Деформации песчаного основания

Данные [9,2] были подтверждены экспериментами [1]. Так, при е/В=0 и 0.4 относительная величина выпора L_f/B соответственно составила 5,2 и 1,4;

В.В.Леденев получил [5,10,11] функции влияния эксцентриситета в опытах с цилиндрическими моделями и натурными буронабивными фундаментами.

Т.И. Финаева, А.С. Канонян [2] провели исследования с крупномасштабными  штампами с целью проверки и уточнения  методов расчета напряженно-деформированного состояния грунтового основания . Моделью фундамента служит круглый металлический жесткий штамп диаметром 160 см, высотой 40 см. Опыты проводились для незаглубленного штампа при центральной и внецентренной нагрузках е = ( ; ; ; )R. Для замера контактных напряжений использовались 37 контактных датчиков конструкции ЩМИСК Минстроя СССР, установленных в опорной плите штампа. Напряжения внутри основания замерялись мессдозами ЦНИИСКа марки М-70/11- 4, которые устанавливались рядами от подошвы штампа на расстоянии (0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0)R. Вертикальные и горизонтальные перемещения штампа и послойные осадки грунта измерялись прогибомерами Максимова.

При центральной нагрузке наблюдалась седлообразная форма эпюры контактных давлений, с тем более выраженной седлообразноcтью, чем плотнее грунт. С увеличением нагрузки форма эпюр для всех исследуемых эксцентриситетов почти не изменяется, сохраняя следы центрального загружения. При центральной и внецентренной нагрузках максимальная ордината давлений в плоскости эксцентриситета отмечается на расстоянии 0,66R от центра штампа. В сечении перпендикулярном плоскости действия внецентренной силы, расстояние от центра до максимальной ординаты составляет 0,5R. Очертание эпюры контактных напряжений криволинейное и с увеличением эксцентриситета и внешнего давления принимает двояковыпуклую кривизну с правого края до центра выпуклостью вниз, а с центра до левого края выпуклостью вверх. Эпюры напряжений при центральной и внецентренной нагрузках повторяют форму эпюры контактных давлений на глубину до одного диаметра штампа. Ниже седлообразная эпюра переходит в параболическую. По подошве штампа, за исключением краевых участков, замеренные напряжения превышают теоретические, определяемые по теории линейно-деформируемого полупространства и слоя конечной толщины для жесткого фундамента.

Внецентренное приложение нагрузки влияет на распределение напряжений на глубину  до одного диаметра штампа, причем наиболее существенно в Пределах одного радиуса.

Основная доля осадки (75-97%) приходится на слой грунта, равный диаметру, причем 43-57% ее составляет осадка верхнего слоя толщиной 0,5R.

При внецентренной нагрузке роль верхних  слоев в деформации основания  возрастает.

Действие    внецентренной    нагрузки,    наряду    с    вертикальными    и горизонтальными    перемещениями,    приводит    к    повороту    штампа    и возможному    отрыву.    При     e=(1/4)R     у    края    штампа    со    стороны, противоположной приложению силы, давление практически равно нулю. Напряженное состояние по контакту предшествует началу отрыва, который для круглого штампа происходит при e =(1/3)R, начиная со среднего давления 0,1 МПа. Это явление не соответствует выводу теории упругого полупространства о том, что растягивающие напряжения по подошве фундамента должны появляться только при e>(1/4)R.

Экспериментальная зависимость изменения  крена штампа от момента имеет  слабовыраженное криволинейное  очертание (рисунок 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Графики зависимости крена штампа от момента внецентренно приложенной нагрузки. 1 - Е=30 Мпа, 2 - Е=40 МПа.

 

В начальной стадии загружения при небольших нагрузках экспериментальный  крен близок к расчетному, в последующем  при увеличении внецентреннои нагрузки, его значения превышают расчетные по СНиП.

Несоответствие экспериментальных  кренов расчетным и криволинейная  их зависимость от момента связаны  с возникновением и развитием  пластических деформаций под краем  незаглубленного штампа со стороны эксцентриситета.

В [12] Мурзенко Ю.Н., Аринина  Э.В. экспериментально исследовали  сложное напряженное состояние  основания круглого штампа. С помощью  месдоз измерялись напряжения в фиксированных  точках-центрах элементарных параллелепипедов, на которые разбивался объем грунтового основания. Проведенными опытами впервые в практике экспериментальных исследований выполнено непосредственное измерение величин и направления касательных напряжений в массиве грунта в сочетании с измерениями нормальных напряжений в тех же точках. Обнаружены зоны с противоположные направлением горизонтальных касательных напряжений. Линия их раздела, т.е. t=0, образует треугольную область под штампами, которая по очертанию близка к форме уплотненного ядра, образующегося при вдавливании штампа в грунт.

