автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Исследование несущей способности однородного основания внецентренно нагруженного заглубленного фундамента

На правах руужписи

Ермаков Олег Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОДНОРОДНОГО ОСНОВАНИЯ ВНЕЦЕНТРЕННО НАГРУЖЕННОГО ЗАГЛУБЛЕННОГО ФУНДАМЕНТА

Специальность 05,23.02 - «Основания и фундаменты, подъемные

сооружения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2005

Работа выполнена в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель

Советник РАЛСН доктор технических наук профессор Богомолов А.Н.

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Цветков В.К. кандидат технических наук доцент Торпшн Д.П.

Ведущая организация: Пермский государственный технический университет

Защита состоится «22» июня 2005 юда в 10 часов на заседании диссершциогшого совета Д 212.026.01 в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:

400074, г. Волгоград, уч. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградског о государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан <£2>> мая 2005 года

Ученый секретарь диссертационно: о сове!а

доктор технических наук, профессор

51464049

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Определение несущей способности грунтовых оснований заглубленных фундаментов в соответствие с принятыми у нас в стране и за рубежом нормами проектирования является одним из основных и обязательных расчетов по первой группе предельных состояний. О важное га этого говорит само количество научных исследований, посвященных этому вопросу.

Известно, что большинство эксплуатируемых и строящихся ленточных и плитных фундаментов загружаются в71ецентренно - эпюра нагрузки имеет трапециевидную форму.

Нагрузка на фундаменты под колонны задается в виде одной сосредоточенной центрально приложенной силы и момента некоторой пары сил. Из курса механики известно, что такое сочетание силовых факторов тоже может быть приведено к нагрузке, распределенной по закону трапеции.

Поэтому, задача об исследовании процесса изменения несущей способности основания заглубленного фундамента, находящегося под действием трапециевидпой нагрузки, в зависимости от физико-механических свойств грунта и величины интенсивности внешнего воздействия является весьма актуальпой.

Целью диссертационной работы является выявление закономерностей изменения величины несущей способности однородного и изотропного основания ленточного или плитного фундамента мелкого заложения, в процессе его неравномерного нагружения. Разработка на этой основе компьютерной программы, позволяющей прогнозировать изменение несущей способности однородного основания таких фундаментов для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств грунта основания, 1 еометрических параметров фундаментов и интенсивности внешней нагрузки.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Обоснована необходимость решения задачи об определении величины несущей способности основания фундамента мелкого заложения, находящегося под действием внецен гоенно приложенной расиределешгой

2. Определены и обоснованы пределы изменения параметров, влияющих на процесс изменения несущей способности основания.

Показаны преимущества применения методов теории функций комплексного переменного для достижения поставленной цели.

4. Определены коэффициенты ошбражагащей функции, совершающей конформное отображение нижней полуплоскости на полуплоскость с трапециевидным вырезом, имеющей различные значения отношения глубины выреза к его ширине. Составлены и отработаны расчетные схемы

5 В результате компьютерного моделирования рассматриваемого в работе процесса, подучены графо-аналитические зависимости величины коэффициента устойчивости основания заглубленного фундамента от численною значения величины интенсивности внешней внецентренно приложенной нагрузки для всех рассмотренных в работе сочстний реальных значений физико-механических свойств грунта основания, I еометрических параметров фундаментов.

6. Разработана и апробирована компьютерная профамма, позволяющая вычислять величину несущей способности основания внецентренно нагруженного ленточного фундамента мелкого заложения для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств груша основания, 1 еометрических параметров фундаментов и интенсивное ги внешнего воздействия, рассмотренных в настоящей работе.

7. Проведено сопоставление результатов компьютерного моделирования с результатами исследований, проведенных сторонними авторами, и результатами моделирования процесса разрушения оснований незаглубленных штампов, проведенных в лаборатории кафедры «Информатика и вычислительная математика» Волгоградского государс1 венного архитектурно-строительною университета и лаборатории «механика грунтов» Тамбовского государственного 1ехническою университета.

8. Результаты исследований внедрены при проведении учебною процесса в Вол1 ГАСУ и решении прик идных задач.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций

диссертационной работы обусловлены:

..и ^л«* .

• теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения методов теории функций комплексною переменного. теории упругости, механики грунтов и инженерной геологии;

• удовлетворительным соответствием результатов эксперименюв, проведенных в лабораторных условиях, результатам юоретических исследований при различных значениях параметров внешней нафузки и физико-механических свойств эквивалентного материала;

• качественной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами опытов, проведенных независимо от нас другими авторами. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Для анализа напряженно-деформированного состояния однородною ¡рунтового основания фундамента мелкого заложения использовано аналитическое решение первой основной задачи теории упру! ос га для однородной весомой полуплоскости с трапециевидным вырезом на горизонтальной внешней границе, полученное методами теории функций комплексного переменного.

2. При вычислении величины коэффициента усшйчивости и построении наиболее вероятной поверхности выпора (НВПВ) грунта использована методика проф. В.К.Цветкова. Согласно этой методике положение и форма НВПВ не считаются заранее известными, не используется гипотеза об образовании под подошвой фундамента уплотненного грунтового ядра Основание весомо, обладает внутренним фением и сцеплением.

3. Получены графо-аналитические зависимости величины коэффициента устойчивости основания от всех рассмотренных в работе факторов.

4. Создана база данных, положенная в основу разработанной авюром вычислительной профаммы для ШМ-совместимых компьютеров, позволяющей определять величину коэффициента устойчивости однородного фунтовою основания фундамента мелкого заложения, нафуженного трапециевидной нафузкой.

Практическая ценность работы Диссертационная работа является час!ью научных исследований, проводимых на кафедре «Информатика и вычислительная математика» Волгофадского государственного архитектурно-строительного университета с 1990 годов по настоящее время. Резулыаш,

полученные при проведении исследований по теме диссертации, могут быть использованы для:

1) расчета величин критических и предельных нагрузок в процессе проектирования основания;

2) прошоза поведения основания в следствии изменения физико-механических свойств грунтов и величин внешних нагрузок за счет техногенных и антропогенных воздействий;

3) оценки надежности оснований реконструируемых и ремонтируемых сооружений;

4) проведения учебных занятий, курсового и дипломного проектирования для студентов строительных специальностей.

Апробация работы. Результаты исследований проведенных автором докладывались на ежегодных научно-технических конференция Волго1радского государственною технического университета (2002-2005г г.), научно-методических семинарах кафедры «Информатика и вычислигельная математика» ВолгГАСУ (2002-2005г.г), Международной научно-технической конференции по проблемам механики грунтов, фундаменюстроениго и транспортному строительству (Пермь, 2004 г.). Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных ма!ериалов, конструкций и оснований» (Волгоград, 20051.) Личный вклад автора заключается в:

V обосновании актуальности темы диссертационной работы, определении основной ее цели и формулировке задач, которые необходимо решить в процессе работы над диссертацией;

> использовании метода «плавающих точек» проф. В.К.Цветкова для определения коэффициентов отображающей функции в случае отображения односвязной полубесконечной области на полубесконечнуто область.

> отработке и обосновании выбора расчешых схем;

V проведении компьютерного моделирования процесса внецешренно нагружения и последующего разрушения основания за! дубленного ленючного фундамент, анализе и обработке его результатов, получении аппроксимирующих зависимостей;

у разработке алгоритма расчета величины несущей способности грунтового основания внепентренно нагруженною ленточного фундамента мелкою

заложения в зависимости ото всех, рассмотренных в настоящей работе факторов; формализации этого алгоритма в компьютерную программу. > проведении экспериментальных исследований на моделях, сопоставительных расчетов и обработке результатов, полученных другими авторами, что позволило сделать вывод о достоверности результатов настоящей диссертационной работы. На защиту выносятся: 1 Результаты компьютерного моделирования процесса нагружения и последующего разрушения однородного грунтового основания внецентренно нагруженного ленточного фундамента мелкого заложения, выявленные закономерности этого процесса и полученные на их основе графо-аналитические зависимости. 2, База данных и компьютерная программа, позволяющая вычислять величину коэффициента устойчивости однородного фунтового основания ленточного фундамента мелкого заложения для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего воздействия, рассмотренных в настоящей работе. 3 Результаты внедрения рекомендаций диссершционной работы в практику строительства.

Результаты научных исследований внедрепы ЗАО «Химремреч» при возведении фундаментов под насосную станцию котельной завода ОАО «Волжский Оргсинтез» и ООО «Универсалмонтажстрой-М» при проведении проектно-изыскательских и строительных работ по возведению фундамента под котел ЛЬ 7 (СК29/24) котельной № 2 ООО «Волгофадский завод технического углерода». Общий экономический эффект составил 135000 рублей.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка из 107 наименований и приложений, изложенных на 189 страницах машинописного текста. Диссертация включает в себя 111 рисунков и 262 таблицы.

