Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и задачи исследований 12
1.1. Исследования напряженно-деформированного состояния грунтового основания под штампами и фундаментами 12
1.2. Особенности совместной работы фундаментов с грунтовым основанием при однократных и малоцикловых загружениях 19
1.3. Исследования силового взаимодействия фундаментов и грунтового основания при продавливании 29
1.4. Некоторые особенности работы железобетонных конструкций при малоцикловых нагрузках 35
Выводы по 1 главе 40
2. Методика экспериментальных исследований 43
2.1. Выбор направления экспериментальных исследований 43
2.2. Планирование экспериментальных исследований 46
2.3. Конструкция опытных образцов 52
2.4. Силовое оборудование и способ нагружения образцов 54
2.5.Измерительные приборы, методика эксперимента и измерений 58
Выводы по 2 главе 67
3. Результаты исследования силового взаимодействия фундаментов с грунтовым основанием при однократном и малоцикловых нагружениях 69
3.1 Результаты испытания фундаментов при однократном нагружении 69
3.2. Результаты испытания фундаментов при интенсивности предварительных загружений 25% от расчетной разрушающей нагрузки 78
3.3. Результаты испытания фундаментов при интенсивности предварительных загружений 50% от расчетной разрушающей нагрузки 83
3.4. Результаты испытания фундаментов при интенсивности з
предварительных загружений 75% от расчетной разрушающей нагрузки 88
3.5 Исследования работы сжатой зоны бетона при однократном и малоцикловом нагружении 98
3.6. Изучение изменения электромагнитного поля при испытании фундаментов на воздействие малоцикловых нагрузок с использованием метода ЕИЭМПЗ 102
Выводы по 3 главе 108
4. Разработка методики расчета эпюры нормальных контактных напряжений и прочности фундаментов на продавливание при малоцикловых нагрузках 111
4.1. Экспериментальные и теоретические основы расчета фундаментов при малоцикловых нагрузках 111
4.2. Разработка методики определения нормальных контактных напряжений в грунте при взаимодействии фундамента с грунтовым основанием при малоцикловых нагрузках с учетом предыстории нагружений 116
4.3. Разработка методики расчета фундаментов на продавливание с учетом предыстории нагружений 125
4.4. Сопоставление и погрешности методики 130
4.5. Сопоставление численных исследований процессов, происходящих в грунтовом основании при малоцикловых нагрузках с полученными экспериментальными и расчетными данными 133
4.6. Рекомендации по расчету и конструированию фундаментов и
грунтового основания, работающих при малоцикловых нагрузках 142
Выводы по 4 главе 146
Заключение 148
Список литературы
- Исследования силового взаимодействия фундаментов и грунтового основания при продавливании
- Силовое оборудование и способ нагружения образцов
- Результаты испытания фундаментов при интенсивности предварительных загружений 50% от расчетной разрушающей нагрузки
- Разработка методики расчета фундаментов на продавливание с учетом предыстории нагружений
Введение к работе
Актуальность темы. Для отдельно стоящих фундаментов бассейнов, многоэтажных складов, емкостных сооружений (элеваторов и силосных складов), некоторых типов общественных и производственных зданий характерны малоцикловые нагрузки, которые не учитываются в расчетной модели силового сопротивления и методиках расчета таких фундаментов. Это не позволяет достоверно оценить несущую способность фундаментов при малоцикловых нагружениях.
Исследования отдельных авторов показали, что малоцикловые нагрузки
оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние
грунтового основания. Отмечается увеличение осадки, нарушение структуры и
изменения плотности грунта, развитие сдвиговых деформаций у краев подошвы
фундамента. Соответственно, воздействие малоцикловых нагрузок будет
оказывать существенное влияние на силовое взаимодействие фундаментов с
грунтовым основанием и их несущую способность. Вместе с тем, большинство
экспериментальных исследований в данной сфере проводились штампом либо не
увязывались с напряженно-деформированным состоянием и несущей
способностью фундаментов. В настоящее время остаются неизученными вопросы перераспределения нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента и напряженно-деформированного состояния конструкции при воздействии малоцикловых нагрузок, не установлено влияние предварительных нагружений на несущую способность фундаментов на продавливание.
Методики расчета фундаментов на продавливание, учитывающие перераспределение нормальных контактных напряжений и реальную работу фундаментов на продавливание при малоцикловых нагрузках с учетом предыстории нагружений отсутствуют. Разработка такой методики позволит прогнозировать изменения, которые произойдут с системой основание-фундамент после воздействия малоцикловых нагрузок, а также даст возможность оценить изменения в несущей способности фундаментов, что необходимо на стадии восстановления и реконструкции зданий.
В связи с этим, исследования, направленные на выявление особенностей силового взаимодействия фундаментов с грунтовым основанием при малоцикловых нагрузках, являются актуальными.