Ю.Н. Мурзенко, Г.М. Борликов [13] сравнивали работу фундамента с песчаной подушкой в цилиндрической оболочке с работой  незаглубленного  того    же    диаметра    и    заглубленного    диаметром,    равным диаметру цилиндрической оболочки. Первый фундамент имеет значительно большую несущую способность. Этот эффект достигается за счет ограничения боковых деформаций грунта, заключенного в оболочку, и развития значительных сил трения грунта о грунт при боковых смещениях частиц грунта ниже оболочки. Вертикальные напряжения достигают максимума на глубине, равной половине высоты оболочки, и затем плавно уменьшается с глубиной.    Напряжения    в    оболочке    распределяются    неравномерно. Растягивающие горизонтальные и сжимающие вертикальные напряжения возрастают в нижней зоне оболочки.

В. В. Леденев, Е.А. Говоров [5] приводят результаты опытов с круглыми в плане заглубленными фундаментами. Установлены зависимости между  характером нормальных давлений по подошве  фундамента, величиной нагрузки и  относительным заглублением. Показаны эпюры контактных давлений по двум взаимно перпендикулярным направлениям. В направлении, перпендикулярном плоскости действия момента, эпюры имеют слабовыраженную седловидную форму, в плоскости действия момента эпюры имеют очертание, близкое к прямолинейному.

О.В. Евдокимцев, В.В. Леденев, Н.И. Ляпин [14] приводят результаты опытов по взаимодействию штампов с песчаным основанием при разных схемах загружения. Показано влияние вида и величины нагрузки на характер напряженного состояния штампов.

Кущак С.И., Тугченко Ю.Ф. [15] выполнили  экспериментальные исследования развития деформаций в основании опытных  фундаментов с равной площадью подошвы - одного круглого и трех кольцевых. Было установлено, что при равных давлениях по подошве по мере увеличения внутреннего диаметра и уменьшения ширины кольца снижается глубина зоны деформации и осадки фундамента.

Э.В. Аринина, Г.М. Борликов, Ю.В. Галашев, С.И. Политов [16] излагают результаты экспериментальных исследований изменения  послойных деформаций лессового основания под круглым жестким фундаментом в процессе нагружения. Произведено уточнение нижней границы сжимаемой толщи. Осадка в наибольшей мере происходит за счет деформирования слоя грунта толщиной 0,5D (диаметр штампа), примыкающего к подошве фундамента. Наиболее активная толща, в которой зафиксировали ощутимые перемещения, распространена на глубину 2D фундамента. Нижняя граница сжимаемой толщи по методу послойного элементарного суммирования получается на глубине 3D. Несущая способность основания по результатам эксперимента почти в три раза больше теоретического ее значения, вычисленного для осесимметричной задачи.

Л. А. Шелест [17] рассматривает  горизонтальные перемещения грунтового основания при действии круглого жесткого штампа. Горизонтальные перемещения поверхности направлены к оси штампа, а на глубине - от нее. Производит сравнение экспериментальных горизонтальных перемещений с теоретическими, полученными по решению К.Е. Егорова. Экспериментальные меньше расчетных и с удалением от края штампа затухают значительно медленнее. Отношение между экспериментальными вертикальными и горизонтальными перемещениями вблизи штампа примерно равно 0,5-0,6, в то время как аналогичное отношение для расчетных величин не превышает 0,14. Максимальные горизонтальные перемещения наблюдаются на глубине 0,4-0,8R и на расстоянии 1,0-1,2R от оси штампа, убывая затем во всех направлениях.

