок d, и нижнего s_н, залегающего под их подошвами.

Расчет основан на использовании принципа суперпозиции, в соответствии с которым раздельно определяются величины осадок верхнего и нижнего слоев с их последующим сложением

s=s_в+s_н, (3)

Расчет осадок выполняется по схеме линейно-деформируемого полупространства методом послойного суммирования. Рассматриваются двухщелевые ленточные фундаменты мелкого заложения с низким ростверком; высотой стенки d, изменяющейся в пределах от 0,5 до 2,5 м, толщиной стенки д=0,1-0,2 м, в которых расстояния между стенками принимают оптимальными.

Исходными данными для выполнения расчета по деформациям являются: инженерно-геологические условия и основные физико-механические характеристики грунтов площадки строительства; геометрические параметры двухщелевых фундаментов; вертикальная равномерно-распределенная по длине ленточного фундамента нагрузка N, действующая в уровне верха ростверка; расчетное распределение коэффициентов нагрузок, приходящихся на отдельные элементы двухщелевого фундамента (г_j, г_f, г_t) принимаемые по таблице 2.

Вертикальные напряжения, действующие в основании фундаментов, определяются на 1 м длины ленточного фундамента.

Для определения осадки верхнего слоя (рис. 6), вертикальные напряжения принимаются равными:

- от собственного веса грунта на глубине d

_gd=г (d+d_r), (4)

где г - средневзвешенное значение удельного веса грунта, залегающего в пределах глубины заложения подошв стенок;

- под ростверком

_j0= г_r N/b; (5)

- в грунте, заключенном между стенками, в уровне подошвы стенок

_jd=(г_j+ г_f/2) N/b; (6)

- в грунте, примыкающем к наружным поверхностям стенок

_fd= (г_f/2) N/2b`= г<sub>f</sub>N/4b`. (7)

Среднее вертикальное напряжение в уровне подошвы ростверка равно

_s0= г_r N/b + G_r/b, (8)

где G_r - вес конструкций ростверка.

Среднее вертикальное напряжение в уровне подошвы верхнего слоя равно

_sd=(г_j + г_f) N/(b+2b`) + G<sub>d</sub>/(b+2b`), (9)

где G_d - вес грунта условного фундамента шириной B-2д или b+2b` и ростверка, включая вес грунта на его обрезах.

Осадка двухщелевых фундаментов за счет сжатия верхнего слоя определяется методом послойного суммирования по СНиП 2.02.01-83*

s_н= вУ (у_zpd,i h_i)/E_в (10)

Согласно принятой расчетной схеме на кровлю нижнего слоя передаются вертикальные напряжения, возникающие по подошве верхнего слоя _jd, _fd, напряжения от собственного веса _gd, а также напряжения _t по подошве стенок, равные

_t = (г_tN+ G_t)/2д, (11)

где G_t - вес стенок фундамента.

Средние вертикальные напряжения в уровне кровли грунтов основания нижнего слоя по подошве условного фундамента шириной B составляют:

_sн=(N+ G_н)/B, (12)

где G_н - вес грунта, стенок, ростверка и грунта на его обрезах в пределах условного фундамента шириной B=b+2д+b`.

Распределение по глубине вертикальных напряжений в нижнем слое от вертикальной нагрузки принимается по схеме линейно-деформируемого полупространства, как для условного фундамента шириной B по аналогии с расчетом фундаментов мелкого заложения на естественном основании.

Осадка двухщелевых фундаментов за счет сжатия нижнего слоя определяется в соответствии с приведенной на рис. 7, б расчетной схемой методом послойного суммирования по СНиП 2.02.01-83*

s_н= вУ (у_zpн,i h_i)/E_н,i (13)

Для оптимизации проектирования двухщелевых фундаментов и принятия рациональных параметров их конструкций разработана программа расчета по деформациям двухщелевых фундаментов с низким ростверком на языке программирования Microsoft Visual Basic 6.0. Пользовательский интерфейс изображен на рис. 9.



Рис. 9. Окно ввода данных по разработанной программе расчета двухщелевых фундаментов

Для оценки достоверности разработанного метода расчета осадок двухщелевых ленточных фундаментов выполнено сопоставление полученных результатов с данными лотковых и полевых экспериментальных исследований. Расчеты осадок выполнялись «вручную» и по разработанной автором программе для ЭВМ.

Результаты сопоставления показывает, что в песчаных грунтах расчетные осадки s_расч. в 1,1-1,4 раза превышают экспериментальные s_эксп., а в глинистых в 1,05-1,3 раза, т.е. разница между величинами расчетных и фактических осадок является приемлемой для решения практических задач при проектировании.

