автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Деформируемость глинистого грунта и основания полосовых штампов и фундаментов

На правах рукописи

СГ;

'•'г о-О -

со

см

I ХАЛТУРИНА ЛАРИСА ВАСИЛЬЕВНА

ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА И ОСНОВАНИЯ ПОЛОСОВЫХ ШТАМПОВ И ФУНДАМЕНТОВ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск -1997

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии, оснований и фундаментов Новосибирской государственной академии строительства

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

кандидат технических наук, профессор А.П.Криворотов доктор технических наук, профессор В.Б.Миренков кандидат технических наук, доцент Ю.П.Смолин Научно-исследовательский и проектный институт "Агропром"

Защита состоится "17" июня 1997 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 064.04.03 в Новосибирской государственной академии строительства по адресу: 630008, г.Новосибирск, ул.Ленинградская 113, учебный корпус, ауд. 306

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГАС

Автореферат разослан '45" мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

А.А.Кользеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оценка прочности и деформируемости фунтовых массивов связана с установлением их напряженного и деформированного состояний расчетными методами. В настоящее время расчеты оснований базируются на различных моделях грунтовой среды. В действующих нормах используются расчетные методы, основанные на применении к грунтам теории упругости и теории предельного равновесия грунтов. Из-за расхождения исходных предпосылок этих теорий с реальными свойствами грунтов, полученные расчетом результаты в ряде случаев оказываются недостаточно надежными и экономичными. В связи с этим, разрабатываются более совершенные расчетные методы, базирующиеся на моделях нелинейной деформируемости грунтов. Вместе с тем, с развитием новых, как правило, более сложных моделей грунтовой среды, традиционные модели не теряют практического смысла, хотя неизбежно происходит сужение области их практического использования.

Успехи в разработке расчетных моделей грунтовой среды в значительной степени определяются успехами эксперименгальнщ исследований напряженно-деформированного состояния грунтов и грунтовых оснований. В связи с более высокими требованиями, предъявляемыми в настоящее время к расчетным методам, соответственно возрастают и требования к методике и результатам экспериментальных исследований. К экспериментальному изучению напряженно-деформированного состояния необходим комплексный подход, позволяющий получить объективные данные о распределении напряжений и деформаций в грунтовом основании. Такие исследования проводились, в основном, с несвязными грунтами. Свойства глинистых грунтов и напряженно-деформированные состояния оснований из связных грунтов изучены далеко недостаточно.

Настоящая работа выполнена на кафедре инженерной геологии, оснований и фундаментов Новосибирской государственной академии строительства в рамках научно-исследовательской работы по теме "Разработка эффективных конструкций фундаментов и оснований промышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданий и сооружений и совершенствование методики их расчета в характерных региональных инженерно-геологических условиях Сибири", раздел 6.30.001.01 "Исследование напряженно-деформированного состояния грунтов и грунтовых оснований с разработкой методов расчета осадок".

Цель работы! Оценить возможности применения традиционных и перспективных методов расчета напряженно-деформированного состояния грунтовых основании путем сопоставления результатов решений с экспериментальными данными, полученными при комплексном исследовании полного напряженного и деформированного состояний образцов и основания из глинистого грунта.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать закономерности деформирования твердого суглинка и плотного тйеска с применением прибора, позволяющего создавать сложное напряженное состояние образца грунта;

2. Разработать методику испытаний и провести экспериментальные исследования по измерению в различных точках глинистогооснования жесткого полосового штампа:

- вертикальных, горизонтальных и наклонных напряжений;

- вертикальных, горизонтальных и наклонных деформаций;

- вертикальных, горизонтальных в двух направлениях и наклонных напряжений в контактной области грунта со штампом;

3. Выполнить сопоставительные расчеты напряженно-деформированного состояния основания методами линейной и нелинейной механики грунтов;

4. Сопоставить результаты расчетов с экспериментальными данными; оценить возможности применения используемых расчетных методов.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке методики комплексного исследования напряженно-деформированного состояния образцов и основания из глинистого грунта нарушенной структуры в условиях плоской деформации;

- в получении экспериментального материала, достаточного для оценки полного напряженно-деформированного состояния глинистого основания, включая контактную область грунта со штампом;

- в оценке возможностей применения некоторых расчетных моделей грунтового основания на основе сопоставления полученных экспериментальных данных с теоретическими решениями.

