автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Прогноз несущей способности двухслойного основания на основе результатов анализа его напряженного состояния

На правах рукописи

7<¿1*7/.

Вайнгольц Алексей Игоревич

Прогноз несущей способности двухслойного основания на основе результатов анализа его напряженного состояния

Специальность 05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Волгоград 2014

005554004

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Богомолова Оксана Александровна

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Пилятн

Алексей Васильевич, Чебоксарский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», заведующий кафедрой строительного производства (г. Чебоксары)

Кандидат технических наук Якименко Игорь Валерьевич, ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», доцент кафедры «Строительные конструкции, строительная и прикладная механика» (г. Новочеркасск)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный

архитектурно-строительный университет» (г. Тюмень)

Защита состоится «23» декабря 2014 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан « 22 » октября 2014 г.

Ученый секретарь .. / ¿Ж

диссертационного совета /¿Я ¿/г ! Акчурип

¡у И/г ' Талгать Кадимович

Актуальность темы диссертации. Всестороннее изучение процессов образования и развития областей пластической деформации в основаниях фундаментов имеет огромное значение для определения несущей способности основания. В действующих нормативных документах определение величины расчетного сопротивления грунта основания производится по формуле, в основе которой лежит выражение, предложенное H.H. Пузыревским, для вычисления первой критической нагрузки на грунт с включенными в него коэффициентами условий работы.

Большая часть из существующих методов расчета несущей способности базируется на предположении об однородном и изотропном грунте основания. В реальности большинство естественных оснований - слоистые, с горизонтальным или наклонным залеганием слоев, которые отличаются прочностными и деформационными характеристиками.

Однако, несмотря на это, величины отношений модулей общей деформации слоев Е„ и их коэффициентов бокового давления не входят в качестве расчетных параметров ни в один из известных нам методов расчета несущей способности.

Поэтому решение задачи об определении степени влиянии деформационных свойств грунтов инженерно-геологических элементов, составляющих двухслойное основание, толщины и относительного положения слоев на величину расчетного сопротивления и несущей способности основания заглубленного ленточного фундамента является актуальиьш.

Цель диссертационной работы формулируется следующим образом: используя результаты анализа напряженного состояния грунтового массива, учитывающего максимальное количество определяющих его факторов, разработать рекомендации по расчету несущей способности двухслойного основания заглубленного ленточного фундамента конечной жесткости.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующей задачи:

1. Проанализированы наиболее известные методы расчета несущей способности оснований ленточных фундаментов, установлены основные их недостатки и сделан вывод о необходимости решения поставленной задачи.

2. Определен перечень переменных расчетных параметров, в наибольшей степени определяющих величины критических нагрузок на двухслойное основание.

3. Сопоставлены варианты механико-математических моделей и соответствующих им расчетных схем, определены оптимальные, с точки зрения адекватного учета максимального количества факторов, определяющих напряженное

состояние грунтового массива и, следовательно, соответствующие критические нагрузки.

4. Проведено компьютерное моделирование процессов распределения напряжений и развития областей пластических деформаций в весомом двухслойном основании заглубленного ленточного фундамента при различных значениях прочностных и деформационных свойств грунтов, составляющих его инженерно-геологических элементов.

5. На основе обработки и анализа результатов моделирования построены графические зависимости и получены соответствующие аналитические аппроксимации, позволяющие оценить величину изменения критических нагрузок на основание в зависимости от изменения численных значений переменных расчетных параметров.

6. Создан алгоритм, на основе которого полученная база данных формализована в компьютерную программу-калькулятор, пригодную для проведения инженерных расчетов.

7. Проведена проверка достоверности полученных результатов путем сопоставления численных значений предельно допустимых нагрузок, полученных при помощи предложенного алгоритма, с данными экспериментальных и теоретических исследований других авторов, выполненных ими независимо от нас.

8. Выполнено внедрение результатов и рекомендаций диссертационного исследования в практику строительства и учебный процесс.

Достоверность результатов диссертационного исследования, выводов и рекомендаций обоснованы:

- теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости, теории пластичности, метода конечных элементов, инженерной геологии и механики грунтов;

- использованием в качестве инструмента исследования верифицированных компьютерных пршрамм, зарегистрированных в государственном реестре;

- удовлетворительной сходимостью результатов сопоставительных расчетов несущей способности грунтовых оснований с результатами теоретических и экспериментальных исследований, проведенных независимо от нас другими авторами при различных значениях физико-механических свойств грунтов;

- результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в строительную практику.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

- получены новые данные о процессе образования и развития областей пластических деформаций в двухслойном основании заглубленного ленточного

4

фундамента;

- определены диапазоны изменения величины отношения модулей общей деформации и коэффициентов бокового давления грунтовых слоев, вне которых расчет несущей способности двухслойного основания может быть сведен к расчету несущей способности однородного основания с соответствующими деформационными свойствами;

- получены количественные зависимости величины расчетного сопротивления двухслойного основания заглубленного фундамента конечной жесткости от основных факторов, определяющих прочность и устойчивость основания;

- предложенные формулы и графики формализованы в электронной программе-калькуляторе, позволяющей оценить изменение величин критических нагрузок на двухслойное основание в зависимости величины численных значений отношений модулей общей деформации и коэффициентов бокового давления грунтов, слагающих слои основания.

Практическая значимость работы. Диссертационная работа представляет собой часть научных исследований, проводимых на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2011-2014 г.г.

