Деформации песчаного основания

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….. .  4 

1    Состояние вопроса………………………………………………………… …...6

1. Опыт возведения зданий на кольцевых фундаментах…………………… …6
2. Анализ экспериментальных исследований по теме…………………………8  
1. Влияние эксцентриситета вертикальной силы………………………......8
3. Анализ теоретических исследований по теме………………………………18 
2. Методика, образцы и лабораторная установка для испытаний  …………....35
1. Состав и механические характеристики материалов, используемых         при изготовлении моделей……….…………………………………………..35
2. Расчёт жесткости модели…………………………………………………... 37     
3. Методика проведения экспериментов……………………………………. 38

3 Исследование деформаций круглых и кольцевых штампов с опорными радиальными ребрами на песчаном основании .……....…………………………40

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..………………………………………………………….49 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………...……………………………………………..50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Сооружения башенного  типа (радиотелевизионные и водонапорные башни, дымовые трубы тепловых электростанций и котельных, опоры линий электропередачи и др.) являются весьма ответственными и, в ряде случаев, уникальными. За некоторыми из них установлены постоянные наблюдения. Рациональными фундаментами для них считаются круглые и кольцевые, обладающие большой жесткостью.

Так, высота дымовых труб достигает 500 метров, диаметры фундаментов очень значительны и составляют около 60 метров. Стоимость таких фундаментов составляет 30...50 % стоимости сооружения. Такие трубы возводились при строительстве Запорожской, Криворожской, Углегорской, Норильской, Рефтинской, Каширской ГРЭС; Новостерлитамакской, Одесской ТЭЦ; Нововоронежской, Курской АЭС и др.

Анализ проектных решений  показал, что в зависимости от конструктивных решений и геологических  условий, внедрение прогрессивных  проектных решений может обеспечить снижение расхода железобетона на 10...50%. Это достигается также за счет уменьшения размера фундамента, перехода от круглых к кольцевым, отмена дорогостоящих свайных фундаментов.

Кольцевые фундаменты широко применяются при возведении опор линий электропередач, мостов, нефтепропускных сооружений, сельскохозяйственных и гражданских зданий разного назначения.

Часто в наземных конструкциях возникают трещины, перекосы, недопустимые смещения. В большинстве случаев  причинами их являются значительные и неравномерные деформации основания.

 

 

 

 

Цель научной работы: экспериментальные исследования влияния радиальных ребер на несущую способность и осадку песчаного основания круглых и кольцевых штампов с одинаковой горизонтальной площадью контакта.

Задачи исследования:

- исследование влияния  количества радиальных ребер  на осадку и несущую способность  песчаного основания при центральном  действии вертикальной силы;

- исследование влияния  отношения d/D на осадку и несущую способность песчаного основания при центральном действии вертикальной силы;

Методы исследований включали в себя:

- изучение, обобщение  и анализ научных работ других  авторов; проведение лабораторных  опытов с моделями фундаментов  в пространственном лотке; статическую обработку результатов и получение зависимостей осадки от нагрузки для различных моделей.

Научную новизну работы составляют:

- характер деформирования песчаного основания, круглых и кольцевых фундаментов с опорными радиальными ребрами;

- зависимости несущей способности основания от размеров, формы фундамента

Практическое значение работы заключается:

- в полученных новых данных о характере взаимодействия круглых, кольцевых фундаментов с опорными радиальными ребрами с основанием  при действии центральной нагрузки.

 

 

 

 

 

1.  СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

 

1.1  Опыт возведения зданий на кольцевых фундаментах

 

Фундаменты круглой  и кольцевой формы в плане  широко применяют с древних времен да настоящего времени. Классическим примером ошибок, допущенных при возведении зданий на кольцевых фундаментах, является Пизанская башня. Строительство ее велось с 1173 по 1370 г. Заметный уклон обнаружился после первого этапа в 1178 г. В настоящее время отклонение от вертикали на высоте 55 м составляет более 6 м. В 1932 г. под основание башни через 351 скважину закачено около 1000 т. цементного раствора. Последующие измерения показали, что приращение наклона составляет 12,5 с/год. Кольцевой фундамент выполнен в виде каменной кладки с d_ех=20м; h = 2м; Р_м =490 кН/м²; Р_mах=900 кН/м²; P_min=100 кН/м²; S_mах=2,8 м; S_min⁼l.2 м. Неблагоприятное соотношение скоростей осадок под северным и южным (в направлении к р.Арго) краями башни объясняется перераспределением напряжений, вызванным эксцентриситетом нагрузки, влияющим на сжимаемость и рассеивание перового давления. Причиной значительных неравномерных осадок являются высокая сжимаемость, неоднородность и низкая устойчивость мягких аллювиальных отложений.