Практическая ценность работы. Полученные опытные данные позволяют оценить возможности применения имеющихся и вновь разрабатываемых моделей грунта к расчету оснований, сложенных твердыми суглинками. Установлена возможность и целесообразность использования усовершенствованного метода послойного суммирования деформаций в расчетах осадок фундаментов. 'г

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 41-48, 51-53 научно-технических конференциях НИСИ им, В.В.Куйбышева (1984-1993 гг.), Новосибирской государственной Академии Строительства (1994-1996 гг.); на. областной научно-технической конференции "Молодежь и научно-технический прогресс в строительстве" в г. Новосибирске (1985 г.); на 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (1996 г.); на международной научно-практической конференции "Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство" (г. Барнаул, 1996 г.).

! Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Объём работы, Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, трех приложений. Общий объем диссертации 209 стр., в том числе 115 стр. машинописного текста, 65 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 159 наименований, 17 стр. приложений.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной

работы использованы в расчетах осадки четырехэтажного дома при разработке мероприятий по стабилизации чрезмерных осадок фундаментов этого дома.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы работы, сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. _

; В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ по определению напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований, и , исходя из анализа современного состояния вопроса, сформулированы задачи исследований автора.

Наибольшее число практических задач, в основе которых лежит определение напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований, в настоящее время решается с применением основных положений теории линейно-деформируемой среды (теории упругости) и теории предельного равновесия грунтов (теории пластичности). Возможности применения к грунтовым основаниям положений теории упругости были исследованы Е.Ф.Винокуровым, Н.М.Герсеванозым,

М.Н.Гольдшгейном, М.И.Горбуновьш-Посадовым, Б.И.Далматовым, К.Е.Егоровым, А.Кезди, Г.К.Клейном, С.Г.Лехницким, Н.Н.Масловым, П.А.Миняевым, Н.П.Пузыревским, И.А.Симвулвди, К.Терцаги, В.А.Флориным, М.Е.Харром, Н.А.Цытовичем, И.И.Черкасовым и др.

В результате дальнейших исследований стали успешно развиваться направления, использующие модели нелинейно-деформируемой среды. При этом оформилось два основных подхода: нелинейно-упругий (решения в рамках деформационной теории пластичности) и упруго-пластический (решения упруго-идеальнолластической и упру-гопластической упрочняющейся среды). Модели первого типа предложены в работах А.И.Боткина, С.С.Вялова, Г.А.Гениева, С.Десаи, А.Л.Крыжановского, Г.МЛомизе, А.С.Строганова и др. Модель упру-го-идеальнопластической среды наиша эффективное применение при ч решении смешанной задачи теории упругости и пластичности. Начало этому направлению положено работами М.И.Горбунова-Посадова, Е.К.Седых, В.В.Соколовского, А.С.Строганова, И.В.Федорова и дальнейшее развитие, основанное на использовании нелинейной связи между напряжениями и деформациями, получило в работах А.К.Бугрова, В.П.Кустова, Ю.М.Мурзенко, К.В.Руппенейга,

A.Б.Фадеева и др. Наиболее полно учесть реальные свойства грунтов позволяют модели теории упрочняющейся среды, исследование которых в нашей стране получило развитие в работах Ю.И.Соловьёва,

B.А.Иоселевича, Б.И.Дидуха, В.Н.Николаевскогр, Ю.К.Зарецкого, МН.Захарова, И.Н.Ивашенко, А.Л.Гольдина, М.В.Малышева, Л.Н.Рассказова и др. Это направление успешно развивалось и за рубежом.

Экспериментальные исследования напряженного и деформированного состояний грунтовых оснований начались с установления характера распределения нормальных контактных напряжений и отдельных компонентов напряжений и деформаций в толще основания. Более полные и объективные данные о напряженном и деформированном состояниях оснований позволяют получить комплексные исследования. Такие исследования проводились в МИСИ (Г.М.Ломизе, А.Л.Крыжановский и др.), НИСИ (А.П.Криворотое и др.), Новочеркасском политехническом институте (Ю.М.Мурзенко и др.) и др. В результате опытов установлены картины распределения вертикальных, горизонтальных и наклонных напряжений, а также линейных вертикальных, горизонтальных, реже наклонных деформаций в песчаных основаниях полосовых штампов и круглых жестких фундаментов. По-

лученные данные позволили полностью оценить напряженное и деформированное состояния рассматриваемых песчаных оснований, сравнить опытные эпюры с теоретическими, дать оценку полученных данных с позиций линейной и нелинейной механики грунтов.

