автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Напряжённо-деформированное состояние плитных конструкций, находящихся под воздействием циклической нагрузки на грунтовом слое конечной толщины

Приднепровская государственная академия ^ 5 ^^ строительства и архитектуры

На правах рукописи УДК 624.131.001.01

Поповиченко Сергей Олегович ^^ Напряжённо-деформированное состояние плитных конструкций, находящихся под воздействием циклической нагрузки на грунтовом слое конечной толщины.

Специальность 05.23.02 - основания и фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1996

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Приднепровской государственной

академии строительства и архитектуры.

Научный руководитель:

Научный консультант:

кандидат технических наук, доце Шаловал Владимир Григорьевич, доктор технических наук, професс Швед Виктор Борисович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, професс< Тимофеева Людмила Михайловна, кандидат технических наук, с.н.с Ротгауз Борис Абрамович.

Ведущая организация:

Государственный проектный инститз "Приднепровский промстройпроект'

Защита состоится "7 "МАЛ 1996 г.^на заседании специал! зированного учёного совета Д 03.07.01 при Приднепровскс государственной академии строительства и архитектуры по a^ ресу:

320600, г.Днепропетровск, ул. Чернышевского, 24а, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Приднепров ской государственной академии строительства и архитектуры.

Автореферат разослан "27"МАРТА1996 г

Учёный секретарь

специализированного учёного совета ч/^£^'Лукъянскова А.Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В практике инженерной деятельности часто возникает проблема прогноза напряжённо-деформированного состояния плитных фундаментов, находящихся под воздействием циклической нагрузки на грунтовом слое конечной толщины. К данному классу фундаментов относятся фундаменты водонапорных башен, колонн мостовых кранов, водосливных плотин, шламоотстойников и т.д.

Существующие в настоящее время методы расчёта плитных фундаментов на упругом основании используют модель упругого линейного изотропного полупространства, а в случае расчёта фундаментных плит больших размеров определение их осадок производится с использованием модели слоя конечной толщины. Переход от полупространства к слою конечной толщины осуществляется путём замены во определённым правилам модуля деформации основания на некоторое его фиктивное значение. Введение в расчёт откорректированного модуля деформации упрощает расчёт, однако распределение напряжений в слое конечной толщины отличается от распределения напряжений в полупространстве .

Следует также отметить, что влияние реологических свойств грунтового основания на напряжённо-деформированное состояние плитных фундаментов совершенно не учитывается в настоящее время при расчёте фундаментных плит.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что проблема расчёта плитных конструкций, находящихся под воздействием циклической нагрузки на грунтовом слое конечной толщины, яв-

ляется весьма актуальной. Данный расчёт позволит более точно прогнозировать напряжённо-деформированное состояние плитных фундаментов.

Целью работы является разработка методики расчёта плитных конструкций, находящихся под воздействием циклической нагрузки на грунтовом слое конечной толщины.

Научная новизна работы:

- разработана методика расчёта круглых плит при использовании модели основания в виде упругого изотропного слоя конечной толщины, в том числе с учётом ползучести грунтового скелета и необратимости деформаций при загрузке-разгрузке;

- разработана методика определения контактной эпюры давлений в основании фундаментных плит конечной жёсткости для слоя конечной толщины;

- разработана методика определения деформационных и реологических свойств пылевато-глинистого грунта в лабораторных и полевых условиях при циклическом наг рулении.

Практическое значение работы состоит в использовании методики расчёта плитных конструкций, находящихся под воздействием циклической нагрузки на грунтовом слое конечной толщины, и методики определения деформационных и реологических свойств пылевато-глинистого грунта в проектно- исследовательской практике.

Внедрение результатов исследований. Разработанная методика расчёта плитных конструкций, находящихся под воздействием циклической нагрузки на грунтовом слое конечной толщины, была использована в ходе анализа результатов испытаний грунтовых оснований при строительстве объектов г. Днепропет-

ровска строительно-монтажным трестом N 17. Экономический эффект от внедрения составил 520 млн.крб. в ценах 1995 г.

