автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Рациональные балочные железобетонные фундаменты на естественных грунтовых основаниях

РГБ ОД

3 рцц

На правах рукописи

ЕСИПОВ Владимир Евгеньевич

РАЦИОНАЛЬНЫЕ БАЛОЧНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ НА ЕСТЕСТВЕННЫХ ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЯХ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2000

Работа выполнена в Балаковском институте техники, технологии и управления Саратовского Госуларствспного технического университета Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Копейкнн Вячеслав Сергеевич. Научный консультант: Заслуженный строитель РФ,

кандидат технических наук, доцент Демкин Вячеслав Михайлович Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ

доктор технических наук, профессор Малышев Михаил Вадимович; кандидат технических наук, доцент Шагивалсев Камиль Фатыхович. Ведущая организация: ГУП «Гипрохим - Волга» г.Балаково.

Защита состоится 23 ноября 2000 г. в 13 час. на заседании диссертационного совета Д 064.73.01 в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 440028, Пенза, ул. Г.Титова. 28, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан 20 октября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.А.Худяков

Н 582 . 33 - 02 , 0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Фундаменты относятся к важнейшим конструкциям зданий и сооружений, нормальная эксплуатация которых зависит от их надежной работы. Фундаментные конструкции взаимодействуют с грунтовым основанием и эту особенность необходимо учитывать при их проектировании. В настоящее время в проектных организациях гибкие железобетонные фундаменты обычно рассчитываются как упругие конструкции на линейно деформируемых основаниях. Исследования показывают, что распределение усилий в реальных фундаментах существенно зависит от нелинейных особенностей деформирования железобетона, а также от особенностей деформационного и прочностного поведения грунтов основания. Поэтому поиск надежной и рациональной конструкции фундамента невозможно провести без правильной оценки и учета деформационных и прочностных свойств материала фундамента - железобетона и грунтов основа-

1ШЯ.

Современные методики проектирования гибких фундаментных конструкций предусматривают подбор размеров сечения и распределение продольной арматуры, исходя из условий первой и второй групп предельных состояний. Вопрос рационального соотношения в теле железобетонного фундамента его основных составляющих - бетона и арматуры, как правило, не рассматривается, хотя этот фактор существенно влияет на стоимость конструкции. Для учета данного фактора необходимо исследовать вопрос о рациональном распределении не только продольной, но и поперечной арматуры.

Исследования Н.А.Цытовича, Н.Я.Денисова, В.Б.Швеца, П.А.Коновалова, В.Н.Широкова, В.Ф.Сидорчука и др. показывают, что грунты природного сложения оказывают структурное сопротивление деформации и имеют более высокие прочностные характеристики, чем это следует из лабораторных испытаний малых образцов грунта. Это связано с нарушением природных структурных связей в фунтовых образцах в результате их отбора из грунтового массива. Это факт имеет важное значение, т.к. деформационные и прочностные характеристики грунтов полученные в лабораторных испытаниях, далее используются в

расчетных схемах грунтовых оснований. В работах Н.Я.Денисова, И.М.Горьковой. П.А.Коновалова, В.Н.Широкова, В.Ф.Сидорчука, А.Ю.Анидалова установлено, что нарушенные природные связи в глинистых грунтах обратимы и после их нарушения способны восстанавливаться по истечении некоторого времени под действием напряжений, эквивалентных природным.

Поэтому проектирование фундаментов необходимо проводить с использованием методик, позволяющих определять рациональные размеры сечения и распределение продольной и поперечной арматуры, и с учетом особенностей прочностного и деформационного поведения грунтов природного сложения. Современные методики не учитывают этих факторов.

Цель работы. Цели настоящей работы сформулированы следующим образом:

1. Разработать методику проектирования железобетонных балочных фундаментов, предусматривающую подбор рациональных размеров сечения и распределением продольной и поперечной арматуры с учетом структурных особенностей грунтов природного сложения;

2. Выполнить анализ и исследовать особенности напряженно-деформированного состояния железобетонных балочных фундаментов с учетом их взаимодействия с естественными грунтовыми основаниями;

3. Исследовать прочностные свойства глтшстых грунтов с восстановленными структурными связями с использованием стандартной аппаратуры;

4. Дать рекомендации для определения расчетного сопротивления грунта природного сложения.