Подобных комплексных исследований напряженно-дефорцгро-ванного состояния оснований из связных грунтов в нашей стране не проводилось. В известных опытах М.Ю.Абелева, А.Т,Абрамова, М.В.Балюры, С.С.Вялова, К.А.Дубова, Г.И.Кравцова,

П.А.Коновалова, А.П.Криворотова, Г.Е.Лазебника, А.Л.Миндича,

A.И.Полищука, Н.С.Рязанова, А.А.Смирнова, Ю.Ф.Тугаенко,

B.М.Чикишева и др. измерялись лишь отдельные компоненты напряжений и деформаций в основании штампов и фундаментов. Были установлены расхождения опытных данных с результатами расчета напряженно-деформированного состояния методами линейно-деформируемой среды, выявлены отличия в характере распределения напряжений и деформаций в связных и несвязных фунтах.

Во второй главе описана методика проведения экспериментальных исследований. На первом этапе исследовались закономерности деформирования твердого суглинка нарушенной слруктуры, применявшегося впоследствии для устройства основания жесткого полосового штампа; для сравнения исследовалась также деформируемость плотного песка средней крупности. Исследования фунтов проведены в приборе трехосного сжатия с независимым регулированием величин главных напряжений (модификация прибора А.Л.Крыжановского) с размерами рабочей камеры 0,14*0,14*0,14 м. В образце фунта, помещенного в камеру прибора, создавали напряженное состояние, соответствующее напряженному состоянию отдельных точек лии^йно-деформируемого изотропного основания, находящегося в условиях плоской деформации.

В начале каждого опыта образец фунта обжимался гидростатическим давлением, соответствующим "природному" в исследуемой "точке". Заданное напряженное состояние образца создавалось возрастающими ступенями вертикальной и горизонтальной (в направлении незакрепленных фаней) нафузками, при одновременном их приложении. На каждой ступени нафужения устанавливались значения относительных деформаций в плоскости деформирования образца и фиксировались значения напряжений, действующих по закрепленной фани образца.

Отдельная серия опытов в приборе трехосного сжатия проведена для оценки влияния траектории иагруження на деформируемость фун-

тов. Траектории нагружения задавали, используя инвариантные характеристики напряженного состояния: Сер. пл=(^1+Оз)/2 - среднее напряжение при плоской деформации, т; „л =( cti-ct3)/2 - интенсивность касательных напряжений при плоской деформации. В образце грунта, помещенного в камеру прибора, создавали напряжения, соответствующие заданным траекториям. На каждой ступени нагружения устанавливались значения относительных деформаций образца грунта.

Всего в приборе трехосного сжатия проведено 180 опытов (при шестикратной повторности опыта). :

Комплексные исследования напряженно-деформированного: состояния основания жесткого полосового штампа, расположенного на; поверхности суглинка нарушенной структуры, были проведены в лотке с размерами в плане 0,3*3,0 м и высотой 2,5 м. Конструкция лотка позволяла создавать условия, достаточно близкие к условиям плоской деформации грунта. Напряжения в грунте измерялись грунтовыми датчиками давления с параллельно-поступательным перемещением рабочей поверхности (конструкция Новосибирского инженерно-строительного института), деформации - деформометрами конструкции Новочеркасского политехнического института.

Для того чтобы не перенасыщать грунт инородными телами и исключить их взаимное влияние, в каждом опыте измерялись напряжения или деформации только одного направления: с2 - вертикальные, сх - горизонтальные, сг„ - наклонные под утлом 45° к вертикали напряжения; ez - вертикальные, е* - горизонтальные, е„ - наклонные под углом 45° к вертикали деформации.

Измерение напряжений и деформаций в толще основания производили в сорока фиксированных "точках". Область исследования распространялась до глубины z=3,67b и имела ширину 2Ъ (Ь=0,3 м - ширина подошвы штампа). Приборы устанавливались на восьми уровнях: по центральной вертикали штампа х=0 и по вертикалям, удаленным от центральной на расстояния х=Ь/2 и х=Ь. В опытах по измерению напряжений в контактом слое грунта со штампом устанавливали тридцать пять датчиков в петь рядов параллельных продольной оси лотка.