Апробация работы. Основные положения обсуждались на научно-технических конференциях ПГАСА в период 1993 - 1995 гг., а также на IV Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения (Пермь, 1994 г.). Российской конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Санкт-Петербург, 1995 г.) и Украинской научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Полтава, 1995 г.).

Публикации. Основные положения отражены в 6 печатных работах.

Объём работы. Диссертация состоит из шести глав, включая введение и заключение (общие выводы), и приложения. Содержит 144 страницы основного текста, включая 68 рисунков и 8 таблиц. Список использованной литературы состоит из 128 наименований.

На защиту выносятся:

- методика расчёта круглых плит при использовании модели основания в виде упругого изотропного слоя конечной толщины, в том числе с учётом ползучести грунтового скелета и необратимости деформаций при загрузке-разгрузке;

- методика определения контактной эпюры давлений в основании фундаментных плит конечной жёсткости для слоя конечной толщины;

- методика определения деформационных и реологических свойств пылевато-глинистого грунта в лабораторных и полевых условиях при циклическом нагружении.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первом разделе обоснована 'актуальность, цель и науч-■ная новизна исследований.

Во втором разделе представлены результаты обзора работ, посвященных реологическим процессам, протекающим в грунтовых основаниях, и расчётным схемам грунта, принятым в настоящее время для расчёта плит на грунтовом основании. Анализ показал, что, несмотря на то, что вопрос расчёта плитных конструкций на грунтовом освании исследован достаточно полно, имеют место следующие проблемы:

1. Имеет место несоответствие между эпюрами контактного давления, установленными в ходе натурных измерений, и теоретическими эпюрами контактного давления, построенными с использованием модели упругой изотропной среды, в силу чего следует также ожидать несоответствие между расчётным и фактическим напряжённо-деформированным состоянием плит. Аналогичные выводы можно сделать относительно винклеровского основания и модели Вигхарта. При этом учёт нелинейных свойств грунта, влекущий за собой усложнение методики расчёта и определения свойств грунта, также не позволяет достичь поставленной цели и получить близкую к наблюдаемой в натуре картину.

2. Как правило, плитные фундаменты имеют ширину (или диаметр) больше 10 м, в силу чего, согласно СНиП 2.02.01 -83, их следует рассматривать как конструкции, расположенные на слое конечной толщины. Между тем, используемые в настоящее время методы расчёта базируются на модели линейного упругого изотропного полупространства.

3. Грунтовые основания обладают свойством ползучести. Это физическое явление также не нашло отражение в нормативных документах.

4. При циклическом нагружении грунт обладает способностью накапливать остаточные деформации. С некоторой долей упрощения по этому поводу можно сказать, что на каждом последующем цикле загружения грунт изменяет свои упругие характеристики, в силу чего также происходит трансформация напряжённо-деформированного состояния расположенных на грунтовом основании фундаментов.

5. В настоящее время нет тестированных методик определения реологических характеристик грунтовых образцов, находящихся под воздействием циклической нагрузки.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на большой объём работ в области расчёта плитных конструкций на грунтовом основании, эта проблема является актуальной и в настоящее время. В этой связи преследовалась цель разработать методику расчёта плитных конструкций, находящихся под воздействием циклической нагрузки на грунтовом слое конечной толщины. Для достижения поставленной цели необходимо было решить такие задачи:

- экспериментально исследовать поведение находящихся под циклической нагрузкой моделей плитных фундаментов;

- экспериментально установить влияние реологических свойств грунтового основания на напряжённо-деформированное состояние плитных конструкций;

- на основе экспериментальных данных выявить характер распределения напряжений и деформаций в плитном фундаменте;

- разработать методику расчёта плитных фундаментов на

грунтовом основании с использованием модели в виде слоя конечной толщины, в том числе с учётом реологических свойств грунта и с учётом влияния на напряжённо-деформированное состояние накопления остаточных деформаций при загрузке-разгрузке;

- разработать методику определения реологических свойств грунта, позволяющую отображать процесс накопления деформаций при загрузке-разгрузке.