Представленные в диссертационной работе результаты исследований могут быть использованы для:

- предварительных инженерных расчетов величины расчетного сопротивления заглубленных ленточных фундаментов, возводимых на двухслойных основаниях;

- оценки погрешностей инженерных расчетов несущей способности слоистых оснований методами, не учитывающими неоднородность деформационных свойств грунтов, слагающих основание;

- прогноза изменения величины несущей способности основания зданий и сооружений при изменении прочностных и деформационных свойств грунтов слоистого основания;

- расчета критических нагрузок на техногенные слоистые основания.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы

докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах:

Ежегодных научно-технических конференций профессорско-

преподавательского состава, докторантов и аспирантов Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2011-2014 г.г.); III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г.); 65-ой Всероссийской научной конференции преподавателей, аспирантов, соискателей и студентов по проблемам архитектуры и строительства

5

(Казань, 2013 г.); V Региональной научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» (Пермь, 2013 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2014 г.); на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.

Личный вклад автора заключается в:

- составлении и отработке механико-математических моделей и расчетных схем МКЭ исследуемых объектов (граничные условия, размеры, вид, степень дискретизации);

- проведении компьютерного моделирования процессов распределения напряжений и образования и развития областей пластических деформаций в двухслойном основании заглубленного ленточного фундамента конечной жесткости при различных значениях величин отношений модулей общей деформации и коэффициентов бокового давления слоев грунта основания;

- обработке и анализе полученных результатов, построении на их основе графических зависимостей величин расчетного сопротивления слоистого основания от численных значений переменных расчетных параметров;

- разработке компьютерной программы-калькулятора;

- проведении сопоставительных расчетов и анализе их результатов;

- внедрении результатов диссертационной работы в строительную практику.

На защиту выносятся:

1. Механико-математические модели и расчетные конечно-элементные схемы исследуемых объектов.

2. Новые закономерности процессов распределения напряжений и образования и развития областей пластических деформаций в двухслойных основаниях заглубленных ленточных фундаментов конечной жесткости.

3. Графические зависимости и соответствующие аналитические аппроксимации, позволяющие оценить величину изменения критических нагрузок на основание в зависимости от изменения численных значений переменных расчетных параметров;

4. База данных и компьютерная программа-калькулятор, позволяющая оценить изменение расчетного сопротивления в зависимости от величины переменных расчетных параметров;

5. Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.

Результаты научных исследований внедрены:

- при проведении предварительных расчетов несущей способности ленточного фундамента и разработке конструкции усиления железобетонного монолитного ленточного фундамента реконструированного здания № 15/1 по ул. Профсоюзной (отель Hampton by Hilton) Ворошиловского района гор. Волгограда;

- в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета при проведении курсового и дипломного проектирования студентами специальности «Гидротехническое строительство».

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 научных статьях, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы из 126 наименований и приложений. Общий объем работы - 175 страниц машинописного текста, в том числе 150 страниц основного текста, содержащего 60 иллюстраций и 16 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедр «Гидротехнические и земляные сооружения» и «Прикладная математика и вычислительная техника» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета за помощь и поддержку при работе над диссертацией.

Особую благодарность автор выражает научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Богомоловой OA. за ценные советы и замечания, постоянную помощь во время работы над диссертацией.

Краткое содержание работы

В первой главе проведен анализ существующих методов расчета несущей способности оснований. Этим вопросам посвящены работы многих отечественных и иностранных ученых. Среди них: A.A. Бартоломей, В.Г. Березанцев, А.Н. Богомолов, O.A. Богомолова, А.К. Бугров, С.С. Вялов, Н.М. Герсеванов, А.Л. Гольдин, М.Н. Гольдштейн, С.С. Голушкевич, М.И. Горбунов-Посадов, Б.И. Далматов, Ю.К. Зарецкий, М.В. Малышев, H.H. Маслов, Ю.Н. Мурзенко, В.В. Соколовский, A.C. Строганов, З.Г. Тер-Мартиросян, И.В. Федоров, В.А. Флорин, В.К. Цветков, H.A. Цытович, К. Akai, H. Lundgren, К. Mortensen & J.F. Nixon, G. G. Meyerhof, L. Prandtl, K. Terzaghi, G. Tschebatariof и др. На основе результатов анализа сделан вывод, что большинство из существующих методов расчета несущей способности оснований наделены существенным набором недостатков, наличие которых делает

7

нерациональным их использование в качестве инструмента при решении задачи об отыскании величин расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на слоистое основание.

Признано целесообразным проводить анализ напряженного состояния двухслойного основания фундамента методом конечных элементов (МКЭ), а величины критических нагрузок на основание фундамента определять исходя из размеров областей пластических деформаций, развивающихся под его краями, как это предложено проф. А.Н. Богомоловым. При этом будем считать, что величине расчетного сопротивления Я соответствует нагрузка (как это определено СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений»), при которой области пластических деформаций развиваются под подошву фундамента на глубину, равную четверти его ширины, а величина предельно допустимой нагрузки на основание Рпд определяется величиной внешней нагрузки, соответствующей моменту смыкания ОПД под подошвой фундамента.

Данный подход позволяет учесть при проведении исследований большинство переменных расчетных параметров, оказывающих решающее влияние на напряженное состояние грунтового массива и его устойчивость, в том числе коэффициент бокового давления £а, модуль общей деформации Е0 отдельных слоев грунта, модуль упругости Е материала штампа и глубину заложения фундамента.

Реализовать данный подход при проведении исследований позволяет компьютерная программа «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние», разработанная в ВолгГАСУ и принятая в качестве инструмента исследования при выполнении данной диссертационной работы.

Во второй главе приведены результаты сопоставительных расчетов, результаты которых обусловили выбор одного из вариантов механико-математических моделей и разработку соответствующей ей расчетной схемы.