Степень разработанности темы диссертации. Исследованиями
совместной работы фундаментов с грунтовым основанием при малоцикловых загружениях занимались многие отечественные и зарубежные ученые (М.Ю. Абелев, A.B. Вронский, Х.Г. Гафуров, Л.А. Гелиос, Д.А. Гохфельд, В.Л. Дедов, C.B. Довнарович, И.М. Дорошкевич, О.В. Евдокимцев, М.В. Егоров, В.В. Жихович, P.C. Зиангиров, В.В. Знаменский, В.А. Ильиных, М.Т. Кенесбаев, П.А. Коновалов, К.К. Куликов, Е.Н. Курбацкий, Н.В.Купчикова, B.C. Курмес, Г.Е.Лазебник, В.В. Леденев, Г.С. Лекумович, И.Я. Лучковский, Май Дык Минь, Ю.Н.Мурзенко, А.И. Полищук, О.С. Садаков, В.Ф. Седорчук, Е.А. Сорочан, А.А.Смирнов, A.A.Теняков, А.З. Тер-Мартиросян, З.Г. Тер-Мартиросян, Б.Л. Фаянс, Р.Р. Хасанов, А.А. Цесарский, В.Г. Шаповал, В.П. Шумовский, С.И.
Яковлев и др.). Однако вопросы изменения силового взаимодействия системы «основание-фундамент» при малоцикловых нагрузках и их влияния на несущую способность фундаментов при продавливании остаются открытыми.
Цель диссертации: уточнение методики расчета отдельно стоящих фундаментов на продавливание на основе наиболее полного учета его напряженно-деформированного состояния при перераспределении нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента при малоцикловых нагружениях.
Задачи исследования, определенные для достижения цели:
-
Провести экспериментальные исследования силового взаимодействия отдельно стоящих фундаментов с грунтовым основанием при малоцикловых нагрузках различной интенсивности с разным количеством циклов.
-
Выполнить анализ результатов экспериментальных исследований и выявить особенности изменения силового взаимодействия отдельно стоящих фундаментов с грунтовым основанием при воздействии малоцикловых нагрузок различной интенсивности при различном количестве циклов.
-
Выявить причины изменения несущей способности фундаментов на продавливание при малоцикловых нагружениях.
-
Определить причины перераспределения нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента при малоцикловых нагрузках.
-
Разработать модель грунтового основания и методику расчета ординат эпюры нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента, учитывающую предысторию нагружений.
-
Разработать методику расчета несущей способности фундаментов на продавливание, учитывающую перераспределение контактных напряжений под подошвой фундамента и реальную схему разрушения конструкции, изменяющуюся в зависимости от предыстории нагружений и позволяющую более точно определять прочность фундаментов, чем существующие методики.
Научная новизна работы состоит в уточнении расчетной модели силового сопротивления отдельно стоящих фундаментов на продавливание, учитывающей перераспределение нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента при малоцикловых нагрузках, а именно:
экспериментально выявленные особенности взаимодействия центрально нагруженных фундаментов с песчаным основанием и процесс разрушения фундаментов от продавливания после воздействия малоцикловых нагрузок, влияние повторных нагружений на несущую способность фундаментов при продавливании;
расчетная модель определения ординат эпюры нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента с переменным коэффициентом «постели» и изменяющейся формой эпюры, учитывающей предысторию нагружения фундамента;
алгоритм расчета отдельно стоящих фундаментов на продавливание, испытывающих малоцикловые нагрузки, с учетом перераспределения контактных напряжений под подошвой фундамента и реальной схемы разрушения конструкции, изменяющихся в зависимости от предыстории нагружений.
Практическая значимость работы заключается в развитии методики расчета отдельно стоящих фундаментов на продавливание на основе наиболее полного учета его напряженно-деформированного состояния при перераспределении нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента при воздействии малоцикловых нагрузок. Методика позволяет прогнозировать изменения эпюры нормальных контактных напряжений и несущей способности фундаментов на продавливание, которые произойдут после воздействия малоцикловых нагрузок, и более точно оценить состояние силового взаимодействия системы «основание-фундамент» при обследовании зданий и сооружений перед восстановлением и реконструкцией.
В работе доказана возможность применения методики ЕИЭМПЗ при исследованиях временных границ изменения напряженно-деформированного состояния системы «фундамент-грунт».