В третьем разделе представлена методика проведения и результаты экспериментальных исследований взаимодействия фундаментной конструкции с грунтовым пылевато-глинистым основанием при циклическом нагрулении.

Для эксперимента использовался пространственный лоток с прозрачными стенками. Нагрузка на грунт передавалась через штамп, представляющий собой круглую металлическую пластину диаметром 112 мм. Нагрузка и разгрузка штампа осуществлялась с помощью загрузочного устройства в виде металлической рамки, к нижней части которой ступенями прикладывалась нагрузка. Осадки точек штампа измерялись при помощи индикаторов перемещений, при этом расположение измеряемой точки определялось расстоянием от центра штампа до этой точки, т.к. рассматривалась осесимметричная задача. Эксперименты производились на однослойном, двухслойном и трёхслойном основаниях, при этом нагрузка, прикладываемая к штампу, и сам штамп для всех экспериментов принимались одинаковыми.

С целью обеспечения сопоставимости результатов исследования производились на образцах из грунтовой пасты, приготовленной по специальной методике. Отбор образцов грунта для проведения компрессионных испытаний осуществлялся на таком

расстоянии от штампа, при котором наблюдалось практически полное затухание перемещений поверхности грунта от прикладываемой к штампу нагрузки.

Сопоставление данных, полученных в результате лоткового эксперимента, и данных, полученных в результате компрессионных испытаний грунта основания, позволило выявить следующие закономерности:

- при многократном повторении друг за другом циклов загрузки и разгрузки грунта как при штамповых, так и при лабораторных испытаниях происходит накопление остаточных деформаций, при этом приращение осадок при каждом последующем цикле загруления уменьшается;

- при увеличении числа циклов загрузки-разгрузки прогибы штампа имеют тенденцию к увеличению.

В четвёртом разделе представлены результаты теоретических исследований, направленных на выявление фактической эпюры контактных давлений в основании плитных фундаментов, методика их расчёта при использовании в качестве модели основания упругого линейного изотропного слоя конечной толщины, ' а также слоя конечной толщины, обладающего ползучестью и характеризующегося накоплением остаточных деформаций при загрузке-разгрузке.

При определении очертаний контактной эпюры был использован косвенный метод, основанный на решении обратной задачи теории упругости, т.е. по экспериментальной зависимости "прогиб - координата" требовалось определить зависимость "контактное давление под подошвой штампа - координата". В этом случае была принята зависимость контактного давления от координаты в виде

р - Ci (1 - p2n) + C2 (1 - P2m)

(1),

где Ci, Cz, n и m - подлежащие определению эмпирические коэффициенты; р - r/R - относительная координата; г -координата; R - радиус штампа.

Параметры С\, С2, п и ш определялись путём минимизации функционала

где W* - зависимость относительного прогиба плиты от координаты, установленная на основе решения задачи теории упругости; W3* - зависимость относительного прогиба плиты от координаты по результатам эксперимента.

При определении напряжённо-деформированного состояния плитных конструкций на упругом линейном изотропном слое конечной толщины был использован стандартный подход, заключающийся в приравнивании прогибов плитных конструкций и осадок грунтового основания, а также удовлетворении условий равновесия.

На рис. (1*4) представлены зависимости прогибов, изгибающих моментов и перерезывающих сил от координаты при различных соотношениях H/R, где Н - толщина слоя, а R -радиус штампа. На этих же рисунках пунктиром представлены аналогичные зависимости, установленные на основе рекомендованной М.И.Горбуновым-Посадовым модели упругого полупространства. Анализ рисунков позволяет сделать следующие выводы:

- при малых значениях H/R рассчитанные с использова-

гпхп

(2),

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

8

16

W, мм

Рис. 1. Зависимость прогиба плиты W от координаты при t - 0.

1 - H/R - 0.1; 2 - H/R - 0.5; 3 - H/R - 1;

4 - H/R - 1.5; 5 - H/R - 10; 6 - H/R - 100.