Автор выражает ыубокую благодарность коллективу кафедры «Информатика и вычислительная математика» ВолгГАСУ за поддержку и помощь при проведении исследований, доцентам О.В. Евдокимцеву и

ассистенту Т.В.Ерещенко за оказанную помощь при проведении экспериментальных исследований, старшему преподавателю Нестрашву М.Ю за помощь при написании компьютерной программы.

Особую признательность и благодарность автор выражает научному руководителю советнику РААСН, почетному работнику высшего образования РФ, доктору технических наук, профессору А.ШБогомолову за неоценимые помощь, советы и поддержку, оказанные автору, во время работы над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования несущей способности однородных оснований фундаментов мелкого заложения, находящихся под действием трапециевидной нагрузки. Здесь же сформулирована цель диссертационной работы и основные этапы её достижения, указаны научная новизна работы, практическая значимость, апробация работы, основные положения, выносимые на защиту. Так же представлены данпые о практическом внедрении и список основных публикаций автора.

Первая глава диссертационной работы посвящена обоснованию темы диссертации, анализу существующих методов расчета величины несущей способности оснований ленточных фундаментов мелкого заложения и выбору на этой основе метода, который будет использован в диссертационной работе в качестве расчетного.

Вопросам исследования несущей способности оснований фундаментов мелкого заложения посвящены многие работы А.К.Бугрова, АЛ [.Богомолова, С.С.Вялова, А.Л.Гольдина, М.Н.Гольдштейна, М.И.Горбунова-Посадова, Ю.К.Зарецкого, А.Л.Крыжановского и Г.М.Ломизе, М.В.Малышева, Ю.Н.Мурзенко, В.Н.Николаевского, В.И.Соломина, В.Н.Широкова, В.В.Соколовского, А.С.Строганова. З.Г.Тер-Мартиросяна, И В.Федорова, В.К Цветаева Н.А.Цытовича, K.Akai, R.Hilscher, H.Lundgren и K.Mortensen. G.Tschbatarioff, R.F.Scott, Z.Mroz и многих других отечественных и зарубежных ученых.

На основе анализа современных методов расчета величины несущей способное ш (коэффициента устойчивости К) однородного основания

лен 1 очного фундамента мелкого заложения был сделан вывод о том, что при определении величины К целесообразно использовать аналитическое решение первой основной задачи теории упругости, полученное проф. А.Н.Богомоловым на основе использования методов теории функций комплексного неременного, для вычисления напряжений в точках грунтового массива и методику проф. В.К 11веткова - для построения наиболее вероятной поверхности выпора груша.

Такой подход, впервые предложенный А Н.Богомоловым и Д.П.Тортиным, для однородного основания, находящегося под действием равномерно распределенной нагрузки, выгодно отличается гем, что он учитывает коэффициент бокового давления плотность и сдвш овыс характеристики грунта. При эюм не используется гипотеза об образовании под подошвой фундамента уплотненного грунтового ядра какой-либо заданной заранее формы, не считаются заранее заданными общий вид, размер и положение в активной зоне фундамент наиболее вероятной поверхности выпора (НВПВ).

Во второй главе диссертационной работы исследовано влияние различных факторов на напряженно-деформированное состояние и величину коэффициента устойчивости внецентренно нагруженного основания заглубленного фундамента

К анализируемым факторам (параметрам) отнесены начальная и конечная интенсивности распределенной нагрузки (в том числе их разность 1щ~цгцг, которая определяет величину эксцентриситета нагрузки), геометрический параметр фундамента - отношение его ширины к глубине заложения 2Ь/И?, сдвиговые характеристики грунта: угол внутреннего трения <р и удельное сцепление С, влияние которого учитывается непосредственно через величину приведенного давления связности «тсв- С{-/ЬгЩ<р)^, и коэффициент бокового давления фунта (я.

На рис.1 показана картина ориентации площадок наиболее вероятного сдвига в основании заглубленного фундамента при условии, что 26/й,-1,5; <71=10^, и с/2_20^г„ а физико-механические свойства фунта следующие-^19,62кН/м3; г/г=15°; 00,117МПа; £>=0,75 (у, щ С и $ - соответсгвенно плотность, угол внутреннего трения, сцепление и коэффициент бокового давления фунта)

Рис 1 Картина ориентации площадок наиболее вероятною сдвига в основании впецептренно нагруженного фундамен га

На рис. 2 приведены изолинии вертикальных а2. горизонтальных о? и касательных т1Х напряжений, действующих в активной зоне фундамента при описанных выше условиях.

На рис. 3 показаны области пластических деформаций грунта при условии, что 2й//г=0,5, (а); д,=)4ук (б); Ц\~\Ъук (в), а

сдвиговые характеристики грунта такие же, как в предыдущих примерах.

1

а)

Гч

б)

—у

в)

Рис 3 Границы областей пластических деформаций при 2Ь/Ъ=0,5. т]~ 1,5 и (а),

Рис 4 Ориентация площадок наиболее ьсрояшого сдвига и наиболее ксрояшью линии выпора, построенные в правую (а) и левую (б) стороны от фундамента

На рис.4 приведены картины ориентации наиболее вероятных площадок сдвига в активной зоне фундамента и наиболее вероятные поверхности выпора, построенных по методике проф. В.К.Цветкова к обе стороны о г фундамента /утя условия (а) предыдущего примера. Налицо явная асимметрия всех перечисленных выше картин. Численные значения коэффициентов устойчивости для поверхностей выпора, построенных вправо и влево от фундамента не одинаковы и равны, соответственно, Кжв-3,79 и Ар„ав~3,34, т.е. отличаются на 12%.

Если фундамент нагружен равномерно, выпор грунта теоретически может произойти по любую сторону от фундамента, т к. оба возможные направления выпора фунта являются равноправными в силу симметричности полей напряжений относительно вертикальной оси, проходящей через середину фундамента, и одинаковости физико-механических свойств грунта в каждой точке основания.

В том случае, когда интенсивность внешней нафузки не постоянна по ширине фундамента, картина резко меняется даже в случае однородною основания, что достаточно ярко иллюстрируют приведенные выше примеры

Отметим, что нами для иллюстрации специально взяты две величины отношения 2Ь/1г!--0,5;1,5 для того, чтобы показать справедливость наших утверждений для любого его значения.

Рис.5 График для определения величины Д^

Нами проведены специальные вычисления для определения величин разности Д 4~дгЯ2, когда при определении величины коэффициента устойчивости основания возникает необходимость учитывав неравномерное распределение на) рузки по ширине фундамента. Оказалось, что вне зависимости от того, какова величина отношения 2Ык3, численные значения Лд могут быть определены по графику, приведенному на рис.5.

\

Рис 6 График зависимости иида К-](2Ы1ь)

Рис 7 График зависимости вида А'-^/^,)

На рис.6 приведен график зависимости величины коэффициента устойчивости основания К от отношения 2Ш3, построенный но результатам вычислений величины К при оговоренных выше трутовых условиях. Из

рисунка видно, что с увеличением отношения 2Ык& величина коэффициента устойчивости основания уменьшается и асимптотически стремиться к некоторому значению, которое соответствует ситуации, когда глубина заложения фундамента /г.,-О, что находигея в прямом соответствии с известными положениями.

Для того, чтобы проиллюстрировать зависимость величины коэффициента устойчивости основания от величины q). нами проведены вычисления значений К однородного фунтового основания ленточною фундамент мелкого заложения при условии, что величина с/;—2,0; 5,0; ] 0,0; 15,0; 20,0 т.е. изменяется от 80 до 800 к11а, а все остальные параметры, определяющие величину К, остаются такими же, как в предыдущем примере.

На рис.7 приведен результат вычислений в виде графика зависимосш К-ЦцС) Анализ этого графика говорит о том, чю при неограниченном росте величины величина К—»0. Это также является тривиальным результаюм.

Изучая влияние численных значений прочностных (сдвиговых) характеристик грунта приведенного давления связности стсв и угла внутреннего трения (р на величину коэффициента устойчивости основания, мы провели вычисление величин К при условии, что 2ЫИ-=\,0; 71=10^,; г]=~-2; величина коэффициента бокового давления ^,=-0,75 для двух случаев:

1. Величина угла вну феннего трения принята постоянной и равной ср= 15 , а величине приведенного давления связности последовательно присваивался ряд значений <хсв=1,0; 3,0; 6,0; 11,0; 15,0. 2 Величина приведенного дав пения связности зафиксирована и принята равной сгса= 11, а величине угла внутреннего трения, напрошв, последовательно присваивался ряд значений (¡7=2 ; 5°; 10 ; 15 ; 20 ;25°. Оказалось, что зависимости вида К'-Ц(р) при гтС1гхош1 и К=/{стс„) при <р=сопя!, прииведенные соответственно на рис.8 и 9, практически линейны.

