автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Обоснование использования песчаной армированной подушки в слабых глинистых грунтах под ленточными фундаментами

На правах рукописи

КРАЕВ Андрей Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕСЧАНОЙ АРМИРОВАННОЙ ПОДУШКИ В СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ПОД ЛЕНТОЧНЫМИ ФУНДАМЕНТАМИ

Специальность

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Тюмень - 2014 0055541Ю

005554110

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ») на кафедре «Строительные конструкции».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

БАИ Владимир Фёдорович кандидат технических наук, доцент

САХАРОВ Игорь Игоревич доктор технических наук, профессор кафедры «Геотехника», ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

НУЖДИН Леонид Викторович кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Инженерной геологии, оснований и фундаментов» ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет»

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится 19 декабря 2014 года в Ю00 на заседании

диссертационного совета Д 212.272.01 при ФГБОУ ВПО «Тюменский

государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, д. 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет». Текст диссертации и автореферат размещены на сайте университета www.tgasu.ru.

тел. / факс 8 (3452) 43-39-27. Email: kraev-an@mail.ru

Автореферат разослан «18 »октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

При строительстве на слабых глинистых грунтах широкое распространение в настоящее время получили методы армирования грунтов геосинтетическими материалами. Основными задачами армирования являются: упрочнение и повышение устойчивости оснований; уменьшение деформаций грунтового основания; исключение выпора грунта из-под фундаментов. Несмотря на широкое применение армирующих материалов, вопросы устройства и проектирования армированных оснований являются актуальными по причине недостаточной изученности, значительной трудоёмкости и стоимости, а в некоторых случаях недостаточной надёжности. Кроме этого, проблемой развития армирования грунтовых оснований является отсутствие технических норм проектирования и опыта использования армирующих материалов.

В связи с этим, исследование и разработка методов повышения несущей способности слабых глинистых оснований путём замещения слабого грунта более плотным армированным песчаным грунтом, является актуальной задачей.

Одним из рациональных методов повышения несущей способности слабых глинистых оснований является устройство песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом.

Эффективность способа состоит в уменьшении осадок сооружения за счёт замещения слабого грунта песком и контурного армирования тела песчаной подушки, а также увеличения стадии линейной работы основания, вследствие более равномерной передачи нагрузки на слабые грунты за счёт криволинейной формы опорной подошвы песчаной подушки и включения максимальных сдвиговых зон и областей развития пластических деформаций в тело песчаной армированной подушки.

Предлагаемый способ усиления рационален при строительстве малоэтажных зданий на ленточных фундаментах, в условиях распространения слабых глинистых грунтов.

Степень разработанности темы исследований.

Наиболее распространёнными типами фундаментов для малоэтажных зданий на юге Тюменской области являются ленточные фундаменты мелкого заложения. Однако их устройство на слабых глинистых грунтах приводит к значительному удорожанию. В данных условиях экономически целесообразно использовать методы подготовки грунтовых оснований. Одним из способов снижения деформативности и повышения несущей способности слабых глинистых оснований является устройство песчаных армированных подушек.

Изучением армированных оснований занимались: A.C. Полуновский, К.Д. Джоунс, Г.Ф. Новожилов, O.A. Ещенко, В.И. Клевеко, J1.M. Тимофеев, Ю.В. Феофилов, А.П. Аксёнов, В.Д. Казарновский, А.Г. Полуновский, Ф.Ф. Зехниев,

М.Ю. Абелев, С.А. Роза, А.Б. Пономарёв, А.П. Кремнёв. О. Бизиман, P.A. Усманов, A.B. Набоков, В.В. Воронцов, Ал.Н. Краев, A.A. Тажигулов, В.М Антонов и др.

Недостатком стандартных решений устройства песчаных подушек является существенное возрастание её стоимости вследствие значительного увеличения размеров подушки в стороны при увеличении её толщины.

Наиболее близким к исследуемому в данной работе способу усиления основания является способ замены изобарных зон местных перенапряжений (рис. 1), опубликованный И.М. Литвиновым.

В данном методе И.М. Литвинов, исходя из фактического распределения напряжений по подошве фундамента, пользуясь изобарными зонами, предлагает заменять верхнюю часть активной зоны более плотным малосжимаемым грунтом (песок, гравий). Однако дальнейшее изучение данного метода показало, что устройство таких песчаных подушек не приводит к значительному эффекту в слабых, сильно сжимаемых грунтах, так как их ширину следует принимать значительных размеров, для снижения бокового давления на слабый грунт. Это, в свою очередь, позволяет сформулировать идею замещения слабого глинистого грунта песчаной криволинейной подушкой с ограничением её поперечных деформаций за счёт контурного армирования. При этом армирование рационально выполнять геосинтетическими материалами, воспринимающими растягивающие усилия.