Внедрение результатов работы осуществлено при расчете и проектировании фундаментов жилого дома по ул. Наметкина в г. Москве и складского комплекса в г. Видное Московской области.

Основные выводы

Проведенные исследования выявили особенности и установили закономерности взаимодействия двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения с грунтом основания.

1. Установлено распределение долей вертикальной нагрузки N, действующей на двухщелевой фундамент, которые передаются на основание по подошвам стенок N_t, боковым поверхностям N_f и грунтовым ядром N_j, и зависят от величины осадки фундамента. Показано, что фундаменты с высоким и низким ростверками имеют сходный характер распределения долей нагрузки N. Отмечено, что за счет передачи нагрузки по подошве низкого ростверка происходит увеличение доли нагрузки N_j, передаваемой на основание грунтовым ядром по сравнению с фундаментом при высоком расположении ростверка.

2. Выявлено, что при передаче внешней нагрузки N на фундамент с оптимальным расстоянием между стенками, вначале происходит сжатие верхнего слоя основания в пределах высоты стенок, а затем в работу включаются слои грунта, залегающие под их подошвами. Таким образом, основание двухщелевых фундаментов следует рассматривать двухслойным, состоящим из верхнего слоя в пределах высоты стенок и нижнего подстилающего слоя.

3. Численным моделированием взаимодействия двухщелевых ленточных фундаментов с грунтом основания, выполненным методом конечных элементов по упруго-пластической модели грунта Кулона-Мора, выявлена зависимость осадок и нагрузок на фундаменты от деформационных и прочностных характеристик грунтов основания и параметров двухщелевых фундаментов. Результаты численных экспериментов заключаются в следующем:

- показано, что вертикальные деформации основания двухщелевых фундаментов характеризуется сжатием грунтов: залегающих ниже подошв стенок фундамента; области, заключенной между стенками фундамента; окружающих наружные боковые поверхности стенок;

- установлена зависимость величин осадок s от модуля деформации грунтов Е, удельного сцепления с, расстояния между стенками b, толщины д и высоты стенок d;

- выявлена нелинейная зависимость осадок от нагрузок s=f(N) в глинистых грунтах, на которой выделяется точка перелома графика на два практически линейных участка;

- нагрузка , при которой происходит перелом кривых s=f(N) в глинистых грунтах зависит от величины удельного сцепления с, с увеличением котороговозрастает.

4. Разработана расчетная схема взаимодействия c основанием двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения. Основание фундаментов рассматривается двухслойным. Осадка верхнего слоя основания обусловлена сжатием грунта между стенками и в областях, примыкающих к их наружным боковым поверхностям. Осадка нижнего слоя происходит за счет передачи давления по подошве условного фундамента шириной В=b+2д+2b`.

5. Получено расчетное распределение величин долей от действующей на двухщелевой фундамент нагрузки, передаваемых на основание его отдельными элементами, и напряжений в уровне подошвы условного фундамента B, величины которых зависят от высоты стенок фундамента d. Величины нагрузок и напряжений, передаваемых на грунт между стенками по подошве низкого ростверка, определены как доли нагрузки N, действующей на фундамент, и зависят от расстояния между стенками b.

6. Разработано предложение по определению ширины зоны распространения вертикальных напряжений в стороны от наружных поверхностей стенок b` в зависимости от величины приведенного угла внутреннего трения и рекомендации по его определению, учитывающие удельное сцепление с глинистого грунта.

7. Разработан метод расчета двухщелевых ленточных фундаментов по второму предельному состоянию в соответствии с требованиями действующих норм и правил, который выполняется по схеме линейно-деформируемого полупространства методом послойного суммирования. В основе расчета лежит принцип суперпозиции, согласно которому отдельно определяются осадки верхнего s_в и нижнего s_н слоев основания.

8. Для оптимизации проектирования двухщелевых фундаментов и принятия рациональных параметров их конструкций разработана программа расчета двухщелевых ленточных фундаментов мелкого заложения с низким ростверком на ЭВМ.

9. Проведено сопоставление результатов расчетов осадок двухщелевых ленточных фундаментов по предложенному методу с данными экспериментальных исследований. Расчетные осадки в 1,1-1,4 раза превосходят величины фактических осадок фундаментов, полученных по экспериментам в песчаных грунтах, и в 1,05-1,3 раза в глинистых.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Сорочан Е.А., Ковалев В.А. Расчет двухщелевых фундаментов мелкого заложения. // «ОФМГ», М. - 2006 г. - №1 - С. 12-15.

2. Сорочан Е.А., Ковалев В.А. Щелевые фундаменты. // «Механизация строительства», М. - 2006 г. - №3 - С. 19-20.

Размещено на Allbest.ru