Для достижения указанной цели в работе решены задачи:

1. Учтены в расчетной схеме балочного фундамента на грунтовых основаниях параметры, отражающие нелинейные особенности работы железобетона и трещинообразовання, и параметры, характеризующие особенности структурного сопротивления грунта деформированию и разрушению;

2. Составлен алгоритм численного расчета железобетонных балочных фундаментов с учетом специфики работы железобетона и связных грунтов природного сложения;

3. Разработана методика для исследования прочностных свойств грунтов с восстановленной структурой;

4. Проведен анализ данных численного расчета и выявлено влияние ряда параметров материала железобетонного фундамента и структурных особенностей грунтов основания на напряженно-деформированное состояние системы "основание - фундамент".

Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждается использованием современных моделей нелинейного деформирования железобетона, экспериментальной методики определения параметров структурного сопротивления деформированию грунта, базирующейся на стандартной нормативной методике; строгостью математической постановки задач, оценкой погрешностей численного моделирования. Результаты расчетов по предложенной методике согласуются с приведенными в литературе данными экспериментальных исследований других авторов.

Научная новизна представленных результатов заключается в следующем:

- представлен новый метод совместного расчета железобетонных фундаментных конструкций с грунтовым основанием с учетом фактора структурного сопротивления грунта деформированию;

- разработана новая методика лабораторных испытаний грунтов на срез с целью включения в расчетную схему параметров, характеризующих структурное сопротивление деформированию и разрушен;

- показано, что учет поперечного армирования позволяет получить более дешевые фундаментные конструкции.

Практическая ценность работы заключается в том. что применение полученных в диссертации результатов позволят более полно учитывать особенности деформирования железобетона и использовать свойства глинистых грунтов при совместном расчете оснований и фундаментных конструкций. Как показано на

примере расчета фундаментной балки, эти факторы обеспечивают повышение достоверности проектных решений и приводят к снижению расчетных осадок и снижению стоимости фундамента.

Внедрение работы. Результаты работы использовались при выполнении научно-исследовательских работ кафедры «Технологии и организации строительства» Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского Государственного технического университета г/б НИР: шифр СГТУ-62 «Автоматизированное проектирование несущих конструкций фундаментов и оснований строительных сооружений», Саратов, 1997; г/б НИР шифр СГТУ-147 «Разработка методики автоматизированного проектирования плитных и балочных фундаментов с учетом развития структурных связей грунтов основания», Саратов, 1998; г/б НИР шифр СГТУ-217 «Совершенствование методов автоматизированного проектирования рациональных фундаментных конструкций», Саратов, 1999; при разработке фундаментных конструкций для строящихся объектов ОАО «Саратовгэс-строй», а также в учебно-методической работе по курсу «Основания и фундаменты» на кафедре Технология и организация строительства БИТТУ СГТУ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на 1 Международной конференции «Предмет, объекты и проблемы энергетики векторного взаимодействия потоков в системах с распределенными параметрами», Бала-ково 1997 год; на VI Международной конференции по проблемам свайного фун-даментостроения, Пермь 1998; на Международной научно-практической конференции «Геотехника - 99», Пенза 1999 год; на научно-технических конференциях Балаковского ИТТУ СГТУ 1997 - 1999 г; на Международной научно-практической конференции «Усиление оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений», Пенза 2000 год.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура диссертации:

Объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит и: введения, пяти разделов, заключения, 8 приложений, списка литературы

включающего 153 наименования. Полный объем диссертационной рабош 231 стр., включает 107 таблиц, 62 рисунка.

Содержание работы:

Во Введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель исследований.

В первой главе представлен обзор существующих методов расчета фундаментных конструкций на грунтовых основаниях. Проанализированы работы по расчету железобетонных конструкций Б.Г.Коренсва, Р.В.Серебряного, В.Д.Попова, И.Н.Толмачева, А.А.Гвоздева, А.Р.Ржаницина, Н.И.Карпенко. В.И.Мурашева, Я.М.Немировского, В.И.Соломина, С.Н.Клепикова и др. Указывается на необходимость расчета гибких железобетонных фундаментов с учетом упругопластической работы железобетона, образования и раскрытия трещин.

Далее представлен краткий обзор существующих методов определения деформации основания с использованием различных расчетных схем, проанализированы их преимущества и недостатки, и в качестве базовой расчетной схемы основания принята схема линейно-деформируемого полупространства с ограничением мощности сжимаемой толщи.

На основе анализа работ отечественных и зарубежных исследователей: М.Н.Гольдштсйна, Н.Я.Дснисова, Н.В.Латетина, Н.Н.Маслова, З.Г.Тер-Мартиросяна, Н.А.Цытовнча и др.- рассмотрены виды структурных связен глинистых грунтов и их физико-химическая сущность, показана возможность их восстановления и предварительно определены факторы, влияющие на процесс восстановления. Здесь же показано, что необходимость учета структурного сопротивления при расчете оснований отмечалась ранее в работах М.Ю.Абелева,

A.А.Бартоломея, И.М.Горьковой, Б.И.Далматова, М.Метса, Н.А.Цытовнча.