Самыми высокими свободно стоящими сооружениями в мире являются Канадская национальная башня высотой 554 м и Останкинская башня в  Москве высотой 533 м.

Основание Канадской  башни тщательно исследовали  при бурении скважин диаметром 75см на глубину 27 м. Девятиметровый слой поверхностных отложений подстилается сланце, характеристики которого подробно изучили. Расчет оснований выполнен методом конечных элементов. Башня опирается на предварительно напряженную фундаментную плиту толщиной 6,8м. Установлена совершенная система водопонижения.

Телевизионная башня в Останкино  является уникальным сооружением (ОФ и  МГ. 1970, №2). Фундамент представляет собой десятиугольную кольцевую плиту. Средний диаметр кольца 61м, ширина 9,5 м, толщина от 3 до 4,5 м. Глубина заложения 9,65 м. Фундамент армирован предварительно напряженными 1040 проволочными пучками, расположенными по периметру. В основании залегает слой суглинков толщиной 4...5 м с линзами песка, гравия, гальки; слоя средне- и мелкозернистого песка толщиной 1,3..5,0 м; второго слоя суглинков толщиной 1...2,8 м. Эти породы подстилаются слоем флю-виогляциальных отложений толщиной 6...8 м, состоящих из средне- и мелкозернистых песков. Для измерения осадок фундамента установлено 40 марок. Наблюдения за послойным обжатием грунтов на глубинах 6,12 и 25 м проводятся с 1963 г. с помощью глубинных марок.

Наблюдения за осадками показали, что модуль деформации, определенной по фактическому обжатию слоев:

Е = s_с h / l,

в несколько раз больше штамповых.

В формуле обозначено: s_с- среднее напряжение слоя; l- его деформация, h - толщина.

Замеры деформации основания проводятся и в настоящее время. Их суммарные  величины не превышают допустимых.

Большой опыт накопили в проектировании фундаментов железобетонных дымовых  труб высотой до 500 м. Диаметр фундаментов  достигает 70 м. Разработаны программы  на ЭВМ, в которых учитывается  жесткость верхнего строения, принимается  модель основания в виде упругого слоя, упругого полупространства, коэффициента постели. Программа позволяет подобрать минимальное армирование при удовлетворении требований обеих групп предельных состоянии, несимметричность нагружения. Расход бетона на фундамент достигает 12 тыс. м³, что составляет около 50% расхода на все сооружение.

 

1.2 Анализ экспериментальных  исследований по теме

 

А.Флорин для плоской задачи показал [1], что распределение напряжений и очертание областей пластических деформаций для двух сравниваемых случаев подобны, если:

m_s = m_с = m_bm_g; m_j = 1

где  m_s, m_с, m_b, m_g, m_j - масштабные множители для напряжений, сцепления, геометрических  размеров,   удельного   веса  и угла  внутреннего трения. Для несвязных грунтов:

    m_s =  m_b m_g;

     при g _м = g_н                                                 m_{s =}m_b

Разработка методики экспериментального исследования несущей способности  песчаных оснований штампов посвящены  работы Л.Н.Теренецкого, Л.З Зайцева, И.И. Капланской (1978).Рассмотрен способ фиксации объемной картины сдвижений грунта при помощи колонок из окрашенного песка. Отметим, что этот способ широко использовал в экспериментах В.В.Леденев (1970...1984гг). Установлена необходимость поддержания постоянства пористости моделируемого основания, значительно влияющей на угол внутреннего трения и несущую способность основания.

Результаты экспериментов с  грунтом нарушенной структур при  одинаковых плотностях и влажностях могут значительно различаться  при разных способах формирования основания (С.В.Довнарович, 1971): засыпка песка с определенной высоты, послойное уплотнение трамбовками или вибраторами.

 

1.2.1 Влияние  эксцентриситета вертикальной силы.

 

В [2] приведены результаты опытов в песке средней крупности (р =1,728 г/см) с моделями из швеллеров при возможности свободного горизонтального смещения и при некотором ограничении. Нагрузка после выпора падала до половины предельного значения. С увеличением е₀ от 0 до в/4 разрушающая нагрузка уменьшилась до двух раз.