Для проведения каждого опыта основание формировалось путем последовательной установки приборов и послойной укладки грунта (толщина слоев 0,03-0,05 м) с уплотнением его ручной трамбовкой. Режим уплотнения и влажность грунта во всех опытах соблюдались постоянными, что обеспечивало создание достаточно равномерной плотности, которая послойно контролировалась по объёму уло-

жснного в лоток грунта. На подготовленную поверхность устанавливали штамп с шероховатой подошвой. Нагружение штампа осуществляюсь ступенялш, соответствующими среднему давлению по подошве штампа р=0,05-0,35 МН/м2 через 0,05 МН/м\ Отсчеты по приборам снимались после условной стабилизации осадок штампа, продолжительность которой принималась равной одному часу.

Beert) в лотке был проведен 31 опыт при трех-, четырехкратной повторности опыта.

В третьей главе приведены результаты исследования деформируемости суглинка и песка в приборе трехосного сжатия.

Модули деформации Ei и Ез, вычисленные по формулам обобщенного закона Гука, оказались неодинаковыми при напряжениях, характерных для всех исследованных "точек" оснований, сложенных как глинистыми, так и песчаными грунтами. Грунты оснований деформа-. ционно неоднородны даже при нагрузках, не превышающих расчетного сопротивления грунта R С ростом нагрузки модули деформации изменяются, в наибольшей степени .это проявляется впесчаном основании. Таким образом, основные положения о линейной "деформируемости не подтвердилась на всем диапазоне загружения рассматриваемых оснований. Степень деформационной анизотропии исследованных грунтов невелика: отношение 0,25<Ез/Е1<1,0 для всех "точек" и уровней нагру-жения для глинистого грунта и0,3<Ез/Е]<1,0-для песчаного грунта.

Зависимости обобщенных напряжений сср. ш> т, т и деформаций Sep. пл. Yi пя нелинейны и неодинаковы для различных сочетаний компонентов напряжений, характерных для исследованных "точек" оснований. Поведение глинистых и плотных песчаных грунтов при сходных напряженных состояниях грунтовых образцов довольно различно:, так для некоторых "точек" при практически линейном увеличении обобщенных напряженийаср.HTjm деформации Sq,.ш глинистых образцов монотонно увеличиваются, тогда как в плотных песчаных образцах во многих случаях зафиксирован процесс разуплотнения, приводящий к замедлению роста деформаций сжатия, а затем и к увеличению объёма песчаных образцов. При любой комбинации напряжений дилатансионные свойства глинистого грунта проявляются существенно меньше, чем песчаного. Значительные отклонения от подобия напряженного и деформированного состояний наблюдались в большинстве "точек" песчаного основания и в исследованных "точках" контактного ' слоя глинистого основания.

Траектории нарастания напряжений как в глинистом, так и в песчаном фунтах при фиксированных конечных значениях напряже-

ний существенно влияют на величину сдвиговых деформаций: при возрастании напряжений по различным траекториям расхождения значений у, ш в глинистом грунте достигают 35 % от минимальных значений, то же в песчаном - 65 %, значения модуля деформации при этом различаются на (15-30) %. Для песчаного фунта велико влияние траектории на величину объемных деформаций и на вид деформированного состояния грунта, для глинистого грунта это влияние незначительно.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования напряженного и деформированного состояний глинистого основания жесткого полосового штампа.

Получены эпюры распределения напряжений стъ <тх, а„ и деформаций Бг, ех, е„ вдоль центральной и внецентренных вертикалей; напряжений ог, ох, ау, а„ в контактном слое грунта со штампом. В каждой исследуемой "точке" вычислены средние значения одноименных напряжений (деформаций) с учетом трехкратной повторности каждого опыта и симметричности нагружения штампа. Отклонение измеренных напряжений от средних значений не превышало 10 %, деформаций

- 15 %. Надежность полученных данных подтверждена удовлетворительным выполнением условий равновесия отдельных областей основания, находящихся под воздействием измеренных напряжений, а также равенством измеренных перемещений штампа и результатов суммирования вертикальных послойных деформаций основания.