Аналогичный результат был получен Д.П. 1оршиным, когда он исследовал процесс изменения ветичины коэффициента устойчивости однородного фунтового основания ленточного фундамента мелкого заложения, находящегося под действием равномерно распределенной нагрузки

Одной из важнейших характеристик грунта, определяющей напряженно-деформированное состояние ненарушенного массива, является коэффициент бокового давления

Известно, что в естественных условиях эта величина может принимать значения 0,3 - 0,4 для скальных и песчаных грунтов, 0,75 - 0,85 - для глин. Однако во всех нормативных документах приводятся расчетные формулы, полученные в предположении, что . Это предположение, например, положено в основу формул действующего СНиЛ для вычисления величины предельного сопротивления основания и величины его несущей способности.

Для выяснения, каким же образом величина коэффициента бокового давления влияет на величину коэффициента устойчивости однородного основания ленточного фундамента мелкого заложения, нами проведены расчеты величины К, при условии, что 26//у~1,0; интенсивность внешней нагрузки ц\ принимает два значения: <7)=10^ и ц~2, а величина

коэффициента бокового давления последовательно принимает следующий ряд значений £о-0,2; 0.3; 0,5; 0,75; 1,0, 1,5. Результаты вычислений приведены на рис. 10.

Рис 8 График зависимости вида <р) при СТсв=С011Л

Рис 9 График чависимоо и вида АГ-Д(тс1!) при р=сош(

22 2 ] 8

к!

— • 14 12

05

01 0 4 06 08 1 12 И

Рис 10. Графики зависимости вида К~;/(&) при (сплошная линия) и при

ук, (пунктир)

Из рис. 10 видно, что чем больше величина интенсивное л и внешнего воздействия тем меньшее влияние оказывает величина коэффициента бокового давления на величину коэффициента устойчивое ги основания К. Так, при Щу-Л§}41, величины К при ¿(,=0,2: £/=0.75 и при ¿У)=1 ,5 (такое возможно только при наличии сжимающих тектонических сил) отличаются друг от друга соответственно не более чем на 7% и 13%. Аналогичные результаты получены и при других значениях величины отношения 2ЫЪ6. Следовательно, величину коэффициента бокового давления при решении задач, об определении величины коэффициента устойчивости оснований фундаментов, можно не учитывать.

В третьей главе диссертации излагаются результаты компьютерного моделирования процесса внецентренпого нагружения и последующе1 о разрушения однородного основания фундамента мелкого заложения.

Определив, при помощи метода «плавающей точки» проф. В.К.Цветкова, коэффициенты отображающей функции и используя прием, предложенный проф. А.Н.Богомоловым для имитации прямоугольного выреза на границе полуплоскости, нами разработаны расчетные схемы для фундаментов, имеющих геометрический параметр 2Мг,=0,2;0,5;1,0;1,5.

Для того, чтобы охватить весь возможный диапазон изменения физико-механических свойств грунтов и внешних нагрузок, все вычисления в процессе компьютерного моделирования проведены для следующих значений переменных параметров: приведенное давление связности <т®-=0,5; 2,5; 5,0; 7,5; 10,0; 13,0; угол внутрештего трения (р~5°; 10°; 15"; 25°; начальная

Рис 11 ёлок схема компъклерной программы

интенсивность распределенной нагрузки ¿/2-5,0;Л,; 1 Oyh^lQyh^ величина отношения ;0,45;0,9 Значение плотности грунта принято

у~2т/м3=19,62кН/м3.

Построение наиболее вероятной поверхности выпора проводилось в обе сюроны от фундамента. При этом использована компьютерная программа, разработанная на кафедре (-Информатика и вычислительная математика» ВолгГАСУ (авторы А.П.Богомолов, А.В.Редин, А.Н.Ушаков). В результате обработки полученных данных нами были построены i рафические зависимости вида K=f(aL„) (см. рис.3.1-3.50 на стр. 76-123 диссертационной работы).

Оказалось, что уравнения всех этих кривых могут быть записаны в виде

К=асгса2+Ь(Тсь+с, (1)

причем, ошибка аппроксимации в подавляющем большинстве случаев не превышает 7%.

Численные значения коэффициентов аппроксимирующих полиномов образуют базу данных разработанной и опубликованной нами программы для IBM-совместимых компьютеров, блок-схема которой приведена на рис. 11.

Программа позволяет определив величину коэффициента устойчивости основания по величинам задаваемых расчетных параметров.

Изменяя величину интенсивности внешнего воздействия q\ и цъ достигается ситуация, когда величина вычисляемого коэффициента устойчивости К, будет равна заданной проектной величине К„р, т.е. K=K„V. Эти значения qi и q2 и определяют величину несущей способности основания внецентренно натуженного фундамента мелкого заложения.

Еще раз отметим, что при создании базы данных для анонсированной программы, нами использованы данные, полученные при построении наиболее вероятных поверхностей выпора вправо от фундамента, т.к. для этих поверхностей коэффициенты устойчивости (при всех прочих равных условиях) всегда оказывались на % ниже, чем для HBIIB, построенных в левую сторону от фундамента.

В че(вертой главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований процесса внецентренного нагружения и последующего разрушения моделей оснований заглубленных фундаментов мелкою заложения, проведенных в лаборатории кафедры «Информатика и вычислительная математика» Волгофадско) о государственного архитектурно-строительного университета и в лаборатории «Механика грунтов» Тамбовского

государственного технического университета, при содействии кандидата технических наук О.В.Евдокимцева.

На рис. 12 приведена принципиальная схема лабораторной установки для моделирования процесса разрушения однородного основания внецеятренно нагруженной модели заглубленного фундамента.

Рис 12. Схема лабораюрной установки 1 - металлический лоюк, 2 - прозрачная стенка, 3 - полосы окрашенного песка; 4 - рычаг, 5 - противовес, 6 - грузы, 7 штамп (модель фундамента)

Лоток заполнен песком, имеющим следующие характеристики: плотность у- 19,11кН/м\ сцепление С - 2,35кПа; угол внутреннего трения (р~ 28".

В эксперименте использовались абсолютно жесткие штампы, выполненные из бетона, и имеющие размеры 50x120; 60x120 и 80x120мм, что соответствует величинам отношения длин их боковых сторон а/с = 2,4; 2,0; 1,50.

Для каждого из штампов проведено по три серии из шести опытов, целью которых, было определить величину разрушающего усилия Рр, при условии, что оно прикладывалось с эксцентриситетом е0 = 0,5Л (Ь - полуширина штампа), а чисченное значение отношения ширины фундамента к глубине его заложения принимало три значения: 2Мг=1,0; 0,5; 0,3. Средние значения разрушающих усилий оказались соответственно равны: />р{2,4)=0,76кН, Рр(2,оГ0,92кН и 3)=1,36кН.

Используя разработанную нами компьютерную программу для средних значений, полученных экспериментально, разрушающих усилий вычислены соответствующие им коэффициенты усюйчивосги. Они оказались рапными

^(2,4р1,08; К(,27 и К(1 ,)=] ,354. Численные значения тех же коэффициентов устойчивости, но уже найденные на основе применения программы, использующейся в настоящей диссертационной работе в качестве инструмента математического моделирования, соответственно равны: 1,047; К{10рК18 и А",;;;-1,247.Не фудно видеть, что отличие расчетных значений К от 1 находится в пределах 4,% - 35,4%, причем, отличие тем меньше, чем меньше 01 ли чаются условия опыта от условий плоской задачи.

Аналогичные опыты проведены нами и в лаборатории кафедры «Информатика и вычислительная математика» ВолгГАСУ. Задачей эксперимента является определение величины внецентренно приложенного внешнего усилия, при которой произойдет выпор фунта из-под модели фундамента.

Лабораторная установка состоит из деревянного лотка с прозрачной передней стенкой, выполненной из оргстекла, размерами 1200x300x650 мм; тарированного динамометра ДОСМЗ-02; набора металлических пластин, имитирующих модели фундаментов, и рычажно-виптовой системы, передающей нафузку.

В качестве эквивалентного материала использована смесь песка средней крупности с машинным маслом, обладающая следующими физико-механическими характеристиками: плотность ^=1,5х104к-г/м3: сцепление С~1,225Кпа; уюл внутреннего трения </7=12°; коэффициент бокового давления ¿1=0,5. Величина определена путем протаскивания вертикально и I оризонтально расположенных металлических линеек через голщу эквивалентного материала.

Всего было проведено три серии экспериментов для трех значений эксцентриситета ео=0,2; 0,3; 0,5, которые состояли из четырех опытов каждая. Результаты экспериментов приведены в таблице 1. Здесь же приведены средние значения разрушающей нафузки, полученные экспериментально, ее расчетное значение, определенное с помощью разработанной нами компьютерной нрофаммы, и разница между этими значениями, выраженная в процентах.

Анализируя данные, приведенные в таблице 1, можно сделать вывод о том, что экспериментально порученные и расчетные значения предельно допустимой нагрузки, отличаются дру! от друт а не более чем на 16,41 %.

Нами проведено так же сравнение траекторий смешения частиц песка под внеценфенно нафуженным абсолклно жестки штампом, полученных

1аблица ].