Для четырех наиболее часто используемых расчетных схем, представленных на рис. 1, методом конечных элементов выполнены расчеты напряженного состояния грунтового массива с целью выяснения влияния вида расчетной схемы на величины напряжений, возникающих в соответствующих точках основания. Кроме того, была поставлена задача выяснить, как на изучаемый процесс влияет величина отношения модулей деформации рабочего (верхнего) и подстилающего (нижнего) слоя грунта.

Для проведения сопоставительных вычислений составлены расчетные схемы размерами 30x10 м, ширина нагрузки принята 26=5 м, ее интенсивность ц=2 кгс/м2.

В результате вычислений построены эпюры вертикальных <т2, горизонтальных ах, и касательных г7Х напряжений, действующих в точках вертикальных прямых,

8

проходящих через центр фундамента, его край, а также через точки поверхности основания фундамента, отстоящие от его края на расстоянии Ь и 2Ь. Часть этих эпюр в качестве примера приведен на рис. 2.

Г

1

а> б) в) г)

Рис. 1. фрагменты расчетных схем основания ленточного фундамента: незаглубленный фундамент без боковых пригрузок (а); имитация заглубления фундамента при помощи боковых пригрузок (о); заглубленный гибкий фундамент (в); заглубленный фундамент конечной жесткости (нагрузка передается через штамп) (г)

Рис. 2. Эпюры вертикальных нормальных напряжений построенные вдоль

вертикальной прямой, проходящей через центр фундамента, при толщине рабочего слоя грунта Н.=2 м и отношениях модулей общей деформации слоев £„/£„„ =1 (а); £<,/£•„„= 10 (б); ЕЛЕт= 100 (в); Еа^он= 1000 (г); £<,/£<,„=0,1 (й); £„./£,„=0,01 (е)

В результате анализа численных результатов вычислений и изображений соответствующих эпюр напряжений установлено, что:

1. Значения соответствующих напряжений, определенные при различных схемах нагружения основания, значительно отличаются друг от друга в соответствующих точках исследуемой области при условии, что эти точки находятся выше границы слоев грунта с разными физико-механическими свойствами. Причем, эти отличия в зависимости от величины отношения Е0/Е0„ и Н„ могут достигать 50140%. Ниже этой границы абсциссы соответствующих точек эпюр всех трех компонент напряжения практически совпадают.

2. Чем дальше от оси фундамента находится рассматриваемая точка грунтового массива, тем меньше становится влияние вида расчетной схемы на напряженное состояние.

3. Чем больше мощность верхнего (рабочего) слоя грунта, тем меньшее влияние оказывает выбор вида расчетной схемы на характер распределения напряжений.

4. Существует предел значений величины отношения Еов/Еон, после достижения которого величина этого отношения перестает оказывать сколько-нибудь существенное влияние на характер распределения напряжений в грунтовом массиве.

Основываясь на результатах проведенного исследования, сделан вывод о том, что расчетная схема, изображенная на рис. \г, наиболее полно отвечает условиям работы слоистого основания заглубленного ленточного фундамента конечной жесткости, поэтому она выбрана рабочей при проведении исследований.

Поскольку расчетные схемы МКЭ симметричны относительно вертикальной прямой, проходящей через середину фундамента, все вычисления проведены с учетом этого обстоятельства, что позволило существенно снизить количество вычислительных операций при одновременном увеличении степени дискретизации расчетной области. В зависимости от величины отношения ширины подошвы фундамента к глубине его заложения, которое при расчете принимает значения Лэ/2Ь=0,5; 1,0; 1,5; 2,0, расчетные схемы МКЭ насчитывают соответственно 19872, 21672, 29472, 37272 треугольных элемента, сопряженных в 10141, 11051, 1499, 18931 узлах. При этом ширина матриц жёсткости соответствующих систем уравнений равна 206, 226, 306, 386.

В этой главе определены диапазоны изменения численных значений переменных расчетных параметров, которые определяют размер, место локализации и форму областей пластических деформации. К ним отнесены: величина интенсивности внешней равномерно распределенной нагрузки q, глубина заложения А, и ширина фундамента 26, величина отношений модулей общей деформации Е0/Е0Н и коэффициентов бокового давления грунтов, составляющих слои основания, величина давления связности СГсв, а также деформационные характеристики материала самого фундамента (штампа) - модуль упругости Е и коэффициент Пуассона V.

Отношение глубины заложения к ширине фундамента принято /¡У'2А=0,5; 1,0; 1,5; 2,0. Величина отношения Е0УЕ0Н изменяется в интервале [0,067—15]. Значение коэффициента бокового давления глинистых грунтов принято ¡0 ~ 0,75. Давление связности асв изменяется от 27,7 до 236. Модуль упругости материала фундамента при проведении компьютерного эксперимента принят как для железобетонной

конструкции равным Е = 15794,5 МПа. Величина коэффициента бокового давления материала фундамента ¿0= 0,25.

В третьей главе приведены результаты, позволяющие оценить влияние различных факторов: Е0/Еш, чо, Н„ и др. на напряженное состояние грунтового основания и процесс развития областей пластических деформаций.

Анализ построенных по результатам вычислений эпюр напряжений убедительно показывает, что величины Ем'Еон и ¿г<> оказывают существенное влияние на напряженное состояние грунтового массива (при всех прочих равных условиях величина напряжений может изменяться на 20-1000%) и, следовательно, и на величины критических нагрузок.

На рис. 3 в качестве примера приведены эпюры вертикальных нормальных и горизонтальных нормальных напряжений, построенных на вертикали, проходящей через середину фундамента при условии, что Е0/Е011 =0,1 и 10, а значение коэффициента бокового давления слоев грунта одинаково и равно £„=0,75.