Методология и методы исследования
Основные методы исследования, принятые в соответствии с задачами работы: натурные (физические) и численные компьютерные эксперименты, теоретический анализ и синтез, математическое моделирование, метод сравнения и др.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований силового взаимодействия отдельно стоящих фундаментов с грунтовым (песчаным) основанием при малоцикловых нагрузках;
выявленные причины трансформации эпюры нормальных контактных напряжений и изменения несущей способности фундаментов на продавливание при малоцикловых нагрузках;
усовершенствованная модель грунтового основания с переменным коэффициентом постели и изменяемой, в зависимости от предыстории нагружений, формой эпюры контактных напряжений;
расчетная модель взаимодействия фундамента и грунтового основания в предельном и запредельном состоянии конструкции с учетом предыстории нагружений;
алгоритм и методика расчета фундаментов на продавливание при малоцикловых нагрузках с учетом усовершенствованной модели грунтового основания, учитывающей предысторию нагружений;
возможность применения методики ЕИЭМПЗ в изучении работы системы фундамент-грунт.
Личный вклад соискателя состоит во включенном участии соискателя на всех этапах процесса:
- непосредственном участии соискателя в получении исходных данных,
разработке экспериментальных стендов и методики испытаний, экспериментах
по установлению особенностей силового взаимодействия отдельно стоящих
фундаментов с грунтовым основанием при малоцикловых нагрузках, выявлении
перераспределения нормальных контактных напряжений под подошвой
фундамента при малоцикловых нагрузках;
личном участии автора в обработке и интерпретации экспериментальных данных, в развитии расчётной модели грунтового основания с переменным коэффициентом постели, изменяемом в зависимости от предыстории нагружений, в разработке расчетной модели взаимодействия фундамента и грунтового основания в предельном и запредельном состоянии конструкции с учетом предыстории нагружений;
в апробации результатов исследования и сопоставительном анализе результатов, полученных по методике автора и по нормативной методике с опытными данными;
в подготовке и написании основных публикаций по выполненной работе (5 работ в полном объеме выполнено лично автором; 4 - в соавторстве, из них 50% текста принадлежит автору).
Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов обеспечена использованием общепринятых методик экспериментальных исследований, применением расчетных зависимостей теорий строительной механики, механики грунтов и механики железобетона, хорошей сходимостью результатов расчета с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований.
Апробация результатов работы. В полном объеме работа была доложена и одобрена на объединенном заседании кафедр «Строительных конструкций», «Геотехники и конструктивных элементов зданий», «Механики и сейсмостойкости сооружений», «Технология строительных конструкций и строительных материалов», «Технологии, организации и управления строительством» «Академии строительства и архитектуры» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского» 10 марта 2016 г.
Результаты работы доложены и обсуждены на следующих международных научно-практических конференциях:
Международная научно-техническая конференция "Проблемы теории и практики строительных конструкций", 15-17 апреля 2013 г, г. Одесса, ОГАСА.
Одиннадцатая международная научно-практическая конференция: «Инновационные технологии жизненного цикла объектов жилищно-гражданского, промышленного и транспортного назначения», 9 - 13 сентября 2013 г. в АР Крым, г. Ялта, пгт. Гаспра, Алупкинское шоссе, 4, санаторий "Парус";
Крымская международная научно-практическая конференция «Энергоресурсосбережение и экологическая безопасность», 29 сентября - 4 октября 2014 г., г.Симферополь - г.Судак;
II Крымская международная научно-практическая конференция «Методология энерго-ресурсосбережения и экологической безопасности», 28 сентября - 2 октября 2015 г., г.Симферополь - г.Судак.
Ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов Национальной академии природоохранного и курортного строительства (г.Симферополь) 2012-2014 гг. и Академии строительства и архитектуры Крымского федерального университета им. В.И.Вернадского (г.Симферополь), 20.10.2015 г.
Внедрение результатов исследования.
Результаты исследования внедрены: в проект реконструкции здания склада в г. Евпатория (выполнена оценка возможности увеличения нагрузок на фундаменты здания) и в проект реконструкции здания водолечебницы санатория «Полтава» в г. Саки (произведена расчетная оценка состояния фундаментов колонн бассейна) проектной компанией «Гранд Конструктив»; при разработке проекта многоэтажного паркинга в г. Алушта (выполнена прогнозная оценка изменения несущей способности отдельно стоящих фундаментов здания в процессе эксплуатации) предприятием ООО «Тектоника»; при оценке несущей способности фундаментов существующего силоса в г. Джанкой (выполнена расчетная оценка несущей способности фундаментов при обосновании возможности использовании сооружения для хранения материалов с более высоким объемным весом) компанией ООО «Крымпроектинжиниринг»; в цикл лекций и практических занятий по дисциплине «Безопасность и долговечность геотехнических сооружений», читаемой по программе подготовке аспирантов 08.06.00 – «Техника и технологии строительства», профиль 05.23.01 «Основания и фундаменты». Материалы и результаты диссертации использовались при написании 3-х магистерских работ по направлению «Строительство».