Вдоль центральной вертикали все измеренные компоненты напряжений и деформаций имеют максимальные значения на некотором расстоянии от подошвы штампа: максимумы эпюр сг, стЛ, ег, е* расположены на глубине г~0,9Ь; 0,17Ь; 0,6Ь; 0,83Ь соответственно; эпюры о„ по очертанию аналогичны 0г, а ен - эпюрам ег; напряжения стх зафиксированы на глубинах г<0,83Ь. На вертикали х=Ь/2 значения напряжений и деформаций, за исключением ах, с глубиной монотонно убывают; напряжения о* зафиксированы до глубины г=2,ЗЗЬ, на глубине г«0,83Ь они имеют максимальные значения, а на глубине г«0,2Ь

- минимальные. На вертикали х=Ь эпюры сгг, стх, ст„ имеют Максима, шые значения на глубине г«2,0Ь; Ь; 1,4Ь соответственно; деформации в2 до глубины г«0,9Ь и деформации ех с глубины г «1,67Ь имеют

отрицательные значения (растяжение).

В контактной области грунта со штампом в начале нагружения нормальные напряжения сг2, ах, ау, ан распределяются практически

равномерно. С ростом нагрузки происходит сравнительно слабое перераспределение напряжений при более интенсивном возрастании краевых ординат эпюр сгг, сг„ и промежуточных на эпюре сгх. Значения напряжений стх существенно (до 5 раз) меньше, значений аг для одноименных "точек".

В большинстве "точек" глинистого основания зависимости всех компонентов напряжений от нагрузки близки к линейным; зависимости нагрузка-деформации в любой исследуемой "точке" нелинейны.

Наличие в каждой исследуемой "точке" трех измеренных компонентов напряжений и трех компонентов деформаций позволило полностью оценить напряженно-деформированное состояние рассматриваемой области основания. По опытным данным в каждой исследуемой "точке" основания были вычислены касательные напряжения т^ и сдвиговые деформации у«, главные напряжения аь а3 и деформации еь Бз, углы отклонения главных напряжений от вертикали, углы наибольшего отклонения 6тах полного давления от нормали к своей площадке, модули деформации 1рукга Е[ и Ез, коэффициенты бокового расширения грунта V для "точек" контактного слоя, инвариантные характеристики напряженного и деформированного состояний.

Закономерности изменения с ростом нагрузки напряжений и деформаций в "точках" центральной вертикали на глубинах г=0,05Ь и 0,17Ь, указывают на существование в этой области допредельного напряженного состояния - так называемого "грунтового ядра". Величина угла 9ШЗХ, характеризующая степень приближения напряженного состояния к предельному, в этих "точках" с ростом нагрузки практически не изменяется и составляет 21-24°. В остальных исследуемых "точках" основания при увеличении нагрузки напряженное состояние в той или иной степени приближается к предельному по прочности, -наиболее интенсивно этот процесс происходит в "точках", расположенных у граней штампа и у вершины грунтового ядра. Здесь при увеличении нагрузки от 0,05 МН/м2 до 0,3 МН/м2 угол возрастает с 4° до 39°, при нагрузке р>0,3 МН/м2 происходит снижение 0тах до 35°, что свидетельствует о происходящем разрушении грунта, уменьшении его плотности.

Значение коэффициента бокового расширения грунта V в контактном слое непостоянно: в "точке" на оси х=0 на всем диапазоне на-гружения у=0,23; в "точке" у грани штампа при увеличении нагрузки значения V возрастают с 0.13 до 0,22, в остальных "точках" изменяются в пределах 0,16-0,26.

<•1 Ш1

Траектории возрастания обобщенных напряжений аср Ш1> х, (принятых в деформационной теории пластичности) для исследуемых "точек" основания являются сложными, они исходят из различных точек, соответствующих начальному напряженному состоянию основания. Зависимости сдвиговых деформаций от интенсивности касательных напряжений нелинейны, а зависимости, связывающие объемные деформации и напряжения, в расчетах глинистых оснований с достаточной степенью приближения могуть быть приняты линейными. Во всех "точках", за исключением "точек" принадлежащих "грунтовому ядру", сдвиговые деформации у, ш, увеличиваются интенсивнее объемных Бср. а, и наибольшей величины достигают под гранями штампа.

. Параметры вида напряженного (1С и деформированного ¡х$ состояний неодинаковы в различных "точках" основания и изменяются в процессе увеличения нагрузки, при этом значения щ в процессе ро-, ста нагрузки изменяются более существенно, чем Цо. Напряженное и деформированное состояния в отдельных "точках" глинистого основания неподобны (Цо^Ие). Отклонения от подобия гораздо меньше, чем это наблюдалось в исследованиях, выполненных другими авторами с песчаными основаниями.