№ опыта Значение предельно допустимой нагрузки, Лш, (кН)

е„ = 0,2 <?0=о,з е„ = 0,5

1 2 3 4

1 0,74 0,66 0,52

2 0,81 0,69 0,57

3 0,69 0,63 0,54

4 0,78 0,65 0,59

Среднее эксперимен тальное значение Рс рэ 0,755 0,658 0,555

Расчетное значение Р р 0,69 0,55 0,47

АРср 8,61% 16,41% 15,45%

М.В.Малышевым методом фотофиксации, с траекториями, полученными нами теоретическим путем. В результате установлено, что линии тока, построенные для условий, аналогичных условиям опыта М.В. Малышева, на основании методики, принятой в настоящем исследовании в качестве расчетной, визуально практически совпадаю! с экспериментальными траекториями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Практически все, рассмотренные в диссертационной работе, методы расчета несущей способности грунтового основания имеют большое количество недостатков, основные из которых нами прокомментированы. Установлено, что наиболее адекватно условия работы основания загубленного фундамента отражают методы, основанные на решениях соответствующих задач методами теории функций комплексного переменного. Эти методы применительно к механике грунтов, по-видимому, впервые нашли свое отражение в работах З.Г7 ер-Мартиросяна, Д.М.Ахпателова и Г.Е.Шалимова, В.А.Лыткина и И.Н.Фотиевой, В.КДветкова, А.Н.Богомолова и продолжают использоваться для решения различных задач геомеханики.

2. Для проведения компьютерного моделирования процесса внеценгрешюго нагружения и последующего разрушения основания фундамента медкел о заложения использована компьютерная программа, разработанная под руководством проф. А.Н Богомолова. В ней формализован подход,

основанный на анализе напряженно-деформированного сосюяния однородного основания при помощи методов теории функций комплексного переменного. Построение наиболее вероятной поверхности выпора проводится по методике, разработанной проф. В.К. Цветковым.

3. Установлено, что при определении коэффициентов отображающей функции целесообразно использовать методику «плавающей точки», разработанную проф. В.К.Цветковым. Определены пределы изменения переменных параметров, определяющих величину коэффициента устойчивости грунтового основания, что позволило провести планирование численного эксперимента.

4 При проведении компьютерного моделирования процесса разрушения однородного основания фундамента мелкого заложения установлено, что численные значения коэффициентов устойчивости, вычисленные для НВГГВ, построенных влево и вправо от фундамента, в большинстве стучаев отличаются друг от друга на 18% и боаее. Поэтому в случае трапециевидной нагрузки на практике всегда реализуется кинематически возможная схема одностороннего выпора.

5. Если фундамента мелкого заложения впецентренно загружен, то это существенным образом трансформирует напряжешю-деформированное состояние его основания по сравнению со случаем центрального нагружения Чем больше эксцентриситет прикладываемой нагрузки е,>, который определяется величиной отношения rf=q^lq2, чем больше величина отношения ширины фундамента к глубине его заложения 2ЫИ„ тем ярче выражена асимметрия полей напряжений, тем сильнее изменяйся численное значение коэффициента устойчивости основания. Нами установлепо, что заметное отличие размеров, положения и формы областей пластических деформаций, картин ориентации площадок наиболее вероятного сдвига (линий гока), наиболее вероятных поверхностей выпора и соответствующих численных значений коэффициентов устойчивости возникает тогда, когда численные значения вертикальных сгг и горизонтальных ах напряжений, вычисленные для условий внецентренного нагружения, отличаются более чем на 5% от напряжений, вычисленных при условии, что </¡-172. В этом случае расчет устойчивости основания загубленного ленточного фундамента необходамо проводшь с учетом внецешренного нагружения фундамента

6. Величина коэффициента устойчивости однородною основания заглубленного фундамента является функцией интенсивности внешнего воздействия, геометрических параметров фундамента и физико-механических свойств грунта. Зависимости К=Л2Ь/Ь3) и носяг весьма сложный характер и могут быть аппроксимированы кривыми третьей сюпсни и выше. Зависимости вида А"г;Дс/>) и К -({с>са), напротив, просты, и легко аппроксимируются прямыми линиями.

7. Величина коэффициента бокового давления грунта у, оказывает заметное влияние на величину коэффициента устойчивости основания лишь при сравнительно небольших значениях Так, например, при </1=10)4, численные значения коэффициентов устойчивости при (такое возможно только при наличии сжимающих тектонических сил) и при £о=0,2 отличаются друг от друга на 19,5%. Ее™ д^Юук,, то соответствующие коэффициенты устойчивости отличаются друг от друга уже все1 о лишь на 4,9%.

8. В результате проведенных исследований получены графические зависимости вида К-:/{(ти.) для всех возможных сочетаний численных значений переменных параметров, которые определены в главе 111 настоящей диссертационной работы. Оказалось, что все эти графические зависимости с достаточной для инженерной практики степенью точности, могут быть аппроксимированы полиномом второй степени. Численные значения коэффициентов аппроксимирующих полиномов составили базу данных, разработанной автором программы для ГОМ-совместимых компьютеров. Эта программа позволяет вычисля п> величины предельной {К-1) и предельно допустимой нагрузки (К=Я„Р) для однородного фунтового основания заглубленного ленточного фундамента, находяще1 ося под действием трапециевидной нафузки.

9. Результаты проведенных нами экспериментальных исследований показывают, что численные значения величин разрушающей нафузки, найденные экспериментально, отличаются не более чем на 16,4% от соответствующих значений, вычисленных при помощи разработанной автором компьютерной профаммы Кроме того, линии тока, полученные М.В.Малышевым методом фотофиксации, находятся в удовлетвори! ельном качественном соответствии с линиями тока, полученными при помощи компьютерной профаммы, использованной в

насюящей работе в качестве инструмента компьютерного моделирования. Все выше сказанное и результаты внедрения в строительное производство позволяют сделать вывод о достоверности полученных научных результатов и о возможности использования их для практических целей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бпгомопов А Н. Напряженно-деформированное состояние основания заглубленного фундамента, находящегося под действием трапециевидной нагрузки / Богомолов АН, Ермаков 0.5.//Вестник ВолгГАСУ. Серия: Технические науки. Выпуск 2-3(8). 2003. С.18-21.

2. Богомолов АН К вопросу о выборе расчетной схемы при определении критических нагрузок на основание заглубленного фундамента / Богомолов АН, Никитин ИИ, Ермаков ОЛ.//Вестник ВолгГАСУ. Серия: Технические науки Выпуск 2-3(8) 2003. С.28-31.

3. Богомолов А Н Расчет устойчивости основания заглубленного фундамента при действии на него трапециевидной нагрузки / Богомолов А Н, Ермаков ОБ, Сабитова ГЛ.//Сборник трудов Международной научно-технической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и тоанспортному строительству. Пермь, ПГТУ, 2004. С. 22-25.

4. Компьютерная npoipaMMa NDSTRAP для расчета величины несущей способности однородного грунтового основания фундамента мелкого заложения/ Богомолов А Н, Ермаков ОБ, Пестратов М Ю.//Информационный листок № 51-117-04. Волгоград, ЦПТИ. 2004. 4с.

5. Компьютерная программа MDS2 для расчета величины несущей способности двухслойного грунтового основания фундамента мелкого заложения / Богомолов А.Н, Ермаков О В, Дьяков МЮ., Нестратов МЮ.П Информационный листок № 51-118-04. Волгоград, ЦНТИ. 2004. 4с.

6. Богомолов А Н Результаты экспериментальных исследований устойчивости однородных откосов, находящихся под действием трапециевидной нагрузки Богомолов АН, Ерещенко ТВ, Ермаков О. В, Малахова МБ, Сабитова ТА //'Сборник трудов IV Международной научно-технической конференции «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» Волгогра/.ВотпГАСУ 2005. 6с.

В работах [1,2| обосновывается возможность применения МКЭ и используемого в диссертационной работе метода для анализа напряженно-деформированною состояния внецентрепно нагруженного фундамента. В работе [3] излагается предложенная автором методика расчета величины коэффициента устойчивости основания внецентренно нагруженного фундамента. В работах [4;5] описаны компьютерные программы для расчета величины несущей способности равномерно нагруженного двухслойного и внецентренно нагруженного однородного основания заглубленного фундамента, в написании которых автор принимал непосредственное участие. В работе }6] приведены результаты лабораторно! о моделирования процессов разрушения однородных откосов и оснований заглубленных фундаментов.

ЕРМАКОВ ОЛЬГ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОДНОРОДНОГО ОСНОВАНИЯ ВНЕЦЕНТРЕННО НАГРУЖЕННОГО ЗАГЛУБЛЕННОГО ФУНДАМЕНТА

Автореферат

Подписано в печать 18.05.2005 Формат 60*84/16 Бумага офс. Печать плоская. 1 арнитура «limes» Уел -шд л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ №482 Волгоградская государственная архигек1урно~строительная академия 400074, Волго1рад,ул Академическая, 1, ЦИ'1 Секгор оцерашвной полиграфии

РНБ Русский фонд

2006^4 10659

Введение

Глава I Анализ современного состояния методов расчета устойчивости оснований фундаментов мелкого заложения в фазе выпирания грунта.