В предлагаемой схеме усиления песчаная подушка имеет криволинейную форму близкую к изолиниям главных сжимающих напряжений, для равномерного натяжения контурного армирования и отсутствия кинематических перемещений в нём, что будет снижать линейные и сдвиговые деформации в песке и позволит значительно уменьшить размеры песчаной подушки.

В результате проведенного литературного обзора и предложенного способа усиления слабого глинистого основания были сформулированы цель и задачи исследования.

Цель и задачи исследования:

Цель исследования: обоснование применения песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, с целью повышения несущей способности и снижения деформативности слабого глинистого основания под ленточными фундаментами.

Объект исследования: песчаная подушка с криволинейной подошвой, армированная по контуру геосинтетическим материалом, помещенная в слабый глинистый грунт.

Рисунок 1. Замена изобарных зон.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого основания, нагруженного полосовой нагрузкой.

Задачи исследования'.

- разработать способ повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания путём замещения слабого грунта в активной зоне песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом;

- выполнить экспериментальное обоснование улучшения строительных свойств слабого глинистого основания за счёт применения песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом в лабораторных условиях при действии полосовой нагрузки;

- выявить закономерности силового взаимодействия песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой и подстилающего слабого глинистого основания, при действии полосовой нагрузки, на основе экспериментов в полевых условиях;

- разработать методику расчета НДС песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого грунта, нагруженных полосовой нагрузкой.

Научная новизна исследования:

- предложен способ повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания путём замещения в активной зоне слабого грунта песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом;

- экспериментально обоснована эффективность предложенного способа повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания;

- разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого основания.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- в исследовании напряженно-деформированного состояния песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого основания;

- в разработке методики расчёта напряженно-деформированного состояния песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого основания;

- в получении экономического эффекта при использовании полученных результатов в инженерной практике строительства ленточных фундаментов для

малоэтажных зданий и сооружений на слабых глинистых грунтах.

Результаты исследований реализованы:

- в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете (ТюмГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности 270102 -«Промышленное и гражданское строительство»;

- в региональном конкурсе студенческих научных работ (г. Тюмень, 2009г.).

Методология и методы исследования:

- анализ существующих методов усиления слабого глинистого основания на основе отечественного и зарубежного опыта инженеров-геотехников;

- экспериментальные лабораторные исследования слабого основания, усиленного песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, нагруженного полосовой нагрузкой;

- экспериментальные полевые исследования слабого глинистого основания, усиленного песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, на крупномасштабных моделях фундаментов;

- аналитические и численные исследования НДС основания, усиленного песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом;

- сравнение полученных результатов с результатами численного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

- способ повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания при действии нагрузки от ленточного фундамента;

- закономерности силового взаимодействия песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, с подстилающими слабыми глинистыми грунтами при действии полосовой нагрузки;

- методика расчёта напряженно-деформированного состояния песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого грунта.

Степень достоверности и апробации результатов.

Достоверность результатов обеспечивается:

- выполнением экспериментальных исследований с помощью известных апробированных и оттарированных контрольно-измерительных комплексов, первичных преобразователей и поверенных приборов;

- сравнением полученных в работе результатов с данными других исследований;

- сопоставлением результатов численных и аналитических решений в программных комплексах Plaxis и FEM models с данными натурных и модельных экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены: на региональном конкурсе студенческих научных работ ТюмГНГУ (г. Тюмень, 2009г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2010, 2011, 2012 гг.); на кафедре геотехники СПбГАСУ (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); на заседании научно-технического совета ООО «ПИ Геореконструкция» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); на международной научно-технической конференции СПбГАСУ «Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение» (г. Санкт-Петербург, 2014г); Основные результаты работы изложены в 9 научных статьях, 3 из которых в изданиях перечня ВАК. По результатам работы получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 121 наименования.

Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели научной работы, ее научной новизне, установленной практической значимости, диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения, пункту 5 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструкций и способов устройства оснований и фундаментов в особых инженерно-геологических условиях: на слабых, насыпных, просадочных, засоленных, набухающих, закарстованных, вечномерзлых, пучинистых и других фунтах»; пункту 11 «Создание новых инженерных методов преобразования фунтов для повышения несущей способности оснований зданий и сооружений (уплотнением, закреплением, армированием, замораживанием и др.).

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

Разработан способ повышения несушей способности и снижения деформируемости слабого глинистого основания путём замещения слабого грунта в активной зоне песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом.