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (229 наименований), и пяти приложений. Общий объем работы составляет 187 печатных листов, включая 38 рисунков, 7 таблиц и 5 приложений.
Исследования силового взаимодействия фундаментов и грунтового основания при продавливании
Поведение грунтового основания на протяжении многих десятилетий изучалось такими учеными: Башкиров Е.В., Беда В.И., Безухов Н.И., Березанцев В.Г., Болдырев Г.Г., Бугров А.Д., Вялов С.С., Гольдштейн М.Н., Голышев Ю.В., Гришин А.В., Грошев М.Е., Дидух Б.И., Долматов Б.И., Дыба В.П., Зарецкий Ю.К., Иоселевич В.А., Когановская С.Е., Копейкин В.С., Крыжановский А.Л., Криворотов А.П., Кушнер С.Г., Ломбардо В.Н., Ломидзе П.М., Малышев М.В., Маслов Н.Н., Месчан С.Р., Мурзенко Ю.Н., Монастырский А.Е., Никитин Е.В., Николаевский В.Н., Новожилов В.В., Попов Б.П., Ревенко В.В., Рудаков В.Н., Соколовский В.В., Соловьёв Ю.И., Соломин В.Н., Строгонов А.С., Тер-Мартиросян З.Г., Терцаги К., Федоров И.В., Федоровский В.Г., Хакимов Х.Р., А.А., Царьков А.А., Цитович Н.А., Черкасов И.И., Чижиков П.Г., Чикишев В.М., Школа А.В., Шматков В.С., Шматков С.Б., Шутенко Л.Н., Яковлев П.И. и др. В основу исследований, проведенных этими и другими авторами, были положены результаты испытаний грунта штампами и моделями фундаментов, позволившие установить особенности деформирования грунта, развития в нем нормальных и касательных напряжений.
Рудаковым В.Н., Шутенко Л.Н., Башкировым Е.В. и другими исследова телями была отмечена несоосность тензоров напряжений и деформаций уже на небольшом интервале деформирования грунта [23, 160]. В качестве основных причин несоосности тензоров указывается изменение плотности и деформационная анизотропия грунта. В фазе уплотнения основания, траектории частиц грунта по мере увеличения напряжений получают всё большие отклонения от вертикальной оси. Этот эффект впервые отмечался К.Терцаги. Данные по невыполнению условия соосности тензоров напряжений и деформаций так же были получены Б. Брамсом и А. Касбарианом при испытаниях каолиновой глины на приборе, позволяющем повернуть ось главного напряжения, и К. Джерардом, проанализировавшим опыты Р. Роу с песком.
Изменения в траектории движения частиц в своих опытах отмечали М.В. Малышев, М.Н. Гольдштейн, С.Г. Кушнер, Г.Г. Болдырева, Е.В. Никитин. Они установили, что с увеличением напряжений и развитием зон пластических деформаций траектории движения частиц настолько отклоняются от вертикальной оси, что в данных зонах преимущественно получают горизонтальные смещения [26, 37, 106, 119-121].
В исследованиях А.Д. Бугрова, Ю.В. Галашева, А.В. Гришина, В.П. Дыбы, С.Е. Когановской, А.П Криворотова, Ю.Н. Мурзенко, В.В. Ревенко, В.Н. Соломина, А.С. Строгонова, В.Г. Федоровского, В.С. Шматкова, и др., рассматривавших напряженно-деформированное состояние грунта под подошвой фундамента, была выявлена зависимость угла поворота главных сжимающих напряжений от уровня нагрузки на фундамент, расположения и ориентации площадки [28, 44, 55, 98-100, 130-132, 134, 137, 169, 170]. Предприняты попытки изучить изменение модуля сдвига грунта, параметра Лоде и объемного деформирования грунта в зависимости от его напряженного состояния.
В работах В.С. Копейкина, В.Н. Николаевского, В.В.Новожилова, Ю.И. Соловьёва, В.И. Соломина, А.С. Строгонова, С.Б. Шматкова отмечается, что значительная деформация грунта в предельных зонах требует учитывать не только физическую нелинейность деформаций, но и их нелинейную связь с перемещениями [168, 170, 174]. С.А. Елизаров и М.В. Малышев так же пришли к выводу, что по мере накопления в основании деформаций сдвига и развития общего предельного состояния будут изменяться прочностные характеристики грунта [68, 121]. При этом грунт приобретает свойства анизотропии. Аналогичные результаты получены в работах Н.И. Безухова, П.И. Яковлев, А.В. Школы.