1.1. Фазы деформирования основания фундамента мелкого заложения.

1.2. Методы расчета устойчивости оснований фундаментов мелкого заложения, основанные на теории предельного равновесия грунтовых масс.

1.2.1 .Решение Г.Е.Паукера.

1.2.2. Решение Л.Прандтля.

1.2.3. Решение Ю.И.Соловьева.

1.2.4. Решение В.Г.Березанцева.

1.2.5. Решение А.С.Строганова, А.С.Снарского и А.А.Безнецкой. ч 1.2.6. Метод Н.М.Герсеванова. с*' 1.2.7. Решение В.Г.Федоровского.

1.3. Методы расчета устойчивости оснований фундаментов мелкого заложения, основанные на процедуре построения вероятной поверхности выпора.

1.3.1. Метод построения круглоцилиндрической поверхности выпора.

1.3.2. Метод Г.Вильсона.

1.3.3. Метод А.Н.Богомолова и Д.П.Торшина.

1.4. Методы, основанные на процедуре определения положения и размеров областей пластических * деформаций.

1.4.1. Решение Лыткина В.А. и Фотиевой Н.Н.

1.4.2. Решение З.Г.Тер-Мартиросяна и Г.Е.Шалимова.

1.5. Анализ методов расчета величины несущей способности оснований фундаментов мелкого заложения.

1.6. Постановка задачи.

Выводы по главе 1.

Глава II. Исследование влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние и несущую способность однородного основания ленточного фундамента мелкого заложения, находящегося под действием трапециевидной нагрузки.

2.1. Факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние однородного основания фундамента мелкого заложения.

2.1.1. Эксцентриситет нагрузки.

2.1.2. Геометрические параметры основания.

2.1.3. Параметры трапециевидной нагрузки.

2.1.4. Прочностные (сдвиговые) характеристики грунта.

2.1.5. Коэффициент бокового давления.

Выводы по главе II.

Глава III. Компьютерное моделирование процесса внецентренного нагружения и последующего разрушения основания ленточного фундамента мелкого заложения.

3.1. Определение параметров расчетной схемы.

3.1.1. Определение коэффициентов отображающей функции.

3.1.2. Назначение границ изменения численных значений параметров, определяющих величину коэффициента устойчивости однородного основания фундамента мелкого заложения.

3.2. Методика и результаты компьютерного моделирования процесса нагружения и последующего разрушения основания заглубленного фундамента, находящегося под действием трапециевидной нагрузки.

3.3. Компьютерная программа для определения величины коэффициента устойчивости однородного основания внецентренно нагруженного заглубленного фундамента.

Выводы по главе III.

Глава IV. Экспериментальные исследования процесса разрушения оснований ленточных фундаментов мелкого заложения, находящихся под действием трапециевидной нагрузки.

4.1. Моделирование процесса разрушения однородного основания внецентренно нагруженного заглубленного фундамента мелкого заложения.

4.1.1. В лаборатории «Механика грунтов» Воронежского государственного технического университета.

4.1.2. В лаборатории кафедры «Информатика и вычислительная математика» ВолгГАСУ.

4.2. Сопоставление линий тока.

Выводы по главе IV.

Актуальность темы диссертации. Определение несущей способности грунтовых оснований заглубленных фундаментов в соответствие с принятыми у нас в стране и за рубежом нормами проектирования является одним из основных и обязательных расчетов по первой группе предельных состояний. О важности этого вопроса говорит и дискуссия на страницах журнала «Основания, фундаменты и механика грунтов», начавшаяся в середине 90-х годов прошлого столетия.

Вопросам исследования несущей способности оснований ленточных фундаментов мелкого заложения посвящены многие работы В.Г.Березанцева [3;4]; А.К.Бугрова [21;22], А.Н.Богомолова [5-20], С.С.Вялова [23-25], Н.М.Герсеванова и Д.Е.Польшина [27]; А.Л.Гольдина [28;29], М.Н.Гольдштейна [30], М.И.Горбунова-Посадова [31-33], Ю.К.Зарецкого [34], Г.К.Клейна [36]; А.Л.Крыжановского и Г.М.Ломизе [43], М.В.Малышева [45;46], Н.Н.Маслова [47-51]; С.Р.Месчяна [53;54]; Ю.Н.Мурзенко [56], В.Н.Николаевского [62], Н.П.Пузыревского [65;66]; В.В.Соколовского [68-70],

A.С.Строганова [73;74], З.Г.Тер-Мартиросяна [75-79;90],

B. А.Флорина [84;85]; В.К.Цветкова [86-88] Н.А.Цытовича [89;90] и многих других отечественных ученых.

Весьма значителен вклад и иностранных ученных в развитие методов решения задач о несущей способности оснований сооружений.

Основателями известных зарубежных школ являются K.Akai [92]; R.Hilscher [96]; H.Lundgren & K.Mortensen [99]; G.Tschebatarioff [107]; R.F.Scott [105]; Z.More [102];

N.R.Morgenstem & J.F.Nixon [103;104] и многие другие исследователи.

Сама грунтовая среда, служащая основанием фундаменту, не статична во времени. Изменения в действии грунтовых и поверхностных вод, неоднородность геологического строения основания, температурно-климатические скачки, условия и технология производства строительных работ, взаимодействие ранее построенных сооружений с вновь возводимыми по соседству зданиями - это далеко не полный перечень обстоятельств, игнорирование хотя бы одного из которых, может привести к разрушению всего сооружения. Ведь, как показывает практика, ошибки при фундировании ведут к общей деформации всего сооружения, независимо оттого, что конструкции его подземной части выполнены безупречно.

Причины аварий промышленных зданий и сооружений, происходящих из-за неудовлетворительной работы системы «фундамент-основание», можно подразделить на следующие группы:

1. Ошибки при выполнении геологических изысканий и определении физико-механических характеристик грунтов, а так же неправильное и неполное использование достоверных результатов прочностных испытаний.

2. Ошибки, допускаемые на стадии проектирования.

3. Ошибки при выборе технологии производства строительных работ.

4. Неадекватный выбор метода расчета.

5. Действие природных сил, вызывающее изменение нагрузок, действующих на фундамент, и физико-механических свойств грунтового основания.

Первые четыре группы причин полностью обусловлены субъективным «человеческим фактором» и в идеале вероятность их возникновения может быть сведена до очень малой величины.

Пятая группа причин - абсолютно исключает свое регулирование со стороны кого-либо из участников процессов инженерно-геологических изысканий и испытания грунтов, проектирования и строительства инженерных сооружений. Последние могут лишь предполагать безотносительно времени о возможности возникновения этих причин и принять превентивные меры.

В последнее время особенно остро встал вопрос о реконструкции жилых зданий, возведенных в конце 50-х -начале 60-х годов минувшего столетия, так называемых «хрущевок».

Существует множество проектов по их перепрофилированию, перепланировке и увеличению этажности.

Любое из этих мероприятий влечет за собой изменение, порой очень существенное, в разы, нагрузки на основания фундаментов, что может вызвать их разрушение.

Реконструкция старого жилья - это лишь малая часть той работы, которая ведется по возвращению в сферу материального производства зданий и сооружений, возведенных несколько десятилетий назад.

Известно, что большинство эксплуатируемых и строящихся ленточных и плитных фундаментов загружаются внецентренно -эпюра нагрузки имеет трапециевидную форму.

Из курса теоретической механики известно, что такая распределенная нагрузка может быть заменена одной сосредоточенной центрально приложенной силой и моментом некоторой пары сил, а именно так, задается нагрузка для фундаментов под колонны.

Поэтому задача исследования несущей способности основания заглубленного фундамента, находящегося под действием трапециевидной нагрузки, вследствие изменения физико-механических свойств грунта и величины интенсивности внешнего воздействия является весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является выявление закономерностей изменения величины несущей способности однородного и изотропного основания ленточного или плитного фундамента мелкого заложения, в процессе его неравномерного нагружения. Разработка на этой основе компьютерной программы, позволяющей прогнозировать изменение несущей способности однородного основания фундамента мелкого заложения для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего неравномерного воздействия.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Обоснована необходимость решения задачи об определении величины несущей способности основания фундамента мелкого заложения, находящегося под действием внецентренно приложенной распределенной нагрузки.

2. Определены и обоснованы пределы изменения параметров, влияющих на процесс изменения несущей способности основания.

Показаны преимущества применения методов теории функций комплексного переменного для достижения поставленной цели.