10 30 50 70 90

10 30 50 70

-30 -10 10 30 50

-40 -20 0 20 40 60

-2.5 - — Однородное

Нб=0_5 н

-з - -*-Нв-1 ы

-3,5 - -•-Не-1.3 и

-4 " Нь=2 и

-4,5 -1 ®н

4

б)

г)

Рис. 3. Эпюры напряжений, построенные на вертикали, проходящей через середину фундамента, при Е„/Е„„ = 0,1 (а, в); ЕоУЕан = 10 (6, г) и 6= 0,75

Анализ картины областей пластических деформаций в двухслойном основании заглубленного фундамента конечной жесткости при значениях внешней нагрузки, соответствующих величинам расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки, показывает, что глубина их развития при всех прочих равных условиях существенным образом зависит от мощности рабочего (верхнего) слоя грунта.

На рис. 4 представлена часть картин ОПД. построенных в двухслойном основании заглубленного фундамента конечной жесткости при критических нагрузках. При этом выполнены условия: Е0^Е0Н = 2, глубина заложения фундамента !>з = 0,5 м, его ширина 2Ь = 1 м, мощность (толщина) верхнего слоя //„ - 0.5 м, угол внутреннего трения и удельное сцепление рабочего слоя грунта р=16° и с=16 кПа, а величина коэффициента бокового давления обоих слоев грунта £0= 0,75.

После обработки результатов вычислений, которые выполнены для всех

имеющих физический смысл сочетаний переменных расчетных параметров, построены графические зависимости вида Я=ЛП,). часть из которых в качестве примера приведена на рис. 5.

Рис. 4. Области пластических деформаций в двухслойном основании заглубленного ленточного фундамента конечной жесткости при Е„/Е0„ ~2 и толщине верхнего слоя Я. = 0,5 м при интенсивности внешнего воздействия ц, соответствующей величине расчетного сопротивления Ч (а), величине предельно допустимой нагрузки Ииа (в) и некоторому промежуточному значению (б)

012340123401234

а) 6) в)

Рис. 5. Графические зависимости вида К-/(И,) при E0JE0„ = 2,0; 5,0; 10,0 соответственно (а-в)

Анализ этих зависимостей позволяет сделать вывод о том, что величина интенсивности равномерно распределенной нагрузки qpc, эквивалентной величине расчетного сопротивления R, является некоторой функцией толщины рабочего (верхнего) слоя двухслойного основания //« и что для каждого отношения модулей деформации EUJEUH можно определить такое граничное значение толщины верхнего слоя грунта Н,1р, что при дальнейшем ее увеличении значение qpc уже не меняется. Таким образом, при Н„>1 !вгр становится возможным использование расчетной схемы однородного основания.

Следующим этапом обработки результатов вычислений было построение графических зависимостей вида Hn,,p=J{E0JE0H), часть которых приведена на рис. 6. Анализ этих зависимостей показывает, что разница между соответствующими им значениями величины Н,гр не превышает 4-5%, если Е„/Еон < 0,75. Если 0,5<Eot/Eo„ <0,8 и 1.2<Ео/Е0Н <2, то эта разница может возрасти до 32-38% на интервалах значений. Максимальное отличие значений Н„р - более чем 100% - наблюдается, если 0&<Е0</Ет<\,2. При Е0/Е0„>2 разница сокращается до 16-18%.

Для оценки влияния численного значения угла внутреннего трения <р и коэффициента бокового давления рабочего слоя грунта на величину расчетного сопротивления двухслойного основания выполнены расчеты при условии, что

3 п Н,

3 ПН-

О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75

а) 6)

Рис. 6. Графические зависимости вида Н^Р=/(Е0,Е0„) при различных значениях прочностных характеристик грунта рабочего слоя

приведенное давление связности ас,=3, величина отношения 2ЫЬ3 =1, толщина верхнего слоя Н.= 1 м, а коэффициент бокового давления грунта последовательно принимает значения 0,5; 0,75; 0,95.

Полученные результаты приведены ниже на рис. 7.

а) б) в) Рис. 7. Графические зависимости вида R-Jlv) при величине 4, =0,5 (а); 0,75 (о); 0,95 (в)

Полученные кривые могут быть с достаточно большой степенью точности аппроксимированы прямыми линиями при любых рассмотренных в настоящей диссертационной работе значениях величины отношения EjEOH и i0. Расчетами установлено, что величина достоверности линейной аппроксимации R2 составляет 0,98 - 0,99.

Итак, показано, что при проведении компьютерного моделирования процесса

образования и развития областей пластических деформаций в двухслойном

основании с целью определения R, необходимо учитывать все перечисленные выше

факторы, так как их влияние на R, при всех прочих равных условиях оценивается

13

следующим образом:

- при изменении толщины верхнего слоя Я, величина Я может изменяться на

65%,

- при изменении угла внутреннего трения <р величина Я может изменяться на

200%,

- при изменении коэффициента бокового давления ад величина Я может изменяться на 25%.

В четвертой главе приведены результаты компьютерного моделирования процесса определения величины расчетного сопротивления двухслойного основания заглубленного ленточного фундамента конечной жесткости для любых возможных сочетаниях численных значений переменных расчетных параметров, принятых ранее.

Проанализировав графические зависимости вида Я ~/{110/Е0И). часть которых, в качестве примера, приведена на рис. 8, можно утверждать, что их с высокой степенью точности можно аппроксимировать выражением

где - значение расчетного сопротивления однородного основания с физико-механическими характеристиками верхнего (несущего) слоя; к - угловой коэффициент прямой.

-0,75 -0,5 -0,25

0,25 0,5 0,75

,25 0,5 0.75 I

6) в) Рис. 8. Графические зависимости вида И^](И„,'Еон) для двухслойного основания при значениях ширины фундамента 26=2 м, #«=1,0; 2.0; 3,0; 4,0 м для грунта с прочностными характеристиками ф=16°, с=16 кПа, при величине глубины заложения фундамента Л3=0,5 (а); 1,0 (б) 1,5 (в) и 2,0 (г) м.