B.Б.Швеца, Л.Бьеррума, Д.Тейлора, П.А.Коновалова, В.С.Копейкнна. В.Н.Широкова, В.Ф.Сидорчука и др.

В связи с учетом фактора структурного сопротивления грунта деформированию и разрушению необходимо скорректировать параметры в формулах

определения расчетного сопротивления грунта и расчета основания по II группе предельных состояний.

Основываясь на результатах ранее выполненных экспериментальных и теоретических работ, в завершении конкретизированы цели исследований и сформулированы задачи собственных исследований.

Во второй главе описана методика проведения эксперимента по определению прочностных характеристик глинистых грунтов с восстановлением состояния природного сложения.

За основу взята методика стандартных сдвиговых испытаний (ГОСТ 1224878), модифицированная для восстановления структурных связей. Основными исследуемыми параметрами являются удельное сцепление с, угол внутреннего трения ф и величина структурного сопротивления деформированию ст51г.

Эксперимент состоит из серии испытаний не менее 4 образцов - близнецов глинистого грунта, отобранного из грунтового массива. Один образец загружается в компрессионный прибор, а другие три - в рабочие камеры срезных приборов, и все они устанавливаются на длительную выдержку не менее 20 суток под действием уплотняющего давления, равного вертикальному напряжению огк от собственного веса грунта в природном массиве. Схема компрессионного нагружешш образцов до величины давления длительного уплотнения агв соответствует стандартной (по ГОСТ 23908-78).

После длительной выдержки под давлением первый образец испытыва-ется на компрессионное сжатие. По полученной компрессионной кривой определяется деформационное структурное сопротивление грунта (участок аЬ, рис. 1, а), характеризующееся пределом структурного сопротивления деформированию о51г. Под понятием предела структурного сопротивления деформированию о5(г понимается максимальное напряжение, соответствующее пониженным деформациям на компрессионной кривой (рис.1, а). Прочностное структурное сопротивление грунта характеризуется повышенными прочностными характеристиками с*и <р*, определенных на образцах с восстановленной структурой (рис. 1, б).

а) б)

О 100 200 300 Ш 500 600 700 СТ. кПа Т, кПа

200 100

i—н—>—

" 100 200 300 400 500 600 700 СТ, кПа

Рис. 1. Результаты экспериментальных исследований глинистых грунтов

а) компрессионные кривые; б) график сопротивления грунта сдвигу;

1 и 2 - глина 1р = 25.5, II = - 0.10 нарушенной и восстановленной структуры;

аб - площадка деформационного структурного сопротивления грунта; a5tI - предел структурного сопротивления деформированию; CTz g - вертикальное напряжение от собственного веса грунта

Из оставшихся трех образцов первый испытывается по схеме консолидированного среза при вертикальном давлении, равном aAS. Второй образец после длительной выдержки нагружается с шагом Acr¿ = 0.05 МПа до давления, соответствующего пределу стуктурного сопротивления деформированию сг5ц, и затем испытывается по схеме консолидированного среза. Третий образец после длительного уплотнения нагружается с шагом Actz = 0.05 МПа до давления a¿ = 2 oslr - a,s и подвергается при этом давлении консолидированному срезу.

В этой же главе описаны результаты основной серии экспериментов, дающих количественную картину прочностного поведения глинистого грунта в зависимости от вида, состояния по консистенции, глубины отбора и др. Некоторые результаты экспериментов представлены в таблице 1. В среднем для мягкопла-стичного и тугопластичного суглинка величина удельного сцепления с увеличи-тась на 31%, угол внутреннего трения <р увеличился на 7%. Для глины твердой <онсистенции удельное сцепление с увеличилось на 36%, а угол внутреннего грения ф увеличился на 7.4%.

Для сравнительного анализа проводились стандартные испытания на срез по ГОСТ 12248-78) контрольной партии образцов того же грунта, в которых вос-ггановление природной структуры не предпринималось. Результаты испытаний

СТч1г

на срез глинистых образцов представлены в виде диаграмм (рис.1, б). Здесь прямая 1 - результаты испытаний образцов с нарушенной структурой, прямая 2 - результаты испытаний образцов с восстановленной структурой.