Способ усиления основания путем замещения слабого глинистого грунта в активной зоне песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом (рис. 2), состоит в следующем: в слабом глинистом основании 1 выполняют выемку грунта при помощи экскаватора, затем выполняется ручная доработка котлована с устройством необходимой кривизны. После этого по поверхности котлована укладывается геосинтетический материал 2. Затем полость подушки заполняют песком 3 с послойным уплотнением. После завершения отсыпки, края сетки заворачиваются внахлест в

верхней части песчаной подушки и фиксируются скобами. Далее на песчаной армированной подушке устраивается ленточный фундамент 4.

Суть способа повышения несущей способности и снижения

деформируемости основания состоит в том, что песчаный грунт подушки Рисунок 2. Поперечное сечение, воспринимает значительные по величине усиленного основания. давления от ленточного фундамента и

более равномерно перераспределяет и передаёт их на слабое глинистое основание. Наличие армирующего элемента по наружному периметру песчаной подушки стесняет её поперечные деформации и, соответственно, уменьшает вертикальные деформации, что уменьшает осадку фундамента.

Выполнено экспериментальное обоснование улучшения строительных свойств слабого глинистого основания за счёт применения песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, в лабораторных условиях при действии полосовой нагрузки.

Первая серия лабораторных экспериментов включала рассмотрение различных вариантов усиления грунтового основания под полосовую нагрузку.

Рассматривались следующие варианты основания:

г-р

У ■: \ -.. у-'-::. СЭ

XV/ у/ул %

г)

200 |Р

ч

\

/

Рисунок 3. Исследуемые варианты грунтового основания: а) естественное основание; б) глинистое основание, усиленное песчаной подушкой;

в) глинистое основание, усиленное песчаной подушкой с криволинейной подошвой;

г) глинистое основание, усиленное песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой; 1 - плоский штамп; 2 - слабое глинистое основание;

3 - песок средней крупности; 4 — геосетка

Размеры моделей фундаментов в плане представляли прямоугольник с шириной 200мм и длиной 500мм. Форма песчаной подушки формировалась в виде отсеченного эллипса, глубиной 100мм, длиной 500мм (рис.3).

Экспериментальная установка представляла собой грунтовый лоток с размерами в плане 1500x2500мм и высотой 1200мм (рис. 4). Нагрузка на грунтовую модель передавалась ступенчато при помощи консольно-рычажной системы. Каждая ступень выдерживалась до условной стабилизации деформации грунта. Осадка штампа замерялась при помощи измерителей перемещений, установленных в четырёх точках, с точностью 0,01мм.

а) б)

Рисунок 4. Экспериментальная установка: а) общий вид экспериментальной установки; б) проведение эксперимента.

Грунтовое основание в лотке устраивалось путем послойной (И=200мм) укладки суглинка нарушенной структуры с затворением водой и консолидацией каждого слоя. Высота исследуемого основания была принята Н=1000мм. Одновременно с укладкой грунта устанавливались датчики для измерения общих давлений. При заполнении лотка отбирались пробы грунта для определения его физико-механических характеристик: =0,83-0,90; =0,94-0,96; №'=28,0-31,5%; 7=18,6-18,9кН/м3; р =17,2-18,4°; с=0,017-0,019МПа; £=3,0-3,6МПа.

Армирующий элемент, расположенный по контуру песчаной подушки, представлен водопроницаемым стекловолокном ССП 30/30-2,5(150), пропитанным комплексным полимерным составом.

Устройство песчаной подушки выполнялось путём извлечения слабого грунта с формированием криволинейной поверхности, установки по контуру выемки геосинтетического материала и послойного её заполнения песчаным грунтом с уплотнением.

Лабораторные эксперименты позволили отразить качественную картину работы слабого глинистого грунта с различными вариантами улучшения строительных свойств основания. В результате проведенных экспериментов построены графики «осадка-давление» (рис. 5).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Р, кПа

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05 м

Рисунок 5. Экспериментальные графики «осадка-давление»:

1 - основание, усиленное песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой; 2 - основание, усиленное песчаной подушкой с плоской опорной подошвой; 3 - основание, усиленное песчаной подушкой с криволинейной подошвой (без армирования); 4 - естественное основание.

Анализ экспериментальных графиков позволил сделать следующее выводы:

- разность осадок штампов на основании, усиленном песчаной подушкой с плоской подошвой и криволинейной (без армирования), составляет 3-5%, что свидетельствует о том, что при малых поперечных размерах песчаной подушки, без дополнительных инженерных мероприятий (армирования), происходит её «раздавливание», сопровождающееся большими поперечными деформациями песчаного фунта;

- устройство песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой в слабом глинистом основании позволило снизить осадку штампа при среднем давлении на основание равном 75кПа на 35% по сравнению с естественным основанием и на 25% по сравнению с основанием, усиленном песчаными подушками без армирования.