Значительное внимание в исследованиях работы грунтового основания уделено развитию сдвиговых деформаций. В работах А.Л. Крыжановского, Н.Н. Маслова, С.Р. Месчана, А.Е. Монастырского, З.Г. Тер-Мартиросяна, Н.А. Цитовича установлено, что величина касательных напряжений в крупноскелетных грунтах не зависит от пространственного напряженного состояния и параметра Лоде [101, 124, 125, 183, 201, 202 ]. Это позволяет рассматривать местное разрушение грунта как простой сдвиг.
В опытах В.С. Копейкина установлено, что участки сдвига грунта появляются под краями штампа вместе с появлением зон предельного состояния грунта [94, 95]. С повышением нагрузки на штамп зоны сдвига очерчивают область уплотненного ядра под штампом. При этом В.В. Ревенко в своих исследованиях установил, что с дальнейшим увеличением давления под подошвой штампа зоны сдвига сначала увеличиваются, а потом уменьшаются [152].
Исследования Б.И. Долматова, А.Л. Крыжановского, С.Е. Когановской, П.М. Ломидзе, Ю.Н. Мурзенко, В.И. Соломина, В.М. Чикишева, В.Г. Федоровского, С.Б. Шматкова и др. свидетельствуют о том, что с нагружением фундаментов происходит возрастание неоднородности грунтового основания, уменьшение модуля деформации Е, развитие переуплотнения грунта под центральной частью подошвы фундамента и зон пластических деформаций под ее краями, снижение модуля сдвига [53, 114, 130, 138, 170, 194]. Таким образом, сделан вывод, что под подошвой фундамента возникают зоны пониженной и повышенной сопротивляемости деформированию.
Связь между напряжениями и деформациями в различных точках основания под фундаментом исследовалась многими учеными, среди которых С.И. Алексеев, В.И. Беда, С.С. Вялов, М.Е. Грошев, Р.Э. Дашко, Б.И. Дидух, Ю.К. Зарецкий, Б.И. Иоселевич, В.С. Копейкин, В.Н. Ломбардо, М.В. Малышев, М.А. Метс, Б.П. Попов, С.М. Проскуряков, В.В. Соколовский, З.Г. Тер-Мартиросян, Х.Р. Хакимов, П.Г. Чижиков [11, 34, 48, 50, 75, 79, 94, 95, 126, 147, 149, 167, 180, 183, 203]. В большинстве исследований взаимосвязь между напряжениями и деформациями рассматривается в виде модуля пластичности - функции, характеризующей свойства участка грунта. Многие ученые отмечают феноменологический характер данной взаимосвязи.
Силовое оборудование и способ нагружения образцов
Для проведения экспериментальных исследований была выбрана установка, позволяющая в максимально возможной степени приблизить параметры испытаний к реальным условиям работы фундаментов массового применения.
Установка, рассчитанная на максимальное усилие 1000 кН, включала в себя металлический лоток и силовую раму, состоящую из прокатной двутавровой балки 4 и стоек 3 (рисунок 2.2). Лоток представляет собой призматический стальной короб из листового металла 1 квадратной формы в плане, усиленный снаружи швеллерами 2. Стойка состоит из прокатного двутавра №27. В нижней части стойка приварена к швеллерам лотка. Балка крепится к стойке на болтовом соединении.
Лоток предварительно был помещен в грунт с отметкой дна лотка – 1.7 м от поверхности земли. Внутренняя полость лотка заполнена кварцевым песком средней крупности с влажностью 0,04…0,06. Песок уплотнялся послойно до достижения плотности 1,80 - 1,85 т/м3. Плотность песка контролировалась иглой-плотномером в 20 точках площади лотка. Мощность слоя песка – 1,95 м.
В связи с тем, что исследования проводились в металлическом грунтовом лотке, неизбежно возникал эффект «обоймы» (ограничение объемных деформаций грунта основания жесткими стенками стального грунтового лотка), оказавший влияние на распределение напряжений в грунте и результаты измерения. Однако, проведенное авторами лотка сопоставление условий собственных опытов на фундаментах, размером в плане 0,5 х 0,5 м и опытов, выполненных в лотке, размерами 4 х 4 х 4 м [185, 186] показало, что в интервале эксплуатационных нагрузок на конструкцию (0,6…0,7 Роппред) напряжения под краями образцов и в сечениях по граням опорных ступеней для сопоставимых по геометрическим и прочностным характеристикам фундаментов отличаются не более чем на 8…12 %. Следовательно, распределение нормальных контактных напряжений в проведенных опытах под фундаментами размером в плане 0,5 х 0,5 м с меньшим уровнем контактных напряжений при разрушении в лотке 2,2 х 2,2 х 2 м с достаточной для практических целей достоверностью отражает распределение контактных напряжений в реальных условиях. Эффект обоймы так же снижается в результате применения плотного песчаного основания ( = 1,75 -1,89 т/м3). Кроме того, при расчете осадки методом послойного суммирования, в соответствии со СНиП 2.02.01.-83 [165], установлено, что нижняя граница сжимаемой толщи при нагружении опытного образца находится на глубине не более 1,0 м от поверхности, тем самым находясь на 0,6 м выше дна лотка.