Г-П - расчёт в соответствии с общепринятой методикой.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 р

О 3

Мг, МН-м

Рис. 2. Зависимость радиального момента Мг от координаты при t = 0.

1 - H/R - 0.01; 2 - H/R = 0.1; 3 - H/R - 0.2;

4 - H/R = 0.5; 5 - H/R =1; 6 - H/R > 10.

Г-П - расчёт в соответствии с общепринятой методикой.

I'

Ii.

А —] Ii

S и s и

—— Л/7

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 р

0

3

Mt, МН-М

Рис. 3. Зависимость тангенциального момента Mt от

координаты при t - О. 1 - H/R = 0.01; 2 - H/R - 0.1; 3 - H/R -. 0.2; 4 - H/R = 0.5; 5 - H/R - 1; 6 - H/R > 10. Г-П - расчёт в соответствии с общепринятой методикой.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 р

-2

-1 О

Nr, МН-м

Рис. 4. Зависимость радиальной перерезывающей

силы Nr от координаты при t - 0.

1 - H/R - 0.01; 2 - H/R - 0.1; 3 - H/R - 0.2;

4 - H/R - 0.5; 5 - H/R - 1; 6 - H/R > 10.

Г-П - расчёт в соответствии с общепринятой методикой.

- и -

нием изложенной выше методики прогибы, изгибающие моменты и перерезывающие силы существенно отличаются от аналогичных характеристик, рассчитываемых с использованием рекомендованной М.И.Горбуновым-Посадовым расчётной схемы;

- при возрастании толщины грунтового слоя различие между прогибами, изгибающими моментами и перерезывающими силами, рассчитанными с использованием моделей основания в виде упругого полупространства и слоя конечной толщины, уменьшается.

При определении напряжённо-деформированного состояния плитных конструкций на слое конечной толщины с учётом ползучести и необратимости деформаций грунтового скелета был использован предложенный В.Б.Швецом и В.Г.Шаповалом подход, суть которого заключается в представлении взаимосвязи между деформациями и напряжениями в виде некоторого интегрального уравнения, которое в одномерном случае имеет вид

е а) - с б а) + / к а.т) б со ахз сз).

^ о

где е (1) - относительная деформация; б (Ю - напряжение; К - Кх (I - т) + Кг (X) - ядро ползучести грунтового скелета; Ь - время; í - параметр; К1 ^ - г) - часть ядра ползучести, описывающая обратимые во времени деформации; К2 (т) - то же, их накопление.

На рис. (5 - 8) представлены зависимости прогибов, изгибающих моментов и перерезывающих сил от координаты для различных моментов времени. Их анализ позволяет сделать следующие выводы:

- при увеличении срока действия на плиту постоянной во

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 р

0

2 4

W, Ш

Рис. 5. Зависимость прогиба W от координаты для различных моментов времени при H/R - 4. 1 - t - 0 сут.; 2 - t - 1 сут.; 3 - t - 7 сут.; 4 - t - 13 сут.; 5 - t - 19 сут.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 р

-3 О 3

Мг, МН-м

Рис. 6. Зависимость радиального момента Мг от координаты для различных моментов времени при H/R - 4. 1 - t - 0 сут.; 2 - t - 1 сут.; 3 - t - 7 сут.; 4 - t - 13 сут.; 5 - t - 19 сут.

Рис. 7. Зависимость тангенциального момента Mt от координаты для различных моментов времени при H/R - 4. 1 - t = 0 сут.; 2 - t - 1 сут.; 3 - t - 7 сут.; 4 - t = 13 сут.; 5 - t - 19 сут.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 р

-1.5

О МН

Рис. 8. Зависимость радиальной перерезывающей силы Ыг от координаты для различных моментов времени при Н/И - 4. 1-1-0 сут.; 2-1-1 сут.; 3-1=7 сут.; 4 - Ь = 13 сут.; 5-1-19 сут.

времени нагрузки происходит увеличение прогибов, изгибающих моментов и перерезывающих сил;

- циклическая нагрузка также приводит к увеличению прогибов, изгибающих моментов и перерезывающих сил в плите.