Для увеличения эффекта применяемого способа усиления основания в виде песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, предложено исключить зоны раннего развития пластических деформаций, формирующиеся по краям штампа в слабом глинистом основании, путём увеличения размера песчаной подушки у подошвы штампа.

Первая серия лабораторных экспериментов показала эффективность использования песчаных подушек с контурным армированием и криволинейной подошвой в слабых глинистых грунтах при вариантном сопоставлении и легла в основу предложенного способа для дальнейшего исследования.

Вторая серия лабораторных экспериментов была направлена на исследование деформируемости грунтового основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой.

Для изучения деформируемости грунтового основания использовался метод «фотофиксации». Суть его заключается в формировании на боковой поверхности грунта сетки из марок, расположенных за прозрачной стенкой. Далее фиксируется начальное положение марок при помощи фотосъёмки, а после на каждой ступени

1У 1________ \ I нагружения производится фотофиксация. После

| ^^ проведения эксперимента фотографии попарно

I Ж ¡у - I \ Щ обрабатываются в программах для цифровых ! Н§ННаЦ| изображений, в результате чего получаются значения , 1 Щ Я ^НН^ перемещений слоёв грунта.

Чп ^"ияМ^! ' - Экспериментальная установка представляла собой

1' грунтовый лоток в виде полуцилиндра высотой 800мм и

■ шириной 1000мм (рис. 6). Загружение штампов

л I выполнялось ступенчато, статической нагрузкой при

: : помощи консольно-рычажной системы.

1 | В качестве грунтового основания использовался

| суглинок нарушенной структуры, который послойно укладывался в лоток. При заполнении лотка отбирались пробы грунта для определения его физико-механических характеристик: ./¿=0,63-0,69; =0,9-0,96; IV =29-30%; р=17,6-18,4кН/м3; <р= 15,2-19"; с=0,017-0,020МПа; £=4,3-5,7МПа.

Исследования проводились на естественном основании и на основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой (рис. 7).

Рисунок 6. Экспериментальная установка.

Рисунок 7. Исследуемые варианты грунтового основания: а) естественное основание; б) основание, усиленное песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой; 1 - жесткий плоский штамп;

2 - слабое глинистое основание; 3 — песок средней крупности; 4 - геосетка.

Размеры моделей фундаментов в плане представляли прямоугольник с шириной 100мм и длиной 250мм, что было обусловлено размерами испытательного лотка. Форма песчаной подушки формировалась в виде отсеченного эллипса, глубиной равной ширине штампа (100мм). Ширина песчаной подушки в верхней части принималась 240мм, длина 250мм.

В результате проведенных экспериментов были построены графики зависимости «осадка-давление» (рис. 8).

О 25 50 75 100 125 150 175 200 Р, кПа

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Б, м

Рисунок 8. Экспериментальные графики «осадка-давление»: 1 — основание, усиленное песчаной армированной по контуру подушкой с

криволинейной подошвой; 2 - естественное основание. Из анализа графиков видно, что осадка штампа на естественном основании нарастает намного быстрее, чем осадка штампа на основании, усиленном песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой. Разница осадкок штампов при нагрузке 150кПа составляет 42%, при нагрузке 175кПа осадка штампа на усленном основании в 2,5 раза меньше осадки штампа на естественном основании, разница в

осадках продолжает расти вплоть до окончания эксперимента. График осадки штампа на естественном основании имеет явно выраженный «срыв» при нагрузке, превышающей 150кПа. На графике осадки штампа на основании, усиленном песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, при нагрузке, доведённой до 200кПа, срыва не наблюдается. Общий вид основания, усиленного песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой, после испытания представлен на рисунке 9.

По экспериментальным данным были построены изолинии вертикальных,

горизонтальных и общих перемещений грунтового основания при средних давлениях под штампом 50, 100, 150кПа. В автореферате представлены изолинии перемещений при среднем давлении под штампом 150кПа(рис. 10).

Замещение слабого грунта песком и его контурное армирование позволяет увеличить распределительную способность грунта и вовлечь в работу перефирийные зоны слабого основания (рис. 10 а). Максимальные значения горизонтальных перемещений у штампа на естественном основании формируются на глубине 0,7Ь, у

1

/

2

\

\

\

Рисунок 9. Песчаная армированная подушка после испытания.

штампа на усиленном основании - на 0.4Ь и находятся в теле песчаной армированной подушки, что приводит к уменьшению их абсолютных значений.

Ж

Р

-- ц)

1

___________

300 -250 -200 -150 -ТОО -50 50 100 150 200

кк-300 -250 -200 -150 -100 -50

Рисунок 10. Изолинии перемещений (мм) в основании штампов при давлении 150кПа: а) вертикальные; б) горизонтальные; (слева - естественное основание; справа - усиленное основание).