-1 -0.75 -0,5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1

г)

Далее, если построить графические зависимости вида к=/(2ЫН,) (см. рис. 9), то они могут быть аппроксимированы прямыми вида

26

к = а--+ т.

Н.

где а и т - коэффициенты, зависящие от физико-механических свойств грунта и геометрических параметров фундамента.

Как показали исследования зависимостей и т^Л1г3), численные значения

акт весьма незначительно зависит от ширины фундамента 2Ь. Дополнительные вычисления показали, что использование усредненных численных значений коэффициентов акт при расчетах, вносит погрешность, не превосходящую 5%.

Установлено, что при увеличении численных значений угла внутреннего трения и удельного сцепления значения коэффициентов акт возрастают по абсолютной величине, а зависимости вида о=Д//3) и т=А)ц) как и при рассмотренных выше значениях с к <р, практически линейны.

0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75

а)

0.5 0,75

1.25 1.5 1,75 2

1>1.м

б) в) Рис. 9. Графические зависимости вида: Л0-/(Л3) (а), к-Д2Ь7/,) (о) для грунта с прочностными характеристиками р=16°, с= 16 кПа, при значениях ширины фундамента 26=1,0 м; а-/[Из) (в) и т=Д)ц) (г) для грунта с прочностными характеристиками ф=16°, с=16 кПа. при значениях ширины фундамента 26=1,0; 1,5; 2,0 м

г)

Величина коэффициента бокового давления слоев фунта также & оказывает влияние на величину расчетного сопротивления Л двухслойного основания.

В качестве примера в таблице № 1 приведены значения Яд и к, определенные из анализа графических зависимостей Л для фундамента со значениями

ширины 26=2 м, глубины заложения Л3= 1 м. #„=1,0; 2,0; 3,0; 4,0 м для грунта с прочностными характеристиками р=16°, с=16 кПа и величинах коэффициента бокового давления слоев грунта ¿<>=0,98; 0,75; 0,5.

Таблица № 1. Значения К<, и к при значениях £,=0,98,0,75;0,5

Я.м /¡о, кПа к Я. м «0, кПа к //„. м До, кПа к

¿0=0.98 ¿о=0.75 6=0.5

1 120 185 1 104.6 100 1 78.5 46

2 120 51 2 104.6 29.2 2 78.5 10.5

3 120 13.7 3 104.6 5.25 3 78.5 -4

4 120 -1.6 4 104.6 -5 4 78.5 -7.74

Анализ графических зависимостей вида а =_ДСо) и т=]{с_а) показывает, что при увеличении численного значения коэффициента бокового давления грунта происходит рост абсолютных значений коэффициентов акт, что обуславливает увеличение численного значения коэффициента к и, как следствие, величины расчетного сопротивления основания

Чтобы проиллюстрировать степень совместного влияния величин угла внутреннего трения <р и удельного сцепления с грунта рабочего слоя, которое может быть учтено через величину приведенного давления связности ана величину расчетного сопротивления при различных значениях коэффициента бокового давления ¿¡о при помощи компьютерной программы «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние» выполнено моделирование процесса образования и развития областей пластических деформаций в основании заглубленного фундамента.

Ниже на рис. 10 представлены графики зависимостей Л=_Дст„), полученные при условии, что величина угла внутреннего трения р=10°, отношение 2Ык3=1, толщина верхнего слоя Н, = 1 м, значения коэффициента бокового давления грунта Со=0.5;0.75;0,95. а величина приведенного давления связности поочередно принимает значения <7„=2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0.

Построенные кривые с большой степенью точности аппроксимируются прямыми линиями вне зависимости от величин отношения Е„^Еои и £о- При этом достоверность аппроксимации Я2 составляет 0,98 - 0,991.

а)

6)

в)

Рис. 10. Графики зависимостей вида при величине (о =0,5 (а);0,75 (6);0,95 (в)

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1

0,05 -

X.

а) б) в)

Рис. 11. Графики зависимостей вида А2/2Ь-/{ас,) при величине с0 =0,5 (а); 0,75 (б); 0,95 (в) при действии нагрузки, равной величине расчетного сопротивления при величине приведенного давления связности а„=4

Анализ приведенных на рис. 11 графических зависимостей вида ¿\7./2Ь=Да„), построенных для тех же значений геометрических параметров фундамента и прочностных характеристик грунта, показывает, что линейная аппроксимация с достаточной для инженерной практики степенью точности возможна лишь при условии Сс—>0.95. в остальных случаях данная зависимость явно не является линейной. Кроме того, величина глубины развития областей пластических деформаций вглубь под фундамент остается практически постоянной для любого из рассмотренных значений величины отношения Е0/Е0Н при условии, что <р=со!Ш.

Результаты моделирования сведены в таблицы, на основании данных которых построены соответствующие графические зависимости, для каждой из которых получены аналитические аппроксимации.

Фрагмент базы данных в качестве примера представлен в виде рис. 12.

40 -35 -30 -25 " 20 -15 -10 -5 -0

Чя

0,01

0,1

а)

в)

-0.5 м

-1м

-1.5 и

-2м

100

20 п 15 10 -5

Чк

о 0,01

25 п 20 15 10 5 -

0

Чя

0,1

б)

г)

-0,5 м

-1м

-1,5 м

-2м

Еои/Ео,

100

-0.5 м -1м -1.5 м -2м

Ко«/Ео1

ю

100

Рис. 12. Графики зависимости ц=](Е0*'Ет) при 2Ъ = 2Н: а) ас. = 6: <9=20°; б) ас.= 6; <р=15° в) ас. = 7; <р=20°; г) ас. = 7; <р 15°

В полном объеме составленная база данных в диссертационной работе не приводится в виду ее ограниченного объема и будет в надлежащем порядке зарегистрирована в Государственном Реестре. На основании совокупности полученных результатов моделирования также разработана программа-калькулятор "11500-2014", которая будет зарегистрирована в Государственном Реестре.