В целом качественный анализ поведения плитных конструкций на грунтовом основании ограниченной толщины при учёте ползучести грунтового скелета позволяет сделать вывод о том, что указанные факторы существенно влияют на напряжённо-деформированное состояние плитных конструкций на грунтовом основании. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании плитных фундаментов.

В пятом разделе представлены результаты оценки адекватности полученных в работе теоретических результатов. Разработана лабораторная методика определения деформационных и реологических характеристик грунта, находящегося под воздействием циклической нагрузки, а также полевая методика определения деформационных и реологических характеристик грунта, находящегося под воздействием циклической нагрузки.

В автореферате приведены результаты только штамповых испытаний как наиболее характерные.

Диаграммы "средняя осадка - нагрузка" представлены на рис.9, зависимости прогиба штампа от координаты для различных моментов времени - на рис.10, а диаграмма "нагрузка - время" - на рис.11. При этом на рисунках с индексом "а" представлены теоретические, а на рисунках с индексом "б" -экспериментальные зависимости.

Показано, что рассчитанные с использованием предложенной методики значения прогибов, изгибающих моментов и перерезывающих сил близки к наблюдаемым в натуре.

б)

Рис. 9. Диаграмма "средняя осадка -нагрузка".

1, 2, 3 - номера циклов загрузки-разгрузки, а) - теория; б) - эксперимент.

а)

б)

для различных моментов времени. 1-1-1 сут.; г - Ь = г сут.; 3-1-3 сут.; 4 - Ь - 4 сут.; 5-1-10 сут.; 6-1-16 сут. а) - теория; б) - эксперимент.

р,кПа 24 12

О

О 5 10 15 20 1:,сут.

Рис. 11. Диаграмма "нагрузка - время".

1, 2, 3 - номера .циклов загрузки-разгрузки.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика проведения экспериментов по изучению особенностей деформирования пылевато-глинистого грунта в условиях циклического нагружения с учётом необратимости деформаций при загрузке-разгрузке.

2. Для модели основания в виде упругого изотропного слоя конечной толщины предложен метод расчёта круглых фундаментных плит. Показано, что прогибы, изгибающие моменты и перерезывающие силы существенно зависят от соотношения между радиусом плиты I? и толщиной слоя Н.

3. Учёт ползучести грунтового скелета и необратимости деформаций при загрузке-разгрузке приводит, как правило, к увеличению прогибов фундаментной плиты, возрастанию изгибающих моментов и перерезывающих сил.

4. Разработан метод определения контактной эпюры давле-

1 — \Г 2 3

[

— 1— — —

ний в основании фундаментных плит конечной жёсткости. Показано, что контактная эпюра с достаточной степенью точност! может быть аппроксимирована зависимостью вида р - С1 (1 -- р2п) + Сг (1 - р2ш). При этом установлено, что параметрь п и ш практически не зависят от величины действующее на плиту нагрузки.

5. Предложена методика определения деформационных (модуля деформации Е) и реологических (параметров ползучести) свойств пылевато-глинистого грунта для лабораторных и штам-повых испытаний при циклическом нагружении. Методика базируется на анализе полученных в ходе режимных испытаний кривых "осадка - нагрузка".

6. Показано, что учёт необратимости деформаций грунта при загрузке-разгрузке позволяет существенно уточнить значения прогибов, изгибающих моментов и перерезывающих сил и тем самым более обоснованно прогнозировать напряжённо-деформированное состояние фундаментных плит на грунтовом основании.

7. Полученные в настоящей работе результаты допускают возможность использования их для случая упругого изотропного слоя конечной толщины в условиях постоянной во времени и монотонно возрастающей нагрузки, передаваемой на фундаментные плиты.

В настоящей работе удалось охватить лишь часть проблемы расчёта плит на грунтовом основании. На наш взгляд, дальнейшие исследования имеет смысл проводить в направлении:

- учёта физической нелинейности реальных грунтовых оснований;

- учёта слоистой структуры реальных грунтовых оснований;

- учёта нелинейного характера работы и ползучести материалов плитных конструкций.