В.И. Соломин, С.Б. Шматков [18] приводят результаты исследований и разработок методов статического расчета фундаментов  дымовых труб по двум группам предельных состояний. Рекомендуется приводить действующую нагрузку к осесимметричной, что существенно упрощает расчет. Как видно, для наиболее нагруженного радиуса усилия в плите при расчете ее на несимметричную нагрузку и симметричную нагрузку совпадают, совпадают также направления трещин. При расчете фундаментов сооружений башенного типа авторы предполагают учитывать жесткость верхнего строения. Как видно учет последнего, также как и учет нелинейных деформаций железобетона, весьма существенно уменьшает изгибающие моменты в окружном направлении. На радиальные изгибающие моменты эти факторы сказываются в меньшей степени. Сравнивая результаты расчета с экспериментальными данными, следует обратить внимание на совпадение схем трещин в эксперименте и по расчету. Радиальные сквозные трещины пересекают не всю консоль, а лишь ее часть. При расчете фундаментов авторы учитывают нелинейность деформирования железобетона на всех стадиях нагружения, совместность деформаций фундамента и основания, перераспределение реактивных давлений с ростом нагрузки и другие факторы, влияющие на несущую способность фундамента. Найденная таким образом разрушающая нагрузка существенно отличалась от полученной методом предельного равновесия. Исчерпание несущей способности иногда происходит при иных схемах разрушения. Например, кольцевой пластинчатый шарнир может образовываться не с наружного, а с внутреннего края стакана и при этом возможны две схемы разрушения: радиальные пластические шарниры идут от кольцевого пластического шарнира к наружному краю плиты (рисунок 2в) или направлены центру плиты (рисунок 2г), а раскрытие радиальных трещин происходит на верхней части плиты.

А.П. Кудзис [19] приводит конструктивное решение фундаментов сооружений башенного типа. Изгибающие моменты в таких фундаментах вызываются дополнительно креном, поэтому угол крена фундамента q ограничивается путем соблюдения условия: q » tgq = 0,75 £ 0.004.

Вследствие   совместной   работы   основания   и   фундамента   эпюры вертикального р и горизонтального  t   реактивного давления имеют вид приведенный на рисунке 2в.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 - Схемы разрушения фундаментных плит.

а, б – принятые в  нормативных документах;

в, г – другие возможные схемы разрушения

 

Наличие составляющего давления τ объясняется тем, что силы между фундаментом и основанием препятствуют удлинению среднего слоя плиты, вызываемого образованием трещин в бетоне, поэтому в плите возникают сжимающие радиальные п_r. и окружные п_j нормальные силы. В краевых зонах фундамента действуют растягивающие окружные силы n_j которые приводят к образованию сквозных по высоте плиты радиальных трещин.

                                    

 

1.3 Анализ теоретических  исследований по теме

 

         Модель грунтового основания. При расчете круглых и кольцевых фундаментов  используют  модели:   местных  деформаций  (коэффициента постели), линейно-деформируемой среды, теории предельного равновесия, упруго-пластической среды.

В первой модели не учитывается  распределительная способность грунта. При решении упругих задач возникает особенность на краю области контакта-напряжения обращаются в бесконечность. М.И. Горбунов-Посадов показал, что под краем штампа образуется пластическая зона и давление остается всюду конечным. В модели линейно-деформируемой среды нет зон и точек, где происходит течение. Модель теории предельного равновесия предполагает, что во всех точках среды нет предельного состояния. Фактически, в нагруженном основании имеются области допредельного и предельного напряженного состояния. Известны комбинированные модели В.З. Власова, П.Л. Пастернака [20] и др.

Решение смешанной задачи предполагает. (М.И. Горбунов-Посадов, 1974), что в грунте одновременно существуют упругие и пластические зоны. Границы  между ними строго очерчены. Внутри пластических областей должны выполняться условия равновесия предельного состояния, внутри упругих областей - условия равновесная и совместимости; вдоль границ -условия равенства нормальных и касательных напряжений при подходе к ним с обеих сторон. В методе смешанной задачи вычисляют напряжения и деформации как в упругой, так и в пластической областях связи между приращениями пластических деформаций и напряжениями описывают с использованием неассоциированного и ассоциированного законов пластического течения. Сравнение результатов расчетов с экспериментом показало, что для оснований из плотных и средней плотности грунтов более  приемлем ассоциированный закон. В [21] подтверждена зависимость напряженно-деформированного состояния от траектории нагружения.

В экспериментах [20] подтверждена нелинейность зависимости между напряжениями и деформациями; возникающий процесс  деформационного упрочнения приводит к неоднородности и анизотропии; нарушается подобие на соосность  напряженного и деформированного состояния.

Для определения перемещений  заглубленных фундаментных конструкций  применяют фундаментальное решение  Р. Миндлина: Р.С. Шеляпина (1965), В.В. Леденев (1973), А.А. Бартоломей, В.А. Кофман и др. Уравнения Р. Миндлина соответствуют  упругой среде, сопротивляющейся как сжатию, так и растяжению. Так как грунт почти не работает на растяжение, то рекомендуют либо вдвое уменьшать модуль деформации грунта, либо вводить в среде разрывы за силой, например, с помощью двойных сил.