Проведённые лабораторные экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

- криволинейная опорная поверхность песчаной подушки позволила увеличить диапазон линейной работы основания, за счёт включения в работу грунта, расположенного по всей криволинейной поверхности подушки, и более равномерного распределения напряжений на слабое глинистое основание;

- контурное армирование песчаной подушки уменьшает её поперечные деформации и, соответственно, уменьшает осадку фундамента за счёт снижения вертикальных деформаций песчаного грунта;

- предложенный способ приводит к увеличению более чем на 30% диапазона линейной работы основания и позволяет уменьшить осадку штампа при среднем давлении 150кПа на 40% по сравнению с естественным основанием.

Проведенные исследования в лабораторных условиях помогли выявить эффективность использования песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой в слабых глинистых грунтах. Результаты исследований легли в основу постановки натурного эксперимента.

Выявлены закономерности силового взаимодействия песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой и подстилающего слабого глинистого грунта, при действии полосовой нагрузки, на основе экспериментов в полевых условиях.

При проведении полевых экспериментов слабый глинистый грунт в активной зоне замещается песчаной подушкой с криволинейной подошвой, размеры песчаной подушки приняты по кривой эллипса: глубиной 0,8м, шириной 1,5м, длиной 5м. В качестве армирующего элемента использовался тканный геотекстиль ГЕОСПАН ТН-80. Нагрузка на песчаную армированную подушку передавалась через ленточный железобетонный

фундамент с размерами в плане 0,5x5м. Одновременно производилось испытание ленточного фундамента аналогичных размеров на естественном основании.

При проведении эксперимента фиксировались осадка фундаментов, перемещения фунтовых слоев, общее и поровое давления. Вертикальные перемещения фунтового слоя и тела песчаной армированной подушки измерялись при помощи глубинных винтовых марок. Перемещения марок фиксировались прогибомерами с ценой деления 0,01мм. Для измерения напряжений в грунте использовались тензометрические датчики общего и порового давления. В качестве регистрирующей аппаратуры для тензорезисторных мессдоз использовался цифровой преобразователь Field Point (National Instruments) с оригинальным виртуальным прибором, разработанным в профаммной среде LabVIEW, установленной на ПК.

Характеристики грунтов экспериментальной площадки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-механические свойства грунтов

Вид фунта Глубина, м W, % % д.ед. У , кН / мг е, д.ед. s„ д.ед. град. с, кПа Е, МПа

Суглинок 0-1,1 22 13 0,24 18,1 0,78 0,7 17 17 3,83

Суглинок 1,1-4,5 28 8 0,58 19,2 0,68 0,88 16 12 4,89

Суглинок 4,5-7,3 20 8 0,46 20,0 0,58 0,89 23 7 6,15

Суглинок 7,3-17 35 13 0,56 18,7 0,89 0,98 21 9 3,64

Нафузка на основание передавалась фундаментными блоками ФБС 24.6.6 через

четыре стальных двутавра 40Ш1, которые укладывались на модель ленточного фундамента. Общая нафузка на фундамент составила 1200кН (60 блоков), что соответствует среднему давлению 240кПа под подошвой ленточного фундамента Общий

вид испытания представлен на рисунке 11.

По результатам экспериментальных данных были построены фафики «осадка-давление» и выявлен характер развития вертикальных напряжений и перемещений в теле песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой и подстилающего слабого грунта (рис. 12. 13, 14).

Рисунок 11. Полевые испытания. Сопоставление результатов полевых испытаний с теоретическим прогнозом напряжённо-деформированного состояния основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, было выполнено в профаммных комплексах Plaxis и FEM models. Все расчеты и сопоставления рассмотрены для последней ступени нагружения при нафузке 240кПа в упругопластической модели Мора-Кулона (рис. 12, 13, 14).

Эксперимент

-2.2 J_,_'_,-,_

"-1.0 -0.1 -0.1 -OA -0.2

ПК FEM models.

Эксперимент

-2.2-1-,-,-----

"-1.0 -0.8 -0.6 -OA -0.

Рисунок 12. Сопоставление экспериментального и расчётного (FEM models) НДС грунтового основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой: а) изолинии вертикальных перемещений (м); б) изолинии вертикальных напряжений (кПа).

»-11 -¿8 -0.( -OA -0.2 О

Рисунок 13. Сопоставление экспериментального и расчётного (Р1ах1з) НДС грунтового основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой: а) изолинии вертикальных перемещений (м); б) изолинии вертикальных напряжений (кПа).

ПК Plaxis

Эксперимент

По результатам полевого эксперимента и расчётов построены графики «осадка -давление», приведённые на рисунке 14.