Таблица I

Результаты экспериментальных испытаний грунта

.V« п'п Вид грунта х -г и н и о га" о. 13 о?" ^ | ее ь 2 х — о. и .2 Модуль деформации, Е, МПа Удельное сцепление Угол внутреннего Трения

га ^ 5 « 1 & ^ о о га О с; и Глубина о 1), м £ г 5 Е » Л о о" че >-> и са х 2 ё 1 3 | " с 3 с с" Ф. град Ф*. град

) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 Суглинок 0,54 0,13 3,5 75 150 8.15 10,42 13,33 10,39 11,31

1 Суглинок 0,52 0,14 6,0 100 100 7.04 12,50 15,00 14,23 16,70

3 Суглинок 0,47 0,09 4,0 75 150 7,98 12.92 15.83 12,23 13.13

4 Суглинок 0.41 0.13 3.0 60 140 6.73 10.09 15.09 8.83 8.83

5 С углинок 0.40 0.07 2,0 40 135 6.41 10,41 13.82 11.92 12.96

6 Суглинок 0,31 0,13 3,7 75 150 8.38 12,92 17,92 8,53 8,53

7 Глина 0,53 0,19 8,0 150 150 11.76 15,0 16.96 11.31 12.13

8 Глина 0.03 0.27 ¡4.5 250 150 15.04 15.0 20.47 11.31 12.13

9 Глина -0.04 0.24 16.0 300 125 16.06 17.52 23.97 11.41 12.27

Примечание: Звездочкой обозначены параметры, соответствующие испытаниям образцов с восстановленной структурой

На основе результатов экспериментов, представленных во второй главе, в третьей главе разработана деформационная жесткопластическая модель механического поведения грунта, состоящая из двух участков. Грунт на первом участке до предела структурного сопротивления деформированию деформируется упруго. Упругими деформациями пренебрегаем и первый участок принимаем как абсолютно жесткий, т.е. Ек,1 -» со. На втором участке происходит деформация уплотнения — с возникновением пластических деформаций.

Здесь же отмечается, что, учитывая практическую несжимаемость природах глинистых грунтов при давлениях, меньших предела структурного сопро-ивления деформированию, в качестве расчетной схемы основания, сложенного линистыми грунтами в мягкопластичном, тугопластичном, полутвердом и твер-ом состоянии по консистенции, следует использовать схему деформируемого лоя конечной толщины. Для оснований, сложенных глинистыми грунтами в тс-учем и текуче-пластичном состоянии по консистенции, расчетную схему осно-аний рекомендуется принимать в виде разномодульиого линейно-еформируемого полупространства.

Далее проведен сравнительный анализ результатов определения расчетного опротивления грунта основания под условным фундаментом по предлагаемой [етодике и методике, регламентируемой СНиП 2.02.01-83. В результате расчетов олучилось, что использование для определения расчетного сопротивления грун-а основания прочностных характеристик (ср и с), определенных на образцах рунта с восстановленной природной структурой, приводит по сравнению с ме-одикой СНиП к значительно большим его значениям (увеличивается до 30%).

В четвертой главе приводится методика проектирования железобетонных алочных фундаментов с учетом поперечного вертикального армирования и фак-эра структурного сопротивления грунта. Согласно данной методике проводится гатический расчет с учетом нелинейного деформирования железобетона и фак-эра структурной прочности глинистых грунтов основания. Результатами этого асчета являются внутренние усилия в фундаменте. В установившейся методике ас чета балочных фундаментов проводится проверка на действие поперечных иг по формуле 72, СНиП 2.03.01-84, без учета поперечного армирования. В эедлагаемой методике расчеты на действие поперечных сил проводятся с уче->м работы поперечного армирования по формуле 75, СНиП 2.03.01-84. В соот-:тствии с действием поперечных сил вводится поправка в определение момен->в вместо формулы 28, СНиП 2.03.01-84, используется формула 88, СНиП 03.01-84. Определение требуемого количества поперечной вертикальной

арматуры производится из расчета на действие поперечных сил. Продольная арматура определяется расчетом на действие изгибающих моментов. Расчет на про-давливание тела фундамента является поверочным и производится по формуле 109, СНиП 2.03.01-84, а не по 107, как это было принято ранее. Производятся проверки условий требований II группы предельных состояний по образованию и раскрытию трещин на действие моментов и поперечных сил.