Определены коэффициенты отображающей функции, совершающей конформное отображение нижней полуплоскости на полуплоскость с трапециевидным вырезом, имеющей различные значения отношения глубины выреза к его ширине. Составлены и отработаны расчетные схемы

На основе компьютерного моделирования рассматриваемого в работе процесса, получены графо-аналитические зависимости величины несущей способности основания заглубленного фундамента от численного значения величины интенсивности внешней внецентренно приложенной нагрузки для всех рассмотренных в работе сочетаний реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего воздействия. Эти зависимости составили базу данных при разработке компьютерной программы.

Разработана и апробирована компьютерная программа, позволяющая вычислять величину несущей способности основания внецентренно нагруженного ленточного фундамента мелкого заложения для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего воздействия, рассмотренных в настоящей работе.

Проведено сопоставление результатов компьютерного моделирования с результатами исследований, проведенных сторонними авторами, и результатами моделирования процесса разрушения оснований незаглубленных штампов, проведенных в лаборатории кафедры «Информатика и вычислительная математика» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета и лаборатории «механика грунтов» Тамбовского государственного технического университета. 8. Результаты исследований внедрены при проведении учебного процесса в ВолгГАСУ и решении прикладных задач.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлены: теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения методов теории функций комплексного переменного, теории упругости, механики грунтов и инженерной геологии; удовлетворительным соответствием результатов моделирования процессов разрушения оснований моделей фундаментов результатам теоретических исследований при различных значениях параметров внешней нагрузки и физико-механических свойств эквивалентного материала; качественной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами опытов, проведенных независимо от нас другими авторами.

Отметим, что наиболее адекватно условия работы однородного основания заглубленного фундамента отражают методы, основанные на решениях соответствующих задач методами теории функций комплексного переменного. Эти методы применительно к механике грунтов, по-видимому, впервые нашли свое отражение в работах З.Г.Тер-Мартиросяна,

Д.М.Ахпателова и Г.Е.Шалимова [1; 72-79;], В.А.Лыткина и Н.Н.Фотиевой [44], В.К.Цветкова [86-88] и продолжают использоваться для решения различных задач геомеханики [520].

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Для анализа напряженно-деформированного состояния однородного грунтового основания фундамента мелкого заложения использовано аналитическое решение первой основной задачи теории упругости для однородной весомой полуплоскости с трапециевидным вырезом на горизонтальной границе, полученное методами теории функций комплексного переменного.

2. При вычислении значения коэффициента устойчивости и построении наиболее вероятной поверхности выпора, грунта ее положение и форма не принимались заранее известными. Не использовались гипотезы о той или иной форме уплотненного грунтового ядра, образующегося под подошвой фундамента. Основание считалось весомым, обладающим внутренним трением и сцеплением.

3. Получены графо-аналитические зависимости величины коэффициента устойчивости основания от всех рассмотренных в работе факторов.

4. Создана база данных, положенная в основу разработанной автором вычислительной программы для IBM-совместимых компьютеров, позволяющей определять величину коэффициента устойчивости однородного грунтового основания фундамента мелкого заложения, нагруженного трапециевидной нагрузкой.

Апробация работы. Результаты исследований проведенных автором докладывались на ежегодных научно-технических конференция Волгоградского государственного технического университета (2002-2005г.г.), научно-методических семинарах кафедры «Информатика и вычислительная математика» ВолгГАСУ (2002-2005г.г.), Международной научно-технической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Пермь, 2004 г.), Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований» (Волгоград, 2005г.)

Личный вклад автора заключается в: обосновании актуальности темы диссертационной работы, определении основной ее цели и формулировке задач, которые необходимо решить в процессе работы над диссертацией; использовании метода «плавающих точек» проф. Цветкова В.К. для определения коэффициентов отображающей функции в случае отображения односвязной полубесконечной области на полубесконечную область. отработке и обосновании выбора расчетных схем; проведении компьютерного моделирования процесса внецентренно нагружения и последующего разрушения основания заглубленного ленточного фундамента, анализе и обработке его результатов, получении аппроксимирующих зависимостей; разработке алгоритма расчета величины несущей способности грунтового основания внецентренно нагруженного ленточного фундамента мелкого заложения в зависимости ото всех, рассмотренных в настоящей работе факторов; формализации этого алгоритма в компьютерную программу. проведении экспериментальных исследований на моделях, сопоставительных расчетов и обработке результатов, полученных другими авторами, что позволило сделать вывод о достоверности результатов настоящей диссертационной работы.

На защиту выносятся:

1. Результаты компьютерного моделирования процесса нагружения и последующего разрушения однородного грунтового основания внецентренно нагруженного ленточного фундамента мелкого заложения, выявленные закономерности этого процесса и полученные на их основе графо-аналитические зависимости.

2. База данных и компьютерная программа, позволяющая вычислять величину коэффициента устойчивости однородного грунтового основания ленточного фундамента мелкого заложения для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего воздействия, рассмотренных в настоящей работе.

3. Результаты внедрения рекомендаций диссертационной работы в практику строительства.

Публикации. Основные результаты, полученные автором, опубликованы в шести работах.

1. Богомолов А.Н. Напряженно-деформированное состояние основания заглубленного фундамента, находящегося под действием трапециевидной нагрузки / Богомолов А.Н., Ермаков О.В.//Вестник ВолгГАСУ. Серия: Технические науки. Выпуск 2-3(8). 2003. С. 18-21.

2. Богомолов А.Н. К вопросу о выборе расчетной схемы при определении критических нагрузок на основание заглубленного фундамента / Богомолов А.Н., Никитин И.И., Ермаков О. В. //Вестник ВолгГАСУ. Серия: Технические науки. Выпуск 2-3(8). 2003. С.28-31.

3. Богомолов А.Н. Расчет устойчивости основания заглубленного фундамента при действии на него трапециевидной нагрузки / Богомолов А.Н., Ермаков О.В., Сабитова Т.А.//Сборник трудов Международной научно-технической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. Пермь, ПГТУ, 2004. С. 22-25.

4. Богомолов А.Н. Компьютерная программа NDSTRAP для расчета величины несущей способности однородного грунтового основания фундамента мелкого заложения / Богомолов А.Н., Ермаков О.В., Нестратов М.Ю.//Информационный листок № 51-117-04. Волгоград, ЦНТИ. 2004. 4с.

5. Богомолов А.Н. Компьютерная программа MDS2 для расчета величины несущей способности двухслойного грунтового основания фундамента мелкого заложения / Богомолов А.Н., Ермаков О.В., Дьяков М.Ю.П Информационный листок № 51-118-04. Волгоград, ЦНТИ. 2004. 4с.

6. Богомолов А.Н. Результаты экспериментальных исследований устойчивости однородных откосов, находящихся под действием трапециевидной нагрузки / Богомолов А.Н., Ермаков О.В., Ерещенко Т.В., Малахова М.В., Сабитова Т.А.//Сборник трудов Международной научно-технической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. Волгоград, ВолгГАСУ, 2005. С. 9-15.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, приложений и библиографического списка из наименований, изложенных на 191 странице машинописного текста. Диссертация включает в себя 111 рисунков и 262 таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Практически все, рассмотренные в диссертационной работе, методы расчета несущей способности грунтового основания имеют большое количество недостатков, основные из которых нами прокомментированы. Установлено, что наиболее адекватно условия работы основания заглубленного фундамента отражают методы, основанные на решениях соответствующих задач методами теории функций комплексного переменного. Эти методы применительно к механике грунтов, по-видимому, впервые нашли свое отражение в работах З.Г.Тер-Мартиросяна, Д.М.Ахпателова и Г.Е.Шалимова [1;75-79], В.А.Лыткина и Н.Н.Фотиевой [44], В.К.Цветкова [86-88], Богомолова А.Н. [5-20] и продолжают использоваться для решения различных задач геомеханики.

2. Для проведения компьютерного моделирования процесса внецентренного нагружения и последующего разрушения основания фундамента мелкого заложения использована компьютерная программа, разработанная под руководством проф. А.Н. Богомолова. В ней формализован подход, основанный на анализе напряженно-деформированного состояния однородного основания при помощи методов теории функций комплексного переменного. Построение наиболее вероятной поверхности выпора проводится по методике, разработанной проф. Цветковым В.К. [86-88]. Результаты, получаемые на основе использования этой программы, с достаточной степенью точности соответствуют результатам расчетов при основанных на использовании СНиП. Как известно, именно такое значение величины коэффициента бокового давления грунта заложено в расчетные формулы, регламентированные данным нормативным

3. Установлено, что при определении коэффициентов отображающей функции целесообразно использовать методику «плавающей точки», разработанную проф. В.К.Цветковым. Определены пределы изменения переменных параметров, определяющих величину коэффициента устойчивости грунтового основания, что позволило провести планирование численного эксперимента.

4. При проведении компьютерного моделирования процесса разрушения однородного основания фундамента мелкого заложения установлено, что численные значения коэффициентов устойчивости, вычисленные для НВПВ, построенных влево и вправо от фундамента, в большинстве случаев отличаются друг от друга на 18,8% и более. Поэтому в случае трапециевидной нагрузки на практике всегда реализуется кинематически возможная схема одностороннего выпора.