В пятой главе проведено сопоставление результатов расчета двухслойного основания, выполненных на основе анализа напряженно-деформированного состояния с выполненными существующими методами и с данными натурных наблюдений.

Рассмотрим двухслойное основание со следующими физико-механическими характеристиками грунта рабочего (верхнего) слоя: удельный вес грунта / = 18 кН/м3, угол внутреннего трения <р = 16°, сцепление с = 16 кПа. Ширина фундамента и глубина его заложения приняты постоянными и равными соответственно: 2 b =2 м; /;, = 1 м.

При выполнении вычислений примем три пары значений толщины рабочего (верхнего) слоя основания Н, и отношения модулей общей деформации грунта рабочего и подстилающего слоев Е0/Е0„: Н,=2Ь, и E0JE0H=2\ ff,=3,5b и E0JE0H=2\ //,=3,56 и EJEm=5-

Сопоставление результатов расчета величины расчетного сопротивления двухслойного основания, расчетные параметры которого приведены в работе A.B. Пилягина, которая в списке литературы к диссертации приведена под номером 62, методом, предложенным автором диссертации, на основе рекомендаций СНиП 2.02.01-83* и на основе вычислительного приема, базирующегося на результатах анализа напряженного состояния грунтового массива, показывает, что результаты, получаемые по методу СНиП 2.02.01-83* и A.B. Пилягина, не зависят от величины коэффициента бокового давления грунта с,0 рабочего слоя основания. Результаты расчетов, выполненных на основе анализа НДС основания, максимально отличаются от результатов по СНиП 2.02.01-83* и по A.B. Пилягину на 80,9% и 66,3% при £„=0,5; минимальное их отличие составляет 14,5% и 13% соответственно при £„=0,98; это отклонение находится в пределах рамок вычислительной погрешности.

Нами также проведено сопоставление величин расчетного сопротивления слоистого основания, полученных в результате анализа напряженного состояния грунтового массива, с данными эксперимента.

В работе Р.А.Усманова, которая в списке литературы к диссертации приведена под номером 85, приведены результаты экспериментальных исследований работы однородных и неоднородных (слоистых) естественных оснований, сложенных лессовыми грунтами, путем вдавливания жесткого металлического штампа диаметром с!ш~0.8 м. Эксперименты проводились для четырех комбинаций глубины заложения фундамента и толщины верхнего слоя: 1) /<3=2,5 м; //,=0; 2) Л3=2,1 м; Я„=0,4 м 3) /;3= 1,7 м; #„=0,8 м; 4) /;3=0,9 м; Я," 1.6 м.

Используя экспериментально полученные зависимости «осадка-нагрузка» для штампов с различными значениями относительной величины толщины верхнего слоя

¿■h (Xh = И,/с/ш ) определены значения расчетного сопротивления основания Я.

Нами были выполнены расчеты по определению величин расчетного сопротивления Я для описанных в работе P.A. Усманова экспериментов. Значения физико-механических характеристик несущего и подстилающего слоев грунтов основания приняты на основе рекомендаций работы следующими: для верхнего слоя - >>=12,75 кН/м\ <р=25°, с=36 кПа; для подстилающего слоя - -/'18.64 кН/м\ <р= 19°, с=18 кПа.

В таблице № 2 приведены численные значения величин расчетного сопротивления, полученные при расчете, и данные эксперимента, а на рис. 13 изображена часть графических зависимости вида R=f(Xь), построенных по представленным в ней данным.

Сопоставление экспериментальных данных, приведенных в работе P.A. Усманова, и результатов обсчета эксперимента на основе анализа напряженного состояния грунтового массива показывает, что при значениях модуля упругости материала штампа Еош=50000 МПа и £<„=100000 МПа независимо от величин коэффициентов бокового давления и толщин штампа с увеличением величины Xh происходит возрастание величины расчетного сопротивления основания.

Минимальные расхождения с данными экспериментов 29,5% и 33,3% наблюдаются для условий Яош= 100000 МПа и Еот= 50000 МПа, значениях коэффициента бокового давления, вычисленных по формуле Яки, и толщине штампа с1ф= 0,1 м. Максимальные расхождения составляют 60-61,7% при £„„=150000 МПа,

значениях коэффициента бокового давления, вычисленных по формуле В.А. Флорина, и толщине штампа «/. =0,2 м.

330 300 230

0.23 0,3 0.73 1 1,23 1,3 1,73

а)

0 0.25 0,3 0,73 1 1Д5 U 1.73 2

б)

0J3 0J 0.75 I U5 и 1,75 2

в)

Рис. 13. Графики зависимостей полученные экспериментально и при помощи

компьютерной программы «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние» при условиях: с1ф=0,2 м, коэффициенты бокового давления слоев приняты по Яки (а); коэффициенты бокового давления слоев приняты по В.А. Флорину (б); коэффициенты бокового давления слоев приняты по Хартману (в).