В связи с тем, что расчет нелинейно деформируемой балки на грунтовом основании связан со значительными трудностями математического плана, предлагается численный метод решения, основанный на вариационной постановке краевой задачи. Используется принцип Лагранжа, исходящий из условия минимума полной потенциальной энергии деформируемой системы: 5(П6+ П0 - И) = 0, где П6 - потенциальная энергия деформации балки; П0 - потенциальная энергия деформации основания; и - работа внешних сил. Изгибающий момент связан с кривизной соотношением Мх = Еб I у_, где Е61 - жесткость балки, % - кривизна оси балки. Задача решается вариационно-разностным методом. Разностной сеткой расчетная схема балки разбивается по длине на отдельные элементы. Кривизна в к - ом узле балки определяется с помощью разностного выражения

Хк - -———-, где Ах - шаг разностной сетки; ик - перемещение в к - ом узле.

В результате интегрирования, подстановки и варьирования по параметрам ик приходим к системе алгебраических уравнений типа [к]{и}={р}; где [к] -матрица жесткости деформируемой системы "фундаментная балка - основание"; {и} - вектор узловых перемещений; {р} - вектор узловых внешних нагрузок.

Решение системы уравнений позволяет получить значения узловых перемещений балки, с помощью которых можно определить величины изгибающих моментов и поперечных сил для узловых сечений балки. Для численного расчета задачи об изгибе фундаментной балки на деформируемом основании на ЭВМ составлены алгоритм и компьютерная программа. Представлена оценка

погрешности численного метода решения, исходя из которой следует, что для достижения точности численного решения в 0.5%. при распределенной нагрузке на фундаментной балке число элементарных участков разбивки длины балки разностной сеткой должно составлять не менее 15. При отношении длины участка передачи нагрузки от колонн к длине балки порядка 1/40 число элементарных участков должно быть менее 20.

В расчетах используются формулы СНиП 2.03.01-84 деформирования железобетона, учитывающие его нелинейную работу.

Для элементов с трещинами в растянутой зоне зависимость между кривизной и моментом предполагается в следующем виде:

Нелинейность работы железобетона при расчете балки учитывается методом переменных параметров жесткости. Жесткость при этом определяется методом последовательного приближения. Жесткость для (к+1)-го приближения вычисляется по формуле: В1+1 = М(к>/х<к) •

В пятой главе представлены примеры расчета железобетонных балок на грунтовом основании для случаев действия сосредоточенных нагрузок от колонн и равномерно распределенной нагрузки по всей длине балки. Для всех фундаментных балок расчеты проводились в двух вариантах: I вариант - не учитывалось поперечное вертикальное армирование и не учитывался фактор структурного сопротивления грунта (метод СНиП 2.02.01-83*); II вариант - с учетом поперечного армирования и фактора деформационного и прочностного структурного сопротивления грунта.

Первая фундаментная балка ФБ1 воспринимает нагрузку от колонн Р| и Р) Нагрузка складывается из постоянной составляющей Рп = 1100 кН и временной от крана Рк = 250 кН, принято 1м = 0.75Р2. На рис.2, а) показана нагрузка с учетом распределения ее подколонником. Основание сложено мягкопластичным суглинком с характеристиками: = 0.54; Е=8 МПа, \'=0.38. <р = 10.4°, с = 10.4 кПа

Рис. 2. Результаты расчета фундаментных балок а) Расчетная схема балки

Е^ «III Рз | | | Рг I | | Иг

ЯГ

111 111 III ц

50Г-

~жТъ ~

I/2 = 20 м

% % ! I./2 = 20 м

б) Распределение осадок, мм 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 № 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

Е, ММ

узла

У /

ни

V 1 11

0 10 20 30 40 50 е, мм

в) Распределение реактивных давлений, кПа

0 50 100 150

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 № 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

узла

1 V"

1 -1-1- 1 ! —1—

1й ' А \ 1 1 ' Л ' /

1 V / \ ! / | V > / \' /

Т * 1 ! ! 1 1 V

200 -1—;—1—-—•—■-——1 ^—!—!—1—1—!—I—1—1——! 200

Р, кПа р, кПа

г) Распределение изгибающих моментов, отнесенных к ширине фундамента (М / Ь), кН 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 № 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

т 1 -20

Результаты расчета по СНиП 2.02.01-83*, СНиП 2.03.01-84; Результаты расчета по предлагаемой методике.

Ч

Продолжение рисунка 2 д) изменение ни пГпюп жесткости (1-П по длине балки. МПа

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 № 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

'' ' 200

200 ]

400 4

600 В. МПа

400

600

В. МПа

е) Распределение продольной арматуры, по расчету, %

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 № 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

узла

0,1 )

0,2

0,3

0,4

%

ж) Распределение вертикальной арматуры, по расчету, %

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 № 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

узла

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0,6

%

к. 1

— !