80

120

160

200

240 Р, кПа

О

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05 S, м

0.0058 0.01 1

0.01 __ ~ J ,0.017 2_

0.02 о.<йэ». - , Д026

4 - 0.037 1 -' с

V i

0.039 0.043 '0.046

Рисунок 14. График «осадка-давление»: 1 - экспериментальные значения (фундамент на усиленном основании); 2 - расчёт в программе FEM models (фундамент на усиленном основании); 3 - расчёт в программе Plaxis (фундамент на усиленном основании); 4 - экспериментальные значения (фундамент на естественном основании).

Для выявления эффективности расположения армирующего элемента по криволинейной поверхности песчаной подушки было дополнительно выполнено моделирование слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с плоской подошвой. Размеры песчаной подушки с плоской подошвой принимались геометрически сопоставимыми исследуемой. В результате расчёта осадка основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушкой с криволинейной подошвой, на 26% меньше осадки основания, усиленного песчаной армированной по контуру подушки с плоской подошвой, что позволяет сделать вывод о меньшей деформативности песчаной подушки с криволинейной подошвой вследствие более эффективного расположения армирующего элемента. При линейном расположении армирующего элемента максимальное продольное усилие, возникающее в нём, равно 10,76кН/п.м., при расположении армирующего элемента по криволинейной подошве продольное усилие в армирующем элементе составляет 15,01кН/п.м. Разница значений продольных усилий составляет 30%, что говорит об эффективном расположении армирующего элемента.

Анализ полученных графиков численного моделирования и результатов полевого исследования позволил сделать следующие выводы:

- устройство песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой, позволяет увеличить несущую способность основания более чем в 2 раза и уменьшить осадку штампа на 50% по сравнению с естественным основанием:

- криволинейная подошва песчаной армированной по контуру подушки позволяет увеличить распределительную способность грунта и вовлечь в работу слабый глинистый грунт основания по всей криволинейной подошве;

- расположение армирующего элемента по контуру криволинейной подошвы песчаной подушки позволяет более эффективно использовать армирующий материал, снижая деформируемость песчаной подушки путём ограничения её поперечных деформаций;

- полная осадка основания состоит из деформаций тела песчаной подушки (6070%) и слабого подстилающего грунта под криволинейной подошвой (30-40%);

- расхождение результатов моделирования в программном комплексе Plaxis со значениями, полученными в эксперименте, составляют: по перемещениям 15-35%, по напряжениям 15-50%;

- расхождение результатов моделирования в программном комплексе FEM models со значениями, полученными в эксперименте, составляют: по перемещениям 10-15%, по напряжениям 10-30%;

- по результатам моделирования предельная нагрузка на основание равна ЗбОкПа, осадка штампа при данной нагрузке составляет S=0,0826м. Предельная нагрузка на основание без усиления составила 160кПа.

Разработана методика расчета НДС песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого грунта, нагруженных полосовой нагрузкой.

Одним из направлений изучения распределения напряжений в зернистых грунтах является модель дискретных сред. Отличием модели дискретной среды является рассмотрение отдельных элементов её структуры как механически взаимодействующих тел. В результате рассмотрения распределения давления в зернистой среде, как вероятностного процесса по нормальному закону, И.И. Кандауровым в 1959г. впервые были введены формулы для средних значений напряжений для плоской задачи деформирования:

где Т7 - линейная вертикальная нагрузка (кН / м); а - коэффициент структуры среды (1 /м); 2 - координата по вертикальной оси (м)\ х- координата по горизонтальной оси (л<).

В данной работе предлагается экспериментальная методика определения коэффициента структуры а с учётом криволинейной опорной поверхности песчаной подушки и контурного армирования.

Для расчёта напряженно-деформированного состояния песчаной армированной подушки с криволинейной подошвой мысленно выделяется слой единичной длины в продольном направлении песчаной армированной подушки. В выделенный слой введена декартовая система координат XX с началом в верхней части песчаной армированной подушки по оси симметрии (рис. 15). Применим решение (1) к случаю распределённой нагрузки шириной 2Ъ. Для этого необходимо проинтегрировать

(1)

решение (1) в пределах действия нагрузки. Так как интеграл от (1) является неберущимся в виде аналитической функции, выполним аппроксимацию функции

у = ех , заменяя её функцией у = скх (к -коэффициент аппроксимации функции), с условием максимального расхождения между площадями фигур, ограниченными этими функциями, 5-10%. Расчётная схема приведена на рисунке 15.

Б, . к. Г

Рисунок 15. Расчётная схема песчаной армированной подушки с криволинейной

подошвой.

Данная расчётная схема имеет следующие обозначения: 1 - песчаный массив грунта с криволинейной подошвой; 2 - геосинтетический армирующий материал; 2Ъ - ширина действия нагрузки; Ьп - ширина песчаной подушки (поверху); й, - высота песчаной армированной подушки (по оси симметрии); q - равномерно-распределённая нагрузка; Р - линейная вертикальная нагрузка; Я - вертикальная составляющая реакции отпора грунта; - вертикальная деформация песчаной армированной подушки в месте приложения нагрузки; 52 - вертикальная деформация слабого глинистого основания без учёта деформации песчаного массива.