Основные результаты работы опубликованы в статьях

1.Швец В.Б.,Шаповал В.Г. .Кандзюба С.П. .Поповиченко С.О. О фильтрационной консолидации в условиях осевой симметрии // Интенсификация рабочих процессов строительного производства: тем. сб. научных трудов.- Киев, 1993. - С.285-289.

2.Швец В.В.,Шаповал В.Г. .Кандзюба С.П. .Поповиченко С.О. Влияние циклической нагрузки на процесс развития во времени осадок свайных фундаментов // Труды IV Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. Часть II. -Пермь, 1994. - С.94-97.

3.Швец В.Б.,Шаповал В.Г. .Кандзюба С.П.«Поповиченко С.О. Прогноз осадок фундаментов при воздействии на них циклической нагрузки // Theoretical Foundations in Civil Engineering. - Warsaw, 1994. - C.211-225.

4.Швец В.Б. .Шаповал В.Г. .Кандзюба С.П. .Поповиченко С.О. К вопросу фильтрационной консолидации слоя слоистых оснований // Труды Российской конференции по механике грунтов и фундаментостроенио. т.4. - Санкт-Петербург, 1995,- С.706-710.

5.Швец В.Б.,[Наповал В.Г. .Кандзюба С.П. .Поповиченко С.О. Фильтрационная консолидация слоя конечной толщины под воздействием местной нагрузки // Труды Российской конференции по механике грунтов и фундаментостроенио. т.4. - Санкт-Петербург, 1995. - С.711-713.

6. Поповиченко С.О., Кандзюба С.П. Закономерности деформирования упругих круглых пластин на грунтовом основании при циклическом загружении // Украинская научно-техническая конференция по механике грунтов и фундаментостроению. -

Полтава, 1995. - С.17.

Поповиченко С.О. Напружено-деформований стан плитних конструкшй п1д д1ею цишачного навантаження на шар! грунту KiHueBO'i товщини. Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техн!чних наук i3 спещальност! 05.23.02 - п1д-вапини i фундаменти. Придн1провська державна академия будгв-ництва: та арх!тектури. Дн1пропетровськ, 1996.

Захищаеться рукопис дисертацП, матер1али яко! воображен! в 6 наукових працях 1 мютять результатй експеримен-тально-теоретичного досл1дження налружено-деформованого стану плитних конструкц1й п!д дхею цишйчного навантаження на mapi грунту к1нцево! товщини. Установлено, що врахування не-зворотностi деформащй грунту при навантаженн1-розвантаженн! дозволяе значно уточнити значения прогишв, згинаючих момен-TiB та перер1зуючих сил i тим самим б!льш обгрунтовано про-гнозувати напружено-деформований стан фундаментних плит на mapi грунту к1нцево! товщини. На основi розроблених методик виконано впровадження.

Popovichenko S.O. Stress-strain state of plate structures under the cyclic loading on the soil layer of finite thickness. The thesis for competition on the Degree of Ph.D. in Technical Sciences. The Speciality 05.23.02 -Foundations and Basements. Priednieprovsky State Academy of Civil Engineering Architecture, Dnepropetrovsk, 1996.

The thesis of dissertation is to be defended, its materials have been published in six papers containing the results of experimental and theoretical investigations of stress-strain state of plate structures under the cyclic

loading on the soil layer of finite thickness. It's established, that the respect to increasing' of soil deformations under loading-unloading allows to considerably increase the accuracy of the values of deflections, bending moments and sharing forces, and thus more precisely to describe a stress-strain state of the plates of foundation on the soil layer of finite thickness. On the basis of the developed methodies installation has been made.

Ключевые слова: грунтовый слой конечной толщины, контактное давление, напряжённо-деформированное состояние, остаточные деформации, параметры ползучести, циклическая нагрузка, ядро ползучести.

Подписано в печать Заказ . Тираж 100.

.1996. Формат 60x84 ротапринт.