1г

1 1 . Л 1

1 м 1 1

Г

( I

-| 0,007

-| 0,014

!

* 0,021

з) Распределение поперечных сил, кН

№ 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 № 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

>зла узла

' ' 1 ■ т» 0

I I

I

| )

100

\ 200 300 <3, КН

Результаты расчета по СНиП 2.02.01-83*. СНиП 2.03.01-84: Результаты расчета по предлагаемой методике.

Y = 19,5 кН/м\ ф*= 11.3°, с'=13.3кПа. Вторая фундаментная балка ФБ2 н; гружена распределенной нагрузкой Q = 370 кН/м, основанием является cyi линок с характеристиками: IL=0.54; Е=6.7 МПа, v = 0.38, ф = 8.8°, с=10.1кП; у = 19.3кН/м3, ф* = 8.8°, с* = 15.1кПа. Для балок использован бетон класса В1: арматура класса A-IL

Основные результаты расчета по представленным двум вариантам показ; ны на рисунке 2 и сведены в таблицу 2.

Таблица

Результаты сопоставления расчета балочного фундамента

по нормативной и предлагаемой методике

№ п/п Наименование Ед. Сосредоточенная нагрузка, кН Распределенная нагрузка, кН/м

ИЗМ. Вариант I Вариант II Вариант I Вариант II

1 2 3 4 L 5 6 7

1 Расчетное сопротивление грунта, Я кПа 131,7 159,1 119,8 143,47

2 Ширина фундамента, Ь м 2,7 2,1 2,7 2,3

3 Высота фундамента, Ь м 0,6 0,3 0,6 0,3

4 Глубина сжимаемой тол-ши, Нс M 4,8 1,6 6,8 2,0

5 Максимальное реактивное давление под фундаментом, Рк кПа 149,8 160,4 143,5 166,9

6 Максимальная осадка, Б мм 15,0 12,5 45,2 20,0

7 Расход бетона, \'ь MJ 64,8 25,2 64,8 27,6

8 Расход арматуры, Уа т 0,303 0,368 0,419 0,181

9 Стоимость фундамента, С В иенах 2000 года руб 38 066,1 16 805,5 38 993,2 16 629,2

Анализ результатов вариантов I и И, представленных в таблице 2, показы вает, что учет в расчетах деформационного и прочностного структурного сопро тивления грунта приводит к увеличению расчетного сопротивления грунта осно вания на 20%, что позволяет уменьшить ширину фундамента от 12.5 до 22.2%, результате чего увеличиваются реактивные давления под фундаментом (рис.2, в] Также происходит уменьшение глубины сжимаемой толщи основания в три раза

в результате чего наблюдается понижение максимальной и средней расчетных осадок в 1.2 - 2.25 раза (рис.2, б).

Учет при расчете вертикального поперечного армирования позволяет снизить высоту фундамента на 50%. Снижение ширины и высоты приводит к уменьшению изгибной жесткости конструкции фундаментной балки (рис.2, д), в результате снижаются величины изгибающих моментов (рис.2, г), и увеличению неравномерности осадок между колоннами (рис.2, б). Снижение жесткости способствует уменьшению максимальной величины реактивных давлений от 3 до 14% при значительном его снижении в краевой зоне и увеличению неравномерности распределения по длине фундамента (рис.2, в) с максимальными значениями под колоннами, характерно качественное изменение значений в краевой зоне.

Все приведенные выше оценки для фундаментной балки ФБ1 также справедливы и для фундамента ФБ2, но для него характерно более равномерное распределение всех анализируемых величин (рис.2).

Поперечные силы в обоих случаях практически одинаковы (рис.2, з).

Стоимостная оценка показывает, что при незначительном увеличении расчетного количества продольной и поперечной арматуры в районе действия нагру-юк (рис.2, е, ж), за счет существенного уменьшения расхода бетона происходит ;нижение стоимости материала, в целом, на 50.8 - 57.4%.

В приложении приведен текст программы, применяемой для расчета балок, I также некоторые результаты расчета.

Основные выводы:

1. Учет поперечного вертикального армирования приводит к уменьшешло (ысоты сечения фундамента и расхода бетона при незначительном увеличении голичества арматуры, что в целом приводит к снижению стоимости фундамента.

2. При расчетах фундаментных балок на грунтовых основаниях учет факто-1а структурного сопротивления грунта разрушению приводит к увеличению рас-:етного сопротивления грунта основания и уменьшению плошали поперечного ечения фундамента.