После проведения аппроксимации функции получим общее решение в виде:

( 0,9061а ^

/Те1 * | (2)

2 V 1п2

Проинтегрировав общее решение (2) в пределах от +Ь до -Ь, получим частное решение для равномерно распределённой нагрузки:

о =-

г

0,9061а

—0.9061(^ — 6)— еч 2г'-е

-0.9061(л:)—

(3)

Для нахождения коэффициента структуры а зададимся условием совпадения средних экспериментальных значений вертикальных напряжений в фиксированных по высоте плоскостях песчаной подушки с теоретическими значениями средних напряжений по общему решению (2):

\о™°р<1х = \о1кспеЫх,

(4)

где х - переменный предел интегрирования, равный при фиксированной глубине ъ горизонтальному размеру песчаной подушки.

Проинтегрировав численно правую часть равенства (4) и решив аналитически интеграл левой части, найдём экспериментальный коэффициент структуры а, меняющийся по глубине песчаной подушки.

Общая осадка загруженного основания, усиленного песчаной армированной подушкой будет состоять из осадки от деформации сжатия самой песчаной подушки (5[) и осадки слабого глинистого основания (5,):

5 = 5,+52. (5)

Деформация песчаной армированной подушки ограниченной мощности от линейной нагрузки определяется выражением:

1 Л|

5,=-- \а2сЬ. (6)

Е о

где Е - приведённый модуль деформации песчаной армированной подушки; /г, -высота песчаной подушки по оси симметрии.

Проинтегрировав выражение (6) при х = 0, получим зависимость от вертикального перемещения (осадки) массива мощностью /г, по линии загружения:

¡а -И,

2тг

Деформацию глинистого основания предлагается определить методом послойного суммирования с шириной условного фундамента, равной ширине песчаной армированной подушки по верхней части, исходя из условия равенства средних значений вертикальных напряжений на границе «песчаная армированная подушка -слабый грунт» и условного фундамента (рис. 16):

^-ГГГ тт; /

Л—

^г-гТТГТ ГТТт-г-г-г-, „зкй

°7

ч 1111 1111

сл

г

о™фсЫ (8)

Предложенная методика расчёта позволяет описать напряжённо-деформированное состояние песчаной армированной подушки с криволинейной подошвой с точностью до 10-15%. Результаты сопоставления численного расчёта осадки основания с экспериментальными значениями

представлены на рисунке 17.

Рисунок 16. Расчётная схема к определению осадки слабого основания.

240 Р, кПа

,м Рисунок 17. Сопоставление результатов расчёта осадки с экспериментальными данными (м); 1 - эксперимент; 2 - теория.

Оценен экономический эффект в результате использования способа повышения несущей способности слабого глинистого грунта.

Эффективность внедрения способа повышения несущей способности основания оценивается по стоимости строительных материалов, затратам на возведение, затратам труда. Все показатели сведены к приведённым затратам на 1 п.м. При определении стоимости использовались идентичные инженерно-геологические условия площадки. Для выявления эффективности применения песчаной армированной по контуру подушки выполнено экономическое сравнение со стандартным усилением основания в виде песчаной подушки (табл.2), а также приведена полная стоимость возведения различных типов фундаментов для вариантного сопоставления (табл.3).

Таблица 2

Стоимость усиления основания на слабых глинистых фунтах

Способ усиления основания Стоимость материала на 1 п.м., руб. Основная заработная плата рабочих и машинистов, руб. Стоимость эксплуатации машин, руб. Итого, руб.

Стандартная песчаная подушка 499,40 148,86 315,35 963,61

Песчаная армированная подушка с криволинейной подошвой 214,04 116,03 211,31 541,38

Таблица 3

Стоимость устройства фундаментов на слабых глинистых грунтах

Тип фундамента Стоимость материала на 1 п.м., руб. Основная заработная плата рабочих и машинистов, руб. Стоимость эксплуатации машин, руб. Итого, руб.

Ленточный на естественном основании 4658,23 313,47 354,22 5325,92

Ленточный на свайном основании (6м) 6013,22 450,12 1160,40 7623,74

Ленточный на укреплённом основании 2591,72 191,53 261,97 3045,22

В результате проведенного экономического сравнения возможно сделать следующие выводы:

- устройство армированной подушки с криволинейной подошвой позволяет сократить расходы на усиление основания до 40% по сравнению со стандартной песчаной подушкой;

- внедрение полученных результатов диссертационной работы в практику строительства позволит сократить стоимость фундамента от 40 до 60%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан способ повышения несущей способности и снижения деформируемости слабого глинистого грунта путём замещения его в активной зоне песчаной подушкой с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом.