5. Если фундамента мелкого заложения внецентренно загружен, то это существенным образом трансформирует его напряженно-деформированное состояние по сравнению со случаем центрального нагружения. Чем больше эксцентриситет прикладываемой нагрузки е0, который определяется величиной отношения A,=qi/q2, чем больше величина отношения ширины фундамента к глубине его заложения 2b/h3, тем ярче выражена асимметрия полей напряжений, тем сильнее изменяется численное значение коэффициента устойчивости основания. Нами установлено, что заметное отличие размеров, положения и формы областей пластических деформаций, картин ориентации площадок наиболее вероятного сдвига (линий тока), наиболее вероятных поверхностей выпора и соответствующих численных значений коэффициентов устойчивости возникает тогда, когда численные значения вертикальных сгг и горизонтальных ах напряжений, вычисленные для условий внецентренного нагружения, отличаются более чем на 5% от напряжений, вычисленных при условии, что q\~qi• В этом случае расчет устойчивости основания заглубленного ленточного фундамента необходимо проводить с учетом внецентренного нагружения фундамента.

6. Величина коэффициента устойчивости однородного основания заглубленного фундамента является функцией интенсивности внешнего воздействия, геометрических параметров фундамента и физико-механических свойств грунта. Зависимости K=f(2b/h3) и K=f(q\) носят весьма сложный характер и могут быть аппроксимированы кривыми третьей степени и выше. Зависимости вида К=/(<р) и K=f(ace), напротив, просты, и легко аппроксимируются прямыми линиями.

7. Величина коэффициента бокового давления грунта оказывает заметное влияние на величину коэффициента устойчивости основания лишь при сравнительно небольших значениях q\. Так, например, при qi=\0yh3 численные значения коэффициентов устойчивости при

0=1,5 и при £>=0,2 отличаются друг от друга на 19,5%. Если q\=20yhz, то соответствующие коэффициенты устойчивости отличаются друг от друга уже всего лишь на 4,9%.

8. В результате проведенных исследований получены графические зависимости вида K=f(crCJl) для всех возможных сочетаний численных значений переменных параметров, которые определены в главе III настоящей диссертационной работы. Оказалось, что все эти графические зависимости с достаточной для инженерной практики степенью точности, могут быть аппроксимированы полиномом третьей степени. Численные значения коэффициентов аппроксимирующих полиномов составили базу данных, разработанной автором программы для IBM-совместимых компьютеров. Эта программа позволяет вычислять величины предельной СК"=1) и предельно допустимой нагрузки (К=Кпр) для однородного грунтового основания заглубленного ленточного фундамента, находящегося под действием трапециевидной нагрузки.

9. Результаты проведенных нами экспериментальных исследований показывают, что численные значения величин разрушающей нагрузки, найденные экспериментально, отличаются не более чем на 16,4% от соответствующих значений, вычисленных при помощи разработанной автором компьютерной программы. Кроме того, линии тока, полученные М.В.Малышевым методом фотофиксации, находятся в удовлетворительном качественном соответствии с линиями тока, полученными при помощи компьютерной программы, использованной в настоящей работе в качестве инструмента компьютерного моделирования.

10. Все выше сказанное и результаты внедрения в строительное производство позволяют сделать вывод о достоверности полученных научных результатов и о возможности использования их, в том числе и разработанной в настоящем исследовании компьютерной программы, в практике проектирования и строительства.

1. Ахпателов Д.М. Напряженное состояние горных массивов в поле гравитации//Современные методы изучения физико-механических свойств горных пород: Сборник научных трудов ВСЕГИНГЕО, N 48. М., 1972.

2. Белзецкий С.И. Статика сыпучих тел и расчет подпорных стен. СПБ,1914.

3. Березанцев В.Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. Гостехиздат, 1952.

4. Березанцев В.Г. Расчет оснований сооружений. — Л.: Стройиздат, 1970.

5. Богомолов А.Н. К вопросу о выборе расчетной схемы при* определении критических нагрузок на основание заглубленного фундамента /Богомолов А.Н., Никитин И.И., Ермаков О.ВП Вестник ВолгГАСУ. Серия: Технические науки. Выпуск 2-3(8). 2003. С. 18-21.

6. Богомолов А.Н. Напряженно-деформированное состояние основания заглубленного фундамента, находящегося под действием трапециевидной нагрузки / Богомолов А.Н., Ермаков О.В.НВестник ВолгГАСУ. Серия: Технические науки. Выпуск 2-3(8). 2003. С.18-21.

7. Богомолов А.Н. Определение напряженного состояния основания сваи-стойки//Вестник Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии/Строительство и архитектура. Вып. № 1, 1999.

8. Богомолов А.Н. Расчет несущей способности оснований сооружений и устойчивости грунтовых массивов в упругопластической постановке. Пермь: ПГТУ, 1996.

9. Богомолов А.Н., Вихарева О.А., Торшин Д.П. К вопросу о форме уплотненного грунтового ядра, образующегося в основании фундамента//Вестник Одесской государственнойархитектурно-строительной академии, вып. № 4, Одесса, 2001.

10. Богомолов А.Н., Ерещенко Т.В., Никитин И.И. Определение коэффициентов отображающей функции при решении задач теории упругости методами ТФКП/Юснования и фундаменты в геологических условиях Урала. Сборник научных трудов. Пермь, ПГТУ. 2002.

11. Богомолов А.Н., Ермаков О.В., Никитин И.И. К вопросу о выборе вида расчетной схемы при определении критической нагрузки на основании заглубленного фундамента// Вестник ВолгГАСА. Серия: Технические науки. Выпуск 2-3(8). 2003.

12. Богомолов А.Н., Ушаков А.Н. Постановка задачи расчета длительной устойчивости грунтовых массивов сложного рельефа// Тезисы докладов международной конференции. Кемер, Турция, 1996.

13. Богомолов А.Н., Ушаков А.Н., Редин А.В. Программа «Stress-Plast» для ПЭВМ// Информационный листок онаучно-техническом достижении № 313-96, Волгоград, ЦНТИ, 1996.

14. Богомолов А.Н., Ушаков А.Н., Редин А.В. Программа «Несущая способность для ПЭВМ»//Информационный листок о научно-техническом достижении № 311-96, Волгоград, ЦНТИ, 1996.

15. Бугров А.К., Зархи А. А. Напряженно-деформированное состояние основания при наличии в нем областей предельного равновесия// Труды ЛПИ. Л.: 1976, N 354.

16. Бугров А.К., Исаков А.А. Расчет упругопластических оснований и проектирование фундаментов на них// Исследование и расчеты оснований и фундаментов в нелинейной стадии работы: Сборник статей НПИ, Новочеркасск, 1986.

17. Вялое С.С. Реологические основы механики грунтов,- М.: Высшая школа, 1978.

18. Вялое С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов.- М.: АН СССР, 1959.

19. Вялое С.С., Зарецкий Ю.К. и др. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов, и расчеты ледогрунтовых ограждений.-М.: АН СССР, 1962.

20. Гахов Ф.Д. Краевые задачи. М. Физматгиз, 1958.

21. Герсеванов Н.ЪЛ., Полынин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов. Госстройиздат, 1948.

22. Гольдин A.JI., Прокопович B.C. К применению упругопластической дилатансионной модели грунта в расчетах оснований// Исследования и расчет оснований и фундаментов в нелинейной стадии работы: Сборник статей НПИ. Новочеркасск, 1986.

23. Гольдин A.JI., Прокопович B.C., Сапегин Д.Д. Упругопластическое деформирование основания под жестким штампом// Основания, фундаменты и механика грунтов. 1983, N 5.

24. Гольдштейн М.Н., Кушнер С.Г., Шевченко М.И. Расчет осадок и прочности оснований зданий и сооружений.-Киев: Будивельник, 1977.

25. Горбунов-Посадов М.И. Балки и плиты на упругом основании.- М.: Машстройиздат, 1949.

26. Горбунов-Посадов М.И. Устойчивость фундаментов на песчаном основании.- М.: Госстройиздат, 1962.

27. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании.- М.: Стройиздат, 1984.

28. Зарецкий Ю.К., Воробьев В.Н. К оценке предельных нагрузок песчаных оснований фундаментов/Юснования, фундаменты и механика грунтов. № 4, 1996. С.2-6.

29. Калаев А.И. Экспериментальные исследования устойчивости оснований сооружений на нескальных грунтах/Юснования, фундаменты и механика грунтов. № 4, 1965.

30. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. — М.: Госстройиздат, 1956.

31. Колосов Г.В. Об одном приложении теории функций комплексного переменного к плоской задаче математической теории упругости.- Юрьев, 1909.

32. Колосов Г.В. О некоторых приложениях комплексного преобразования уравнений математической теории упругости к отысканию общих типов решений этихуравнений// Известия Ленинградскогоэлектромеханического ин-та. 1928.

33. Колосов Г.В. Применение комплексной переменной к теории упругости.- М.-Л.: ОНТИ, 1935.