3. Учет фактора структурного сопротивления грунта деформированию приводит к уменьшению глубины сжимаемой толщи основания и снижению осадок фундамента.

4. В результате совместных расчетов фундаментов и оснований по предлагаемой расчетной методике в рассмотренных примерах высота фундамента уменьшается в 2 раза; ширина фундамента уменьшается на 12.5 —22.2%; глубина сжимаемой толщи уменьшается на 60 - 70%; средняя осадка уменьшается на 16 -50%; из-за уменьшения высоты фундамента расход арматуры может увеличится на 20 - 50%; расход бетона уменьшается на 50 - 60%; общая стоимость материала фундамента снижается на 50 - 57%.

5. В результате выдержки образцов глинистых грунтов при давлениях, соответствующих природным, в течение 15-20 суток структурные связи способны восстанавливаться и прочностные характеристики грунта повышаются. Удельное сцепление грунта повышается на 20-30%, угол внутреннего трения - на 5-7%.

6. Глинистые грунты природного сложения имеют существенно большие прочностные резервы, чем это следует из оценок с привлечением прочностных характеристик, полученных из испытаний образцов грунта с нарушенной природной структурой, и поэтому расчетное сопротивление грунта может быть увеличено до 30%.

7. Для определения расчетного сопротивления глинистого грунта природного сложения необходимо использовать прочностные характеристики, определенные на грунтовых образцах с восстановленной структурой.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Копейкин В.С., Есипов В.Е. Расчет оснований и фундаментов крупноразмерных сооружений с использованием модели билинейно идеальнопластиче-ского деформирования грунта. // Расчет и проектирование оснований и фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях: Межвуз. научн. сб. ВГАСА. Воронеж, 1996. с. 99-104.

Копейкин B.C., Есиноп В.1г. Проблема совместимости конечных элементов изгибаемой конструкции и деформируемого основания // Проблемы теории пластин, оболочек п стержневых систем: Межвуз. научн. сб. СГТУ. Саратов, 1998. с. 61-66.

Копейкин B.C., Анидалов Л.Ю., Есинов В.Е. Расчет железобетонных фундаментных плит на грунтовых основаниях. // Проблемы теории пластин, оболочек и стержневых систем: Межвуз. научн. сб. Сарат. гос, тех, ун-т. Саратов, 1998.С.37-43.

Копейкин B.C., Есилов В.Е., Анидатов А.Ю. Расчет комбинированных фундаментов под степы и каркас здания. // Труды VI Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. М.. 1998. С. 52-56. Копейкин B.C., Есипов В.Е. Влияние тиксотропного структурного упрочнения на прочностные свойства глинистых грунтов // Геотехника-99: Международная научно-практическая конференция. Сборник материалов. ПГАСА. Пенза. 1999. с. 77-78.

Копейкин B.C., Есипов В.Е. К вопросу определения расчетного сопротивления грунта природного сложения // Усиление оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений: Международная научно-практическая конференция. Сборник материалов. ПГАСА. Пенза, 2000. с. 104-106.

Есипов Владимир Евгеньевич

Рациональные балочные железобетонные фундаменты на естественных грунтовых основаниях

Автореферат

Лицензия ЛР № 020454 от 25.04.97 Подписано к печати 2000 г. Формат 60X84 1/20 Бумага офсетная № 2. Печать офсетная. Объем I усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №645. Бесплатно.

Изд-во Пензенской государственной архитектурно-строительной академии. Отпечатана в цехе оперативной полиграфии ПГАСА 440028, г. Пенза, ул. Титова, 28.

Основные условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Схемы оснований, используемых при расчетах взаимодействующей системы фундамент - основание.

1.2. Особенности проектирования гибких железобетонных фундаментов 18 1-.3. Влияние фактора структурного сопротивления грунтов на расчетные характеристики грунтового основания.

ВЫВОДЫ ПО 1 РАЗДЕЛУ.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

2. Экспериментальные исследования прочностных свойств глинистых грунтов с восстановленной природной структурой.

2.1. Основные схемы и способы лабораторных механических испытаний для определения характеристик прочности грунтов.

2.2. Методика испытания грунтов.

2.3. Результаты экспериментальных исследований прочностных свойств грунтов.

2.4. Влияние разгрузки и вторичного уплотнения на структурное сопротивление грунта

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2.

3. Расчетная схема основания с учетом фактора структурного сопротивления грунта деформированию и разрушению.

3.1. Общие положения построения модели линейного деформирования грунта и оценка пределов ее использования при расчете оснований

3.2. Расчетная схема основания.

ВЫВОДЫ ПО 3 РАЗДЕЛУ.