Зависимости осадок штампа от нагрузки близки к линейным до нагрузки 0,15 МН/м2, которая меньше начальной критической нагрузки р1=0,27МН/м2. Уже на начальном этапе нагружения штампа, измеренные осадки существенно отличаются от рассчитанных по формуле Шлейхера при модуле деформации Е=8 МПа, полученном по результатам компрессионных испытаний.

В пятом главе дан сравнительный анализ опытных данных и результатов расчетов напряженно-деформированного состояния оснований методами теории линейно-деформируемой среды, нелинейно-упругой среды (деформационной теории пластичности), теории пластического течения, (использовалась модель теории упруго-идеальнопластической среды), а также выполнен расчет .осадки фундамента усовершенствованным методом,порлрйного суммирования деформаций. л ______ ;,. , . .. . ч .

' В контактном слое грунта со штампом ординаты опытных эпюр '" вертикальных напряжений ст, в .средней части подошвы штампа примерно на 25 %, а на расстоянии 0,05Ь от грани штампа - на 45-58 % больше, чем по расчету с применением теории линейно-деформируемой среды; теоретические эпюры аг на всем диапазоне

изменения нагрузок не меняют очертания, а экспериментальные - с ростом нагрузки трансформируются - отношения напряжений ог на расстоянии х=0,05Ь от грани штампа увеличиваются от 1,1 до 1,6. Опытные эпюры ст„ существенно отличаются от расчетных и по форме и по величине ординат: в средней части подошвы штампа теоретические значения стх при соответствующих нагрузках примерно в четыре раза больше экспериментальных. ';

Концентрация опытных напряжений az по центральной вертикали системы "штамп-основание"с ростом нагрузки увеличивается, тогда как по теории линейно-деформируемой среды напряжения увеличиваются пропорционально. Значения максимальных напряжений сгг установленных экспериментально на 15-30 % и на 5-15 % соответ-ствено выше расчетных значений для случая передачи нагрузки на основание через жесткий штамп и вертикальной равномерно распределенной нагрузки. Распределение опытных напряжени стх более равномерное, чем по вышеуказанным решениям: при этом превышение расчетных значений над опытными достигает 120 %.

На ьёртикалях х=Ь/2 и х=Ь результаты решения вышеназванных задач линёйно-деформируемой среды отличаются от опытных данных в большей степени, чем для центральной вертикали. Во всех случаях отклонения результатов линейных решений от опытных данных увеличиваются с ростом нагрузки на основание.

Установленные опытами касательные напряжения та, действующие по подошве штампа, направлены от оси симметрии, увеличивая действующие в вертикальных сечениях штампа (фундамента) изгибающие моменты, вызванные вертикальными реактивными давлениями. Начиная с некоторой глубины напряжения гк меняют направление (знак) на обратное, совпадающее с направлением, установленным решением линейной задачи. Наибольшие значения напряжений tjx, вычисленные по измеренным нормальным, получены в точках вертикали х=Ь/2, - они намного превышают теоретические.

Эпюры распределения относительных деформаций ez вдоль центральной вертикали системы "штамп-основание", построенные по результатам вычислений при значении Е=8 МПа для случая действия равномерно распределенной нагрузки на поверхности основания, в начале нагружения близки к опытным и качественно, и количественно; с ростом нагрузки наблюдаются значительные (в несколько раз) количественные расхождения. Для случая передачи нагрузки через

жесткий штамп, большие различия опытных и теоретических эпюр наблюдаются на всем диапазоне увеличения нагрузки. Отличительной особенностью опытных эпюр является наличие на некоторой глубине максимума деформаций ег и ех. В опытах установлено, что горизонтальные деформации являются деформациями растяжения, а не сжатия, как это следу ет из линейных решений.

Моду ли деформации Е\ и Ез, вычисленные с использованием закона Гука по измеренным напряжениям и деформациям, в различных "точках" исследуемого основания неодинаковы и изменяются в процессе роста нагрузки. На начальном этапе нагружения модули Е, и Ез близки к значению Е=Е МПа, определенному для исследуемого глинистого грунта в приборе компрессионного сжатия. При нагрузках р>0,2 МН/м2 значения модулей деформации уменьшаются в 3-4 раза по сравнению с Е=8 МПа.