Таблица № 2. Сводная таблица результатов вычислений

Величина Хь (отношение размера штампа к толщине верхнего слоя) Модуль упругости пггампа /Л,.,. МПа Данные экспериментов, Л, кПа Разница расчетного и экспериментального значений К при Е„= 150000 МПа (%) Разница расчетного и экспериментального значений И при Е„= 100000 МПа (%) Разница расчепюго и экспериментального значений И при Еош=50000 МПа (%)

150000 100000 50000

Расчетное значение Я, кПа

1 2 \ 3 \ 4 5 6 7 8

Толщина штампа 0,2 м

Коэф< зициснты бокового давления слоев по Яки

0 83 120 93 90 7.777778 -33.3333 -3.33333

0.5 85 130 126 120 29,16667 -8,33333 -5

1 128 155 170 240 46.66667 35,41667 29,16667

2 140 210 186 300 53,33333 30 38

Толщина штампа 0,1 м

Коэф( зициенты бокового давления слоев по Яки

0 116 120 100 90 -28,8889 -33.3333 -11,1111

0,5 130 136 126 120 -8,33333 -13.3333 -5

1 130 173 169 240 45,83333 27,91667 29,58333

2 190 270 230 300 36.66667 10 23.33333

Толщина штампа 0,2 м

Коэффициенты бокового давления слоев по Флорину

0 132 72 84 90 -46.667 20 6.6667

0.5 100 123 115 120 16.6667 -2.5 4.1667

1 94 147 139 240 60.8333 38,75 42.083

2 115 230 187 300 61.6667 23,3333 37.667

Толщина штампа 0,1 м

Коэффициенты бокового давления слоев по Флорину

0 130 95 80 90 -44.444 -5.5556 11,111

0.5 131 136 129 120 -9.1667 -13.333 -7.5

1 134 160 160 240 44,1667 33,3333 33.333

2 165 205 187 300 45 31.6667 37.667

Толщина штампа 0,2 м

Коэффициенты бокового давления слоев по Хартману

0 106 115 116 90 -17.778 -27,778 -28.889

0.5 111 110 120 120 7,5 8,33333 0

1 150 140 165 240 37,5 41,6667 31,25

2 138 190 190 300 54 36,6667 36.667

Толщина штампа 0,1 м

Коэффициенты бокового давления слоев по Хартману

0 132 95 80 90 -46,667 -5.5556 11.111

0,5 120 134 128 120 0 -11,667 -6.6667

1 174 165 165 240 27,5 31.25 31,25

2 175 195 195 300 41,6667 35 35

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Большинство рассмотренных методов расчета несущей способности оснований наделены существенным набором недостатков, что делает нерациональным их использование в качестве инструмента при решении задачи об отыскании величин расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки в случае слоистого основания.

2. Несущая способность слоистого основания, сложенного различными связными грунтами, зависит от большого количества факторов, определяющих его напряженное состояние и оказывающих влияние на процесс образования и развития областей пластических деформаций. В связи с этим цель диссертационной работы формулируется следующим образом: на основе результатов анализа напряженного состояния грунтового массива, учитывающего максимальное количество определяющих его факторов, разработать рекомендации по расчету несущей способности (определение величины расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки) неоднородного (двухслойного) основания заглубленного ленточного фундамента конечной жесткости.

3. Анализ эпюр напряжений в грунтовом массиве показывает, что величина отношения модулей деформации слоев двухслойного основания оказывает существенное влияние па напряженное состояние грунтового массива, а, следовательно, и на величины критических нагрузок. Отличия значений напряжений при возрастании отношения модулей общей деформации слоев с 1 до 10 в точках грунтового массива вблизи зоны контакта слоев могут достигать: вертикальных - 45%, горизонтальных - 1400%, касательных - 60%; а при уменьшении отношения модулей общей деформации слоев с 1 до 0,1: вертикальных - 45%, горизонтальных - 525%, касательных - 43%.

4. Для двухслойного основания при любом значении отношения модулей деформации можно определить граничное значение толщины верхнего слоя Н„р такое, что при дальнейшем возрастании величина цр<: уже не зависит от Н,,р и становится возможным использование расчетной схемы однородного основания. Разница между значениями величины Н,гр, определенными для экстремальных значений приведенного давления связности, не превышает 4-5% при Д,/Е0Н <0,75, затем возрастает до 32-38% на интервалах значений 0,5< Еов/Еои <0,8 и 1,2< Еое/Еон <2. Максимальное отличие - более чем на 100% - наблюдается при 0,8< Е0</Ет <1,2. При Е0,/Е0„ >2 разница сокращается до 16-18%.

5. Результаты компьютерного моделирования процесса определения величины расчетного сопротивления двухслойного основания заглубленного ленточного фундамента конечной жесткости говорят о том, что величина расчетного сопротивления при росте расчетного значения отношения E0JE0„ от 0,1 до 10 при значении толщины верхнего слоя, равном 0,5 ширины фундамента, уменьшается на 75-81%, а при значении толщины верхнего слоя, равном 2 ширины фундамента, сначала возрастает на 3-6%, а с увеличением глубины заложения фундамента уменьшается на 15-18%, при рассмотренных в настоящей главе возможных сочетаниях численных значений переменных расчетных параметров.

6. Установлено, что величина коэффициента бокового давления грунта основания & не влияет на прямолинейный характер зависимостей R=flE0JEm) и R~Aо«г)- Как свидетельствуют результаты исследований, при возрастании величины 6, с 0,5 до 0,98, происходит рост абсолютных значений коэффициентов а и т, что обуславливает увеличение численного значения коэффициента к и, как следствие, величины расчетного сопротивления основания на 40-68% ири E0JE0H =0,1 и на 2031% при EJEm, =10.

7. Разработан инженерный метод, включающий простые формулы и графики, позволяющий вычислять величину расчетного сопротивления двухслойного основания для всех рассмотренных в работе физико-механических свойств основания и геометрических параметров фундамента. Результаты моделирования объединены в базу данных, на основе которой разработана компьютерная программа-калькулятор, которая позволяет вычислять величины расчетного сопротивления двухслойного основания заглубленного ленточного фундамента конечной жесткости для всех возможных и имеющих физический смысл сочетаний численных значений переменных расчетных параметров.

8. При проведении сопоставительных расчетов численные значения величины расчетного сопротивления, определенные на основе анализа НДС основания, максимально отличаются от результатов по СНиП 2.02.01-83* и по методу A.B. Пилягина на 80,9% и 66,3% при £>=0,5; минимальное их отличие составляет 14,5% и 13% соответственно при §,=0,98. Таким образом, с приемлемой для инженерной практики степенью точности численные значения величины расчетного сопротивления R по существующим методам совпадают с результатами расчетов, выполненных на основе многофакторцого анализа напряженного состояния основания при условии £,->1, т.е. при гидростатическом законе распределения напряжений. Незначительную разницу результатов можно объяснить погрешностью вычислительного процесса.

9. Сопоставление экспериментальных данных, приведенных в работе P.A. Усманова с результатами обсчета эксперимента на основе анализа напряженного состояния грунтового массива показывает, что при значениях модуля упругости материала штампа £ош=50000 МПа и £ош=100000 МПа независимо от величин коэффициентов бокового давления и толщин штампа с увеличением величины \ происходит возрастание величины расчетного сопротивления основания. Минимальные расхождения с данными экспериментов 29,5% и 33,3% наблюдаются для условий £оШ=100000 МПа и £ош=50000 МПа, значениях коэффициента бокового давления, вычисленных по формуле Яки, и толщине штампа ¿ф=0,\ м. Максимальные расхождения составляют 60-61,7% при £ош=150000 МПа, значениях коэффициента бокового давления, вычисленных по формуле Флорина, и толщине штампа dф ~0,2 м.

10. Весьма удовлетворительное совпадение результатов вычислений величин расчетного сопротивления слоистого основания, выполненных на основе многофакторного анализа напряженного состояния грунтового массива с результатами натурного эксперимента, дает возможность рекомендовать использованный в диссертационной работе подход для использования при расчете и проектировании неоднородных оснований.

Автором всего опубликовано статей по теме диссертационной работы - 9,4 из которых в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Работы по тематике диссертации, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Анализ напряженно-деформированного состояния двухслойного основания незаглубленного ленточного фундамента от действия равномерно распределенной полосовой нагрузки [Электронный ресурс] / А. И. Вайнгольц [и др.] // Интернет-всстн. ВолгГАСУ. Сер.: Политемат. - 2012. - Вып. 1(20). - URL: www.vestnik.vgasu.ru. (дата обращения: 29.09.2014).

2. Влияние вида расчетной схемы на результаты численного расчета напряженного состояния двухслойного основания ленточного фундамента [Электронный ресурс] / А. И. Вайнгольц [и др.] // Интернет-вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Политемат. - 2012. - Вып. 2 (22). - URL: www.vestnik.vgasu.ru. (дата обращения: 29.09.2014).

3. Влияние вида расчетной схемы на результаты расчета несущей способности основания ленточного фундамента [Текст] / А. И. Вайнгольц [и др.] //

Вестн. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер. : Стр-во и архитектура. - 2012. - Вып. 29(48).-С. 36^1.

4. Вайнгольц, А. И. Сопоставление результатов расчета несущей способности двухслойного основания, выполненных на основе анализа напряженного состояния, с результатами экспериментальных и теоретических исследований [Текст] / А. И. Вайнгольц, А. Н. Богомолов, О. А. Богомолова // Вестн. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2014. - Вып. 37 (56). - С. 15-29.

Публикации по тематике диссертации в других изданиях, материалах конференций:

5. Анализ трансформации полей напряжений и областей пластических деформаций в двухслойном основании равномерно нагруженного незаглубленного ленточного фундамента [Текст] / А. И. Вайнгольц [и др.] // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы П1 Междунар. науч.-техн. конф., 10-12 апреля 2012 г., Волгоград. -Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2012. - С. 189-209.

6. Вайнгольц, А. И. Влияние отношения модулей деформации слоев двухслойного основания под ленточным фундаментом на его несущую способность [Текст] / А. И. Вайнгольц // Тезисы докладов 65-ой Всероссийской научной конференции. - Казань : Изд-во КГАСУ, 2013. - С. 71

7. Вайнгольц, А. И. Влияние отношения модулей деформации слоев двухслойного основания заглубленного фундамента конечной жесткости на его несущую способность [Электронный ресурс] / А. И. Вайнгольц, О. А. Богомолова // Строительство и архитектура. Опыт и совремешше технологии. - 2013. - Т. 1, № 2. -С. 11. -URL: http://sbomikstf.pstu.ru(дата обращения: 29.09.2014).

8. Сопоставление результатов расчета несущей способности двухслойного основания заглубленного ленточного фундамента различными способами [Текст] / А. И. Вайнгольц [и др.] // Вестн. ПНИПУ. Стр-во и архитектура. - 2014 - № 2. - С. 106116.

9. Вайнгольц, А. И. Компьютерная программа "RSDO-2014" для расчета несущей способности (расчетного сопротивления) двухслойного основания ленточного фундамента мелкого заложения [Текст] : информ. л. о науч. -техн. достижении № 34-071-14 / А. И. Вайнгольц, А. Н. Богомолов, О. А. Богомолова -Волгоград : ЦНТИ, 2014. - 3 с.

ВАЙНГОЛЬЦ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧ

ПРОГНОЗ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДВУХСЛОЙНОГО ОСНОВАНИЯ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА ЕГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 17.10.14 г. Заказ № 101. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 л. Формат 60 х 84 1/16 Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1. Отдел оперативной полиграфии.