Для нагружения фундаментов использовался гидродомкрат ДГ-50-2 в комплекте с автономной насосной станцией высокого давления НСР-400М, оборудованной образцовым манометром на 20 т класса точности 0,4. Силовую систему градуировали на стационарном гидропрессе П-125 мощностью 1250 кН.
В процессе сброса нагрузки, создаваемой домкратом, при имитации малоцикловых нагружений статическую нагрузку на фундамент создавал вес гидродомкрата и пригрузочные гири (суммарная нагрузка 1000 Н).
Установка фундаментов в грунтовом лотке представлена на рисунке 2.3. Фундаменты монтировали на предварительно просеянное и уплотненное основание. Рисунок 2.3 – Опытная установка для испытания фундаментов в сборе
В процессе испытания нагрузку на фундаменты прикладывали ступенчато с различной интенсивностью в соответствии с планированием эксперимента. Величина ступеней приложения нагрузки определялась из расчёта 10% от расчётной разрушающей нагрузки фундаментного образца. Расчётная несущая способность опытных образцов при продавливании по методике [164] указана в таблице 2.3 Таблица 2.3 – Расчётная несущая способность опытных образцов при продавливании
Для выявления особенностей силового взаимодействия отдельно стоящих фундаментов с грунтовым основанием при малоцикловых нагрузках и решения таких задач, как: изучение перераспределения эпюры нормальных контактных напряжений в зависимости от предыстории нагружений, выявление изменения прочности фундаментов после воздействия малоцикловых нагрузок, потребовалось использование широкого диапазона измерительных приборов, которые позволили бы обеспечить описание поведения составных частей системы «фундамент-грунт» на всех этапах эксперимента. Для определения деформаций стержней сетки рабочей арматуры использовали фольговые тензорезисторы базой 10 мм с номинальным сопротивлением 100 Ом. Тензорезисторы размещали в предполагаемых местах наибольшей деформации арматуры и по длине центральных стержней, в местах образования максимального изгибающего момента (рисунок 2.4).
Перед наклейкой тензорезисторов арматуру зачищали до получения гладкой площадки, обеспечивающей установку датчика, шлифовали и затем обезжиривали ацетоном. Наклейку тензорезисторов осуществляли клеем БФ-2. Датчик изолировали силиконом и обматывали синтетической клейкой лентой. Коммутации выполняли гибким монтажным проводом 0,5 мм в ПВХ-оболочке. К автоматическому измерителю деформаций АИД-4 датчики подключали через многосекционный коммутатор.
Особое внимание было уделено измерению нормальных контактных напряжений под подошвой фундаментов. С этой целью были изготовлены электротензометрические месдозы со следующими габаритными размерами: диаметр 42 мм, высота 8 мм. Месдозы состояли из пассивной плиты 2 и мембраны 3 (рисунок 2.5). Толщина мембраны была подобрана таким образом, чтобы в рабочем диапазоне давлений (0…0,7 МПа) средняя чувствительность месдозы при её использовании с прибором АИД-4 была не менее 0,005 МПа. Вместе с тем мембрана обладала достаточной жесткостью. С внутренней стороны на мембрану наклеивали тензорезистор 1 базой 10 мм. Углубление в пассивной плите позволяло наклеить мембрану на опорное ребро, тем самым предохраняя месдозу от попадания влаги. Датчик был изолирован тонким слоем лака, а выводы проводов помещены в гибкую силиконовую трубку.
Результаты испытания фундаментов при интенсивности предварительных загружений 50% от расчетной разрушающей нагрузки
Напряжения в рабочей арматуре фундамента достигли предела текучести в центральных стержнях сечений по грани колонны к моменту разрушения фундамента.
Осадка фундамента сопровождалась фазовым приращением на каждом цикле нагружения. Суммарное приращение за 10 циклов предварительных нагружений составило 24% от величины осадки при первом нагружении. Сопоставление результатов эксперимента с результатами, полученными при испытании схожих по конструкции фундаментов при той же интенсивности нагрузки, но меньшем количестве предварительных нагружений показало, что величина суммарного фазового приращения осадки увеличивается с количеством предварительных нагружений.
Опыт Ф-11-10. Результаты, полученные при испытании фундамента Ф-11-10 с 19-ю циклами предварительных нагружений, были близки к результатам предыдущего опыта. Учитывая более высокую жесткость конструкции фундамента Ф-11-10, разница между ординатами эпюры нормальных контактных напряжений под центром подошвы и краевыми зонами была ниже, чем у образца Ф-8-7. Увеличение количества циклов нагружений фундамента привело к росту площади участка эпюры с максимальными ординатами под средней частью подошвы.