Расчет напряженно-деформированного состояния основания с применением модели упруго-идеальнопластической среды выполнен с использованием программы "Геомеханика", разработанной А.Б.Фадеевьш. Задача была решена методом конечных элементов с итерационным шаговым процессом вычисления напряжений и деформаций. В расчетах приняты характеристики грунта, близкие к характеристикам исследуемого суглинка.

Полученные в результате расчета осадки штампа оказались значительно ближе к опытным по сравнению с осадками штампа, вычисленными методом послойного суммирования деформаций; эпюры распределения напряжений с, по рассмотренным вертикалям ближе к опытным по сравнению с решениями теории линейно-деформируемой среды. Вместе с тем по опытным данным напряжения аг с глубиной убывают значительно быстрее, чем это следует из вышеуказанных линейных и нелинейного решений. Так, для опытных эпюр ог вдоль вертикали х=0, начиная с глубины г=ЗЬ, определяющими являются природные напряжения, тогда как в расчетных эпюрах на этой глубине дополнительные напряжения еще в 1,5-2 раза больше природных. Таким образом, активная зона сжатия в действительности меньше, чем это получается по теориям линейно-деформируемой или упруго-идеальнопластической среды.

Опытные напряжений стх, зафиксированные в "точках" центральной вертикали до глубины г«Ь, значительно меньше соответствующих теоретических по решениям линейной и нелинейной задач. По результатам решения упруго-вдеальнопластической задачи при малых на-

грузках, начиная с некоторой глубины, в "точках", принадлежащих вертикалям х=0 и х=Ь/2, напряжения стх, вызванные нагрузкой р, приводят к уменьшению природных напряжений (возникающих от собственного веса грунта). Возможно, что в исследованном текстом основании вдоль центральной вертикали возникают растягивающие напряжения <тх, которые в наших опытах не могли быть зафиксированы.

Для оценки возможности применения к расчету грунтовых оснований нелинейной теории упругости результаты исследования были представлены в виде графиков зависимостей Стер, пя -Ti пл м -Y; пл. Обобщение этих зависимостей единым аналитическим выражением представляет собой трудновыполнимую задачу из-за различных и сложных траекторий возрастания напряжений а^.щ, -tj .,„, характерных для большинства исследуемых "точек" основания; из-за нелинейности и различия в характере графиков о^,„т -г^. т и т; пя -у. m; из-за высокой чувствительности грунта к траекториям возрастания напряжений и существенного отклонения от подобия напряженного и деформированного состояний для некоторых "точек" основания. Опытные данные сравнивались с результатами имеющихся расчетов напряженно-деформированного состояния связных оснований в условиях плоской деформации, выполненных с использованием деформационной теории пластичности (В.Г.Федоровский и др., Г.М.Ломизе и др., А.П.Криворотов и др.). Результаты расчетов в качественном отношении достаточно хорошо соответствуют нашим опытным данным по форме графиков осадок, эпюр контактных напряжений, эпюр напряжений и деформаций вдоль вертикальной оси симметрии и др. Однако имеются значительные количественные расхождения, связаннее с неадекватностью физических уравнений, используемых в этих решениях, действительным свойствам грунтов.

Таким образом установлено, что результаты расчетов напряженно-деформированного состояния глинистого основания с применением рассмотренных моделей грунтовой среды в качественном отношении удовлетворительно согласуются с полученными нами опытными данными, однако практическое использование этих методов затруднено заметными количественными расхождениями и трудностями надежного определения параметров используемых расчетных моделей грунта. Эти обстоятельства оправдывают необходимость разработки и применения инженерных методов расчета оснований.

С учетом последнего, нами рассмотрена возможность использо-

вания усовершенствованного метода, послойного суммирования деформаций, разработанного А.П.Криворотовым. Смысл усовершенствования заключается в том,'что осадки вычисляются не сразу от полной нагрузки, а от последовательно действующих одинаковых по величине ступеней нагрузки; мзтод позволяет учесть изменение глубины активной зоны сжатия основания в процессе возрастания нагрузки; учесть влияние собственного веса гранта й постепенное изменение деформационных характеристик в различных точках основания.