34. Колосов Г.В. Применение комплексных диаграмм и теории функций комплексной переменной к теории упругости. — М: ОНТИ, 1934.

35. Колосов Г.В. Применение комплексных переменных диаграмм и теории функций комплексного переменного к теории упругости.- М.: ОНТИ, 1935.

36. Курдюмов В.И. О сопротивлении естественных оснований. СПБ, 1889.

37. Ломизе Г.М., Крыжановский А.Л., Петрянин В.Ф. Исследование закономерностей развития напряженно-деформированного состояния песчаного основания при плоской деформации// Основаия, фундаменты и механика грунтов, 1972. № 1.

38. Лыткин В.А., Фотиева Н.Н. Напряженное состояние основания под фундаментом глубокого заложения// Основания, фундаменты и механика грунтов. 1970, N 4.

39. Малышев М.В. Об идеально сыпучем клине, находящемся в предельном напряженном состоянии// Доклады АН СССР, т.75, вып. 6. 1950.

40. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений.- М.: Стройиздат, 1980.

41. Маслов Н.Н. Длительная устойчивость и деформации смещения подпорных сооружений.- М.: Энергия, 1968.

42. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства (Оползни и борьба с ними ).- М.: Стройиздат, 1977.

43. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии.- М.: Высшая школа, 1982.

44. Маслов Н.Н. Условия устойчивости склонов и откосов в гидротехническом строительстве.- М.: Госэнергоиздат. 1955.

45. Маслов Н.Н. Физико-техническая теория ползучести глинистых грунтов в практике строительства.- М.: Стройиздат, 1984.

46. Мелентъев П.В. В кн.: Конформные отображения односвязных и многосвязных областей. М.-Л.:ОНТИ, 1937.

47. Месчян С.Р. Начальная и длительная прочность глинистых грунтов.-М.: Недра, 1978.

48. Месчян С.Р. Ползучесть глинистых грунтов.- Ереван: Из-во АН АрмССР, 1967.

49. Миронов B.C., Чертолис Н.Ф. О развитии зон пластических деформаций под сферическим штампом//Известия Вузов. Строительство и архитектура. № 2, 1976.

50. Мурзенко Ю.Н. Расчет оснований зданий и сооружений в упругопластической стадии работы с применением ЭВМ.-Л.: Стройиздат, 1989.

51. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966.

52. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел.- М.: Мир, 1969.

53. Напряженное состояние и перемещения весомого нелинейно-деформируемого грунтового полупространства под круглым жестким штампом/ В.Н.Широков, В.И.Соломин, М.В.Малышев и др./J Основания, фундаменты и механика грунтов. № 1, 1970.

54. Никитин В.М., Несмелое Н.С. Экспериментальное исследование деформированного состояния оснований методом муаров/Юснования, фундаменты и механика грунтов. № 3, 1973.

55. Николаевский В.Н. Дилатансия и разрушение грунтов и горных пород// Экспериментально-теоретические исследования нелинейных задач в области оснований и фундаментов: Сборник статей НПИ. Новочеркасск, 1979.

56. Новоторцев В.И. Опыт применения теории пласмтичности к задачам об определении несущей способности оснований сооружений//Изв. ВНИИГ,- 1938 Вып.22.

57. Прандтлъ Л. О твердости пластических материалов и сопротивлении резанию /Теория пластичности//Сборник статей. ИЛ, 1948.

58. Пузыревский Н.П. Расчеты фундаментов. Петроград. Издание института путей сообщения, 1923.

59. Пузыревский Н.П. Теория напряженности землистых грунтов. Сборник трудов ЛИИПС, вып. XCIX, 1929.

60. СНиП 2.03.01.-83*. Основания зданий и сооружений/ Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985.

61. Соколовский В.В. О формах устойчивых полусводов и сводов// Прикладная математика и механика. Т.20, вып. 1. 1956.

62. Соколовский В.В. Статика сыпучей Среды.- M.-JI.: АН СССР, 1942.

63. Соколовский В.В. Теория пластичности.- М.: АН СССР, 1946.

64. Соловьев Ю.И. Приближенное решение задач устойчивости оснований сооружений/Основания, фундаменты и механика грунтов// Материалы III Всесоюзного совещания, —Киевю-1971.

65. Справочник проектировщика/Основания, фундаменты и подземные сооружения. М.: Стройиздат, 1985.

66. Строганов А.С. Несущая способность пластически неоднородного основания, ограниченного жестким подстилающим слоем// Основания, фундаменты и механика грунтов. 1974, N 6.

67. Строганов А.С., Снарский А.С., Безнецкая. Инженерный метод расчета несущей способности оснований и его экспериментальная оценка/Юснования, фундаменты и механика грунтов. 1996, № 4. С.7-12.

68. Тер-Мартиросян З.Г. Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов.- М.: Недра, 1986.

69. Тер-Мартиросян З.Г., Ахпателов Д.М. Напряженное состояние горных массивов в поле гравитации // Доклады АН СССР, т. 220, N 2, 1975.

70. Тер-Мартиросян • 3.Г., Ахпателов Д.М. Расчет напряженно-деформированного состояния массивов многофазных грунтов. -М.: МИСИ, 1982.

71. Тер-Мартиросян З.Г., Шалимов Г.Е. К определению несущей способности основания с учетом обратной засыпки в котловане// Известия вузов/Строительство и архитектура, № 6, 1974.

72. Торшин Д.П. Инженерный метод расчета основания заглубленного фундамента/Современные проблемы фундаментостроения//Сборник трудов международной научно-технической конференции. Т.2. -Волгоград.-2001.

73. Феллениус В. Статика грунтов. Госстройиздат, 1933.

74. Филъчаков П.Ф. Приближенные методы конформных отображений: Справочное руководство. Киев, 1964.

75. Флорин В.А. Основы механики грунтов,- М.: Госстройиздат, т. 2, 1961.

76. Флорин В.А. Основы механики грунтов,- M-J1: Госстройиздат, т. 1, 1959.

77. Флорин В.А. Расчеты оснований гидротехнических сооружений.-М.: Стройиздат, 1948.

78. Цветков В.К. Расчет рациональных параметров горных выработок.- М.: Недра, 1993.

79. Цветков В.К. Расчет устойчивости однородных откосов при упругопластическом распределении напряжений в массиве горных пород // Известия вузов. Горный журнал. 1981, N 5.

80. Цветков В.К. Расчет устойчивости откосов и склонов.-Волгоград: Нижне-Волжское кн. из-во, 1979.

81. Цытович Н.А. Механика грунтов.- М.: Госстройиздат, 1963.

82. Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве.- М.: Высшая школа, 1981.

83. Черепанов Г.П. Об одном классе задач плоской теории упругости//Известия АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение. 1962, № 4.

84. Akai К. On the stress distribution in the earth embankment end the foundation/ Proceedings of the 4th Japan National congress for Appl. Mech. 1954.

85. Cagout G. Eguilibre des massifs a frottemenet interne.- Paris, 1934.

86. Coulomb C. Application des rigles de maximus et minimis a quelques problemes de statique relatifs a L'architecture. -Memories de savants strangers de L'Academlie des sciences de Paris, 1773.

87. Fedorovsky V.G. Stability of foundations under eccentric and inclined loads//Proc. 12th ICSMFE-1989-V. 1. Rio-de-Janeiro/

88. Hilscher R. VDI, 97, N 2. 1955.

89. Karstedt J. Beiweirte fur deer raumlich aktiven Erddruck bei relligen Boden// Bauingenierieng. 1980, № 1.

90. Kolosoff G. // Z. Math. Physik, № 62, 1914.

91. Lundgren H., Mortensen K. Determination by the Thtorie of plasticity of the Bearing Copacity of Continuous Footings on Sand. /Proceedings 3 Int. Conference of Soil Mechanics fined Foundation Engineering's V.J., Zurich. 1953.

92. Mahayana S., Shibata T. Reological Properties of Clays// In. Proc. 5 JCOSOMEF, 1961.

93. Michel L.H. Proc. London Math. Soc., vol. 34, 1902.

94. More Z. Proc. 15 JUTAM Congress, 1980.

95. Morgenstern N.R., Nixon J.F. One dimensioned consolidation of thawing in zoned dams// J. Got. Eng. Div., Proc. ASCE, N 9, 1976.

96. Nixon J.F., Morgenstern N.R. Practical extensions to a theory of consolidation for thawing Soil// 2nd Int. Conf. on. Permafrost. Yakutsk, 1973.

97. Scott R.F. Principles of Soil mechanics.- London: Addison-Wesley Company, Inc. 1963.

98. Tatsuoki F. Stress-Strain behavior by a simple elastoplastic theory for anisotropic granular materials 11 J. Ind. Sell. Univ., Tokyo, 1978.

99. Tchetbatarioff G. Foundations, Retaining and Earth Structures.- New-Iork: McGraw-Hill Book Company, 1973.