Эксперименты Г. Муса и Г. Каля [3] представляют особый интерес. Основанием моделей является песок рыхлый и средней плотности. Модели фундаментов железобетонные площадью 1м (1х1ми 2х0,5м). В опытах с квадратными штампами принимали: l=0 и 0,3 е=0 и 1/6в; нагрузку прикладывали шарнирно и поверхностно. Разрушающая нагрузка на заглубленный штамп в три раза больше, чем на незаглубленный.

Совместную работу основания, фундаментов  поперечных стальных рам изучали  Е.И Беленя и Л.В.Клепиков [4]. Ступенчатые  фундаменты с размером подошвы 1x4 м  и высотой 1,2 испытывали на мелком водонасыщенном песке. Колонны нагружали внецентренно приложенной к оголовку вертикальной сжимающей силой. Поворот фундамента приводил к снижению моментов в уровне базы на 54... 60%. Деформации основания приводили к увеличению перемещений рамы.

В [5] описаны результаты исследования напряженного состояния песчаного  основания для круглых заглубленных штампов под действием вертикальной, центральной и внецентренной  нагрузки. Контактные давления измеряли месдозами конструкции Д.С.Баранова. Опыты проводились при          р =1,728 г/см³; 1.64... 1.68 г/см³; d_ex=32 и 42 см; е=0; 0,16; 0,24; 0,32 и 0,47;     l=0 и 1.

Критическая нагрузка резко  падала при e₀>1/3. Зависимость между относительной критической нагрузкой p=F_e/F₀ и эксцентриситетами имеет вид:

P= -2,27e² – 0,147e + 1

Эпюра контактных давлений по подошве представлена в виде полинома возрастающей степени:

j(x)=c₀+c₁x+c₂x²+…+c_nxⁿ =

c_jx^j

Критическая нагрузка на основание:

F_cm=

где H - расстояние от подошвы фундамента до точки приложения усилий; a-угол наклона фундамента; Q- вес фундамента; М- удерживающий момент

М =

Боковая пригрузка ограничивает развитие зон пластических деформаций и   повышает   устойчивость   основания   до   двух   раз.   Очертание   эпюр контактных давлений при рыхлом песке и песке средней плотности мало отличается.   Предельные   эпюры   контактных   давлений   имеют   нулевое значение у противоположной стороны подошвы при е₀ > 1/3.

Особенности взаимодействия внецентренно нагруженных фундаментов на песчаном основании (р = 1,62 г/см³; j = 36°) в условиях плоской задачи рассмотрены в [2,6]. Длина зоны выпора уменьшилась с увеличением е₀. Снижение   несущей   способности   с   ростом   эксцентриситета   оценивали коэффициентом:

R_k = l-F_ue/F_uo = a(e₀)^k;

F_uc=F _no(1-R_u)

где a и k- коэффициенты; для l= 0, а = 1,862, k = 0,73; l= 0,5 а = 1,374, k=0,8;

l= 1   а =1,82,  k=0,888;  F_uo -  несущая  способность  центрально нагруженного фундамента, вычисленная по формуле К.Терцаги.

В   [7]   описаны   результаты   опытов   на   насыпном   песке   средней крупности, послойно уплотненном до p_d=1,6 ... 1,65 г/см³. Нагрузку передавали через жесткий штамп диаметром 160 см при d= 0 и е₀= О..0.33. Эпюры давлений отвечали решению по гипотезе Винклера. Для заглубленных фундаментов эпюра часто оставалась равномерно распределенной. Эпюры напряжения ниже подошвы примерно повторяли форму эпюр контактных давлений. Основная доля осадки приходится на слой грунта, равный одному диаметру.  Отрыв  края  штампа  происходил  при  е₀ > 0.33, а при е₀ = 0.25,  p_min » 0.

А.А.Вронский, В.А.Ильиных, С.И.Яковлев (1986) исследовали влияние эксцентриситета  силы и заглубления модели призматического  и ступенчатого фундамента в полевых  и лабораторных условиях. Для заглубленных моделей осадка практически не зависела от эксцентриситета, В.С.Азаров [8], а также R.Bwterfield и M.Georqiadis (1982) показали, что крен зависит не только от величины момента, но и от эксцентриситета. Вследствие нелинейной зависимости перемещений от нагрузок принцип суперпозиции для расчета оснований не применим.