Усовершенствованный метод послойного суммирования деформаций применен при расчете осадок четырехэтажного жилого дома N19 по ул. Мира в г. Новосибирске, в процессе эксплуатации которого произошли осадки сверх предельно допустимых. Полученные усовершенствованным методом осадки оказались близки к реальным и практически в два раза больше рассчитанных по СНиП 2.02.01-83. Использование усовершенствованного метода на стадии проектирования здания позволило бы избежать возникновения аварийной ситуации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика исследования грунтового основания позволила установить полное напряженное и деформированное состояния глинистого основания жесткого полосового штампа, что выгодно отличает полученные в опытах результаты от имеющихся. Для исследования напряженного и деформированного состояния грунта использован оригинальный прибор трехосного сжатия с независимым регулированием величин главных напряжений, позволяющий создавать сложное напряженное состояние образца.

2. В приборе трехосного сжатия выявлены зависимости "напряжения-деформации" на всем диапазоне возрастания давлений - вплоть до. разрушения образца. Основные положения гипотезы о линейной деформируемости, однородности и деформационной изотропности исследованных глинистого и песчаного оснований не подтвердились на всем диапазоне их загружения. Для глинистого грунта последовательность возрастания напряжений при фиксированных конечных значениях отражается на величине деформаций в меньшей степени, чем для песка.

3. Распределение нормальных контактных напряжений по подошве жестких полосовых штампов и фундаментов мелкого заложения, расположенных на глинистых грунтах подобных исследованным, при нагрузках, не превышающих расчетного сопротивления грунта, в практических расчетах без большой погрешности можно считать равномер-

ным. Касательные напряжения, действующие по подошве штампа, направлены от оси симметрии штампа к его граням.

4. Эпюры распределения напряжений и деформаций по центральной вертикали системы "штамп-основание" принципиально отличаются от полученных по теории линейно-деформируемой среды: опытные эпюры имеют'максимум на некоторой глубине; концентрация опытных вертикальных напряжений выше и увеличивается с ростом нагрузки.

5. Исследуемое глинистое основание обладает деформационной неоднородностью и слабо выраженной деформационной анизотропией, характер которых изменяется в процессе» увеличений внешней нагрузки; первый из этих факторов необходимо учитывать в расчете1 осадок фундаментов. ! 1 " ; v 1

6. Фактическая глубина активной зоны сжатия исследованного глинистого основания меньше, чем установленная по СНиП 2.02.01-83.

7. Результаты расчетов с использованием моделей нелинейно-деформируемой среды качественно ближе к опытным данным , чем результаты.решений с использованием теории линейно-деформируемой среды.

8. Результаты комплексных исследований дают возможность оценить применимость методов линейной и нелинейной механики грунтов (математически строгих и приближенных) к расчету напряженно-деформированного состояния оснований из глинистого фунта.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Кемеров В.Д., Халтурина Л.В. Деформации производственного здания после подъёма уровня фунтовых вод // Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1986. -N11. -С. 24-26.

2. Халтурина Л.В., Криворотое А.П. О возможности применения модели линейно-деформируемой изотропной полуплоскости для прогнозирования напряженно-деформированного состояния фунтовых оснований // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1987. -N 10.

-С. 119-123.

3. Халтурина Л.В., Криворотое А.П. Напряженное состояние глинистого основания жесткого полосового штампа // Строительные конструкции зданий и сооружений. -Барнаул: АлтПИ, 1989. -С. 122127.

4. Криворотов А.П., Халтурина Л.В. Напряженное состояние глинистого грунта в контактном слое под подошвой жесткого полосового штампа // Основания, фундаменты и механика грунтов. -1991. -N 2. С. 20-23.

5. Халтурина Л.В. Напряженно-деформированное состояние глинистого основания жесткого полосового штампа // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1995. -N 1. -С. 15-21.

6. Халтурина Л.В. Деформированное состояние глинистого основания жесткого полосового штампа // Сб. науч. тр. АлтГТУ I Перспективные строительные конструкции и технологии. -Барнаул, 1994.-С. 17-22.

7. Криворотов А.П., Халтурина Л.В. Эффективность учета изменения деформационных характеристик грунта в расчетах осадок фундаментов // Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. / Лессовые проса-дочные грунты; исследования, проектирование и строительство. - Барнаул, 1996.-С. 111-112.

Остальные работы опубликованы в сборниках тезисов докладов научно-технических конференций НИСИ и НГАС за 1984, 1985, 1991, 1993-1996 гг.