Результаты испытания фундаментов при интенсивности предварительных загружений 50% от расчетной разрушающей нагрузки Опыт Ф-5-7. Фундамент испытывался при 1 предварительном нагружении. Испытания проводились при следующих начальных параметрах грунтового основания: = 18,1 кН/м3; = 360; = 4,0 % Эпюры нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента и график осадки фундамента представлены на рис.3.6.
Результаты испытания фундамента Ф-5-7: а – схема размещения месдоз и приложения нагрузки; б – эпюры нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента; в – график осадки фундамента Первый цикл нагружения проходил аналогично испытанным ранее фундаментам. Перераспределение нормальных контактных напряжений, начавшееся с малых уровней внешней нагрузки вызвало трансформацию эпюры напряжений от равномерной на первых ступенях нагрузки к параболической с максимальной ординатой у центральной части подошвы фундамента. Отклонение объема экспериментальной эпюры от величины внешней нагрузки не превышало 3,3 % на всем протяжении эксперимента.
На втором цикле нагружения при уровне внешней нагрузки Р = 0,25 Р оп.пред наблюдалось относительное увеличение значений ординат нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента на участках, прилегающих к центральной части подошвы плиты. Максимальное значение приращения ординаты на данных участках, составившее 43% по сравнению с ординатами эпюры первого цикла, было достигнуто при уровне внешней нагрузки Р = 0,5 оп.пред. Одновременно с нагружением наблюдалось замедление роста уровня нормальных контактных напряжений под центральной частью и у краевых зон фундамента. По сравнению с первым циклом нагружения при уровне внешней нагрузки Р = 0,5 Р оп.пред эти напряжения понизились на 7,5% и 10%, соответственно.
Анализ эпюр нормальных контактных напряжений у схожих по режиму нагружения фундаментов свидетельствует о том, что при испытании конструкций на действие малоцикличных нагрузок происходит трансформация эпюры нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента, приводящая к относительному уменьшению или торможению роста максимальных значений ординат под центром фундамента и увеличению площади зоны максимальных контактных напряжений. При этом значения ординат эпюры под краевыми зонами подошвы с нагружением конструкции могут уменьшаться.
Напряжения в арматуре образца Ф-5-7 достигли предела текучести лишь в центральном стержне при уровне нагрузки 51 кН. Разрушение фундамента произошло хрупко, при нагрузке 54 кН от разрушения сжатой зоны бетона, образования и перемещения пирамиды продавливания. Плотность грунта после проведения эксперимента увеличилась на 0,3 кН/м3 под центральной частью и осталась практически неизменной у краев плиты.
На первом цикле нагружения образца с увеличением нагрузки рост нормальных контактных напряжений под центральной частью фундамента опережал увеличение напряжений под краевыми зонами подошвы. После проведения девятнадцати циклов предварительных загружений при нагрузке Р = 0,5 Ртеор.пред. величина приращения ординаты эпюры контактных напряжений под центром фундамента не превышала 10% от значения при первом нагружении. На 20 цикле нагружения, при уровне внешней нагрузки свыше Р = 0,5 Р теор.пред. наблюдался интенсивный рост ординат эпюры контактных напряжений в зоне, прилегающей к центральной части подошвы (в зоне уплотнения) (рисунок 3.7, б).
Форма эпюры нормальных контактных напряжений непосредственно перед разрушением образца имела очертание, близкое к параболическому. Соотношение максимальной и минимальной ординаты нормальных контактных напряжений в нормальном сечении составило 8,75. Сопоставляя эпюру нормальных контактных напряжений, полученную при испытании образца Ф-3-5 с эпюрами, полученными при испытании других образцов на действие малоцикловых нагрузок, можно заметить менее выраженное перераспределение нормальных контактных напряжений в процессе воздействия повторных нагрузок небольшой интенсивности. Это связано с невысоким уровнем нормальных и касательных напряжений в грунте. Этим же объясняется малый рост осадки фундамента с увеличением нарузки после 19 предварительных нагружений.
Разработка методики расчета фундаментов на продавливание с учетом предыстории нагружений
В настоящее время существует значительное количество программных комплексов, позволяющих с достаточной степенью достоверности моделировать силовое взаимодействие конструкций с грунтовым основанием. В соответствии с этим, представляют интерес численные исследования взаимодействия фундаментов с грунтовым основанием при малоцикловых загружениях, сопоставление результатов этих исследований с данными физического эксперимента. Такие исследования позволят уточнить основные причины повышения прочности конструкций при циклических нагрузках и учесть их при разработке методики расчета конструкций.