2. В результате экспериментальных исследований в лабораторных условиях выявлено, что замещение слабого глинистого грунта песчаной армированной по контуру подушкой, при действии полосовой нагрузки локализует зоны максимального развития касательных напряжений и сдвиговых деформаций в прочном песчаном грунте, что позволяет увеличить линейную зону работы основания и уменьшить его деформируемость.

3. В результате экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях установлено, что контурное армирование песчаной подушки с криволинейным очертанием подошвы, близким по очертанию изолиниям главных сжимающих напряжений, значительно, более чем в 2,5 раза, снижает поперечные деформации песчаной подушки, что уменьшает вертикальные деформации песчаного грунта и приводит к снижению осадки фундамента до 50% и более, в зависимости от физико-механических характеристик материала подушки.

4. Выявлены основные закономерности силового взаимодействия песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой с подстилающими слабыми глинистыми грунтами при действии полосовой нагрузки. Так, полная осадка основания состоит из деформаций тела песчаной подушки (60-70%) и слабого подстилающего грунта (30-40%).

5. Разработана методика расчета НДС песчаной подушки с криволинейной подошвой, армированной по контуру геосинтетическим материалом, и подстилающего слабого глинистого грунта, нагруженных полосовой нагрузкой, позволяющая с точностью до 15% прогнозировать НДС основания.

6. Установлено, что использование программных продуктов FEM models и Plaxis позволяет с точностью до 20% и 35% соответственно описывать НДС песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой и подстилающего слабого глинистого основания.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Бай, В.Ф. Экспериментальные исследования работы площадных фундаментов на слабом глинистом основании, усиленном песчаной армированной подушкой / В.Ф. Бай, А.Н. Краев // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань, 2011г.-№1.-С.72-75.

2. Краев, А.Н. Экспериментальные исследования работы слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой / А.Н. Краев // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань, 2013г. -№5. -С.221-224.

3. Бай, В.Ф. Исследование работы песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой в условиях слабых глинистых грунтов / В.Ф. Бай, А.Н. Краев // Вестник гражданских инженеров. - Санкт-Петербург, 2014 г. -№3 (44). - С.107-110.

В других изданиях:

4. Бай, В.Ф. Экспериментальное исследование работы слабого глинистого основания, усиленного песчаным армированным грунтом, под ленточным фундаментом / В.Ф. Бай, АВ. Набоков, В.В. Воронцов, А.Н. Краев // Строительный вестник Тюменской области. - Тюмень, 2009г. - №3. - С.48-51.

5. Бай, В.Ф. Усиление слабых оснований под фундаментами малоэтажных зданий / В.Ф. Бай, А.Н. Краев // Сборник материалов IX научной конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей. - Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2010. - С.72-75.

6. Бай, В.Ф. Исследование работы площадных фундаментов, имеющих криволинейную подошву / В.Ф. Бай, А.Н. Краев // Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции: Актуальные проблемы строительства, экологии и энергоснабжения в условиях западной Сибири. - Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2010. - С.81-83.

7. Бай, В.Ф. Экспериментальные исследования работы площадных фундаментов на слабом глинистом основании, усиленном песчаной армированной подушкой / В.Ф. Бай, А.Н. Краев // Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции: Актуальные проблемы строительства, экологии и энергоснабжения в условиях западной Сибири. - Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2011. -С.8-11.

8. Бай, В.Ф. Экспериментальные исследования работы площадных фундаментов на слабом глинистом основании, усиленном песчаной армированной подушкой / В.Ф. Бай, А.Н. Краев, А.Н. Абышев, П.И. Васенин // Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции: Актуальные проблемы строительства, экологии и энергоснабжения в условиях западной Сибири. - Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2012. - С.99-104.

9. Бай, В.Ф. Экспериментальное обоснование использования песчаной армированной по контуру подушки с криволинейной подошвой под ленточными фундаментами / В.Ф. Бай, А.Н. Краев, П.И. Васенин, Д.С. Скворцов // Сборник материалов международной научно-практической конференции: Актуальные проблемы строительства, экологии и энергоснабжения в условиях западной Сибири. -Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2014. - С.6-10.

Патенты:

Пат. 2522268 РФ, МПК Е 02 D 27/00. Армированная песчаная подушка с

криволинейной подошвой / В.Ф. Бай, A.B. Набоков, В.В. Воронцов, А.Н. Краев, А.Н. Краев; опубл. 10.07.2014г. Бюл. №19.

Изд. лицензия № 02884 от 26.09.2000. Подписано в печать 17.10.14. Формат 60x90/16. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 819.

РИО ТюмГАСУ, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2