Исследования работы песчаного основания ленточного фундамента с ломаным очертанием опорной плиты
На правах рукописи
КРАХМАЛЬНЫЙ Тимофей Александрович
Исследования работы песчаного
основания ленточного фундамента
с ломаным очертанием опорной плиты
Специальность 05.23.02 – Основания и фундаменты,
подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2010
Работа выполнена на кафедре «Промышленное и гражданского строительства, геотехника и фундаментостроение» в ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
| Научный руководитель: | кандидат технических наук, профессор Евтушенко Сергей Иванович Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Сахаров Игорь Игоревич Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет |
| кандидат технических наук, профессор Зайцев Александр Константинович Военный инженерно-технический университет | |
| Ведущая организация: | ОАО «ЛенНИИпроект» |
Защита состоится « 15 » июня 2010 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская д. 4, зал заседаний.
Телефакс (812) 316-58-72
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан « ___ » апреля 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д. т. н., проф. Ю. Н. Казаков
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Повышение технико-экономической эффективности и качества строительства – это основные задачи отрасли фундаментостроения на сегодняшний день. Решение этих задач связано с повышением производительности труда, использованием новых индустриальных технологий, научно-технических достижений, снижением стоимости строительства при одновременном повышении надёжности зданий, которое обеспечивается развитием исследований НДС оснований и фундаментов, разработкой и внедрением новых конструктивных решений в области фундаментостроения. Для снижения материалоёмкости подземной части зданий возникает необходимость проведения исследований по разработке и внедрению в серийное производство более экономичных конструкций, в частности при устройстве ленточных фундаментов.
Цель диссертационной работы: создание и обоснование новых эффективных конструкций сборных ленточных фундаментов с ломаным очертанием опорных плит, более полно использующих несущую способность основания.
Задачи исследования:
1. Разработка новых конструкций сборных ленточных фундаментов с ломаным очертанием краевой зоны, более полно использующих несущую способность основания.
2. Проведение экспериментальных исследований работы основания металлических жестких штампов, моделирующих протяженный фундамент, определение несущей способности песчаного основания при различных способах постановки штампов, исследование напряженно-деформированного состояния грунтового основания под штампами.
3. Проведение экспериментальных исследований на моделях ленточных фундаментов с разным углом внутренних вырезов для определения оптимальной формы опорной плиты с ломаным очертанием краевой зоны, сравнение полученных результатов с данными численного моделирования.
4. Проведение экспериментальных исследований на крупномасштабных железобетонных моделях, установленных с поворотом на угол 45 относительно продольной оси, с целью изучения НДС основания, особенностей трещинообразования и разрушения железобетонных моделей.
5. Обобщение результатов проведенных экспериментальных исследований по изменению формы опорной части ленточных фундаментов и выявление зависимости изменения несущей способности от величины отношения периметра фундамента к его площади.
6. Разработка программы расчета ширины новых конструкций сборных ленточных фундаментов.
7. Внедрение новых конструкций ленточных фундаментов в проектную практику и учебный процесс.
Методы исследования: для решения поставленных задач выполнялись:
- крупномасштабные модельные эксперименты в лотке;
- численное моделирование в ПК PLAXIS;
- расчеты несущей способности по первому и второму предельным состояниям;
- сопоставление результатов модельных и численных экспериментов.
Научная новизна работы:
1. Выявлено увеличение несущей способности песчаного основания и снижение осадки при увеличении периметра подошвы ленточного фундамента. Определена зависимость изменения несущей способности песчаного основания от величины отношения периметра фундамента к его площади.
2. Разработано завершённое конструктивное решение трех сборных ленточных фундаментов с ломаным очертанием краевой зоны, которые более полно используют несущую способность основания. Составлены рекомендации для инженерного расчета указанных конструкций и получены патенты на полезные модели.
3. Получены новые экспериментальные данные о напряженном состоянии песчаного основания новых конструкций ленточных фундаментов (эпюры нормальных напряжений и изолинии одинаковых напряжений) во всем интервале нагружения.
4. Определена экспериментально и подтверждена численным моделированием оптимальная форма ломаного очертания опорной плиты ленточного фундамента. Разработана номенклатура фундаментных плит с ломаным очертанием краевой зоны.
Теоретическая значимость работы: разработаны рекомендации по расчету и конструированию сборных ленточных фундаментов с ломаным очертанием опорной плиты и сборных ленточных фундаментов с поворотом опорных плит на 45°. Выявлен характер зависимости несущей способности песчаного основания от величины отношения периметра фундамента к его площади.