Численные исследования силового взаимодействия конструкций с грунтовым основанием осуществлялись такими учеными: М.С. Чухлатый, В.Ф. Бай, С.А. Еренчинов, А.С. Городецкий, Н.С. Дюкина, А.А. Бакулина, В.А. Гришин и др. Моделирование производилось при помощи различных программных комплексов: ПК HOU E D&T, Pla , ПК AN Y , ПК «Динамика-2», «Динамика-3», ПК «Лира». Авторами был проведен анализ результатов численных экспериментов, сопоставление их данных с результатами физических экспериментальных исследований, выявлены многие особенности реальной работы конструкций.
Несмотря на большое количество численных и натурных экспериментальных исследований силового взаимодействия фундаментов с грунтовым основанием, большинство из них были проведены при однократном загружении конструкции статической или динамической нагрузкой. В то же время численные исследования работы отдельно стоящих фундаментов при малоцикловых загружениях отсутствуют.
Анализ функциональных возможностей различных программных продуктов и результатов их применения для исследований работы системы «фундамент – грунт» позволили определить, что наиболее оптимальным программным комплексом для реализации поставленной задачи является Plaxis 3D. Главное преимущество данной программы заключается в том, что наряду с возможностью режимного ввода нагрузки, она позволяет на любом этапе загружения выявить процессы, происходящие в грунтовом массиве и конструкции. Благодаря этому, численный эксперимент с циклическим изменением нагрузки реализуем в единой цепочке расчета.
Среди основных функциональных особенностей программы Plaxis 3D можно отметить: использование многоузловых объемных элементов для моделирования деформаций и напряжений в грунте; использование специальных плитных элементов для моделирования плитной части фундамента, поведение которых определяется упругими свойствами или нелинейно-упругими деформационными кривыми (диаграммами); возможность применения различных моделей поведения грунтового массива.
Параметры фундаментов, грунтового основания и режимы загружения в численном эксперименте были выбраны аналогично проведенному ранее физическому эксперименту, что необходимо для сопоставления их результатов. Размеры моделей фундамента в плане составляли 0,5 х 0,5 м с фрагментом колонны 0,1 х 0,1 м, толщина плитной части принимала значения 0,05, 0,75 и 0,1 м. В качестве грунтового основания использовался песок средней крупности. В численном эксперименте, как и в натурном, грунт основания был ограничен размерами грунтового лотка (2,2 х 2,2 х 2,2 м).
Численный эксперимент включал в себя следующие расчетные фазы: - фаза 0 - загружение фундамента гравитационной нагрузкой с последующим обнулением деформаций, вызванных этой нагрузкой; - фазы 2, 4, 6…18 - загружение фундамента расчётной нагрузкой; - фазы 3, 5… 19 - снятие расчётной нагрузки с фундамента. Исследования показали, что с увеличением количества предварительных нагружений глубина распространения напряжений в грунт основания снижается, а площадь распространения напряжений в плане увеличивается. При этом происходит накопление остаточных деформаций в грунте и фундаменте. Уменьшение глубины распространения напряжений, как правило, начинает проявляться со 2-3 цикла загружения. Максимальные касательные напряжения в грунте с ростом количества предварительных нагружений имеют тенденцию к небольшому снижению. Так, абсолютное значение касательных напряжений при первом загружении фундамента Ф-7-7ч составили 86,23 кН/м2, а при последнем уменьшились до 83,57 кН/м2 или на 3,2% (рисунок 4.6). При этом максимальные величины касательных напряжений наблюдались под краевыми зонами фундамента.
Максимальное абсолютное значение касательных напряжений при первой фазе разгрузки составило 28,44 кН/м2. На последующих фазах разгружения происходило увеличение остаточных касательных напряжений в грунте основания. На последней фазе разгрузки они составили 31,76 кН/м2, что на 10% больше первоначальных значений (рисунок 4.6).
Численные экспериментальные исследования показали, что максимальные величины главных сжимающих напряжений в грунте на стадиях загружения уменьшаются с увеличением количества фаз загружения. Для фундамента Ф-7-7ч на первой фазе загружения максимальное значение главных сжимающих напряжений составляли 533,7 кПа (у центра подошвы фундамента), на последней (двадцатой) фазе загружения – 513,8 кПа. При этом снижение напряжений достигло 4% (рисунок 4.7). Такая же тенденция прослеживалась в изменении остаточных главных сжимающих напряжений в грунте на стадиях снятия нагрузки. С увеличением количества фаз разгрузки их максимальные значения уменьшались. На первой фазе разгрузки значение максимальных остаточных главных сжимающих напряжений составило 28,74 кН/м2, на последней – 28,54 кН/м2. Уменьшение напряжений на 20-й фазе достигло 0,1% (рисунок 4.6).