4. Расчет фундаментных конструкций с учетом нелинейных особенностей деформирования железобетона и фактора структурного сопротивления грунта основания.

4.1. Методика проектирования железобетонных балочных фундаментов с учетом поперечных сил и фактора структурного сопротивления грунта.

4.2. Постановка задачи статического расчета балки на деформируемом основании.

4.3. Оценка погрешности численного метода решения.

4.4. Основные закономерности работы железобетона, используемые при расчете балки.

ВЫВОДЫ ПО 4 РАЗДЕЛУ.

5. Примеры расчетов фундаментных балок на деформируемых основаниях и анализ результатов расчета.

5.1. Пример проектирования балочного фундамента.

ВЫВОДЫ ПО 5 РАЗДЕЛУ.

ВЫВОДЫ ПО 5 РАЗДЕЛУ

1. При расчетах фундаментных балок на глинистых грунтовых основаниях отражение фактора прочностного и деформационного структурного сопротивления грунта в расчетной схеме основания, по сравнению со схемой основания в виде упругого полупространства приводит: к уменьшению расчетных осадок, к уменьшению реактивных давлений в краевой зоне, а при действии распределенной нагрузки - к уменьшению величины изгибающих моментов.

2. Моделирование работы основания с учетом структурного сопротивления грунта значительно приближается к действительной работе основания и повышается достоверность полученных результатов.

3. Учет фактора структурного сопротивления деформированию при расчете фундаментных балок на глинистых основаниях, позволяет сни

Изменение стоимости железобетонных балочных фундаментных балок, по различным методикам расчета п/п Наименование анализируемого параметра Ед. изм. Методика расчета

Вариант А Вариант Б Вариант В Вариант Г

1 2 3 4 5 6 7

1 Стоимость фундамента ФБ1, в ценах 2000 г. руб. 38 647.98 24 254.45 22 701.81 19 349.58

2 Изменение стоимости фундамента ФБ1, по отношению к варианту А руб. -13 811.67 - 15 364.3 -18 716.53

3 Изменение стоимости фундамента ФБ1 по отношению к варианту А % - 36.28 -40.4 -49.2

4 Стоимость фундамента ФБ2, в ценах 2000 г. руб. 35 699.17 32 897.15 19 491.65 16 620.80

5 Изменение стоимости фундамента ФБ2 по отношению к варианту А руб. - 2 802.02 - 16 207.52 - 19 078.37

6 Изменение стоимости фундамента ФБ2 по отношению к варианту А % -7.85 -45.4 -53.4

7 Стоимость фундамента ФБЗ, в ценах 2000 г. руб. 33 836.54 23 564.09 18 851.27 14 138.45

8 Изменение стоимости фундамента ФБЗ по отношению к варианту А руб. - 10 272.45 - 14 985.27 - 19 698.09

9 Изменение стоимости фундамента ФБЗ по отношению к варианту А % - 30.36 - 44.29 - 58.22

Вариант А - методика СНиП 2.02.01-83*, без учета поперечного вертикального армирования и фактора структурного сопротивления грунта; вариант Б - с учетом фактора деформационного и прочностного структурного сопротивления грунта; вариант В - с учетом поперечного армирования; вариант Г - с учетом поперечного армирования и фактора деформационного и прочностного структурного сопротивления грунта.

145 зить ширину фундамента от 15 до 44%, в результате стоимость материала фундамента уменьшается от 7.5 до 36%.

4. Расчет гибких фундаментов на грунтовых основаниях с учетом поперечного вертикального армирования приводит: к уменьшению изгибной жесткости балки, к увеличению неравномерности осадок, к снижению величины изгибающих моментов в сечении балки.

5. Учет вертикального поперечного армирования позволяет снизить высоту фундамента в два раза, что приводит к уменьшению стоимости материала на 40 - 45%.

6. Учет обоих исследуемых факторов приводит: к уменьшению средних осадок, к уменьшению реактивных давлений в краевой зоне, к уменьшению изгибной жесткости балки, к увеличению неравномерности осадок, к уменьшению величины изгибающих моментов.

7. В результате учета обоих факторов расчетное сопротивление грунта увеличивается на 19 - 20%, ширина фундамента уменьшается от 14 до 25%, глубина сжимаемой толщи уменьшается на 60 - 70%, средняя осадка уменьшается на 16 - 50%, высота фундамента уменьшается в 2 раза, расход арматуры увеличивается от 4 до 40%, расход бетона уменьшается от 57% до 62%, общая стоимость материала фундамента снижается на 49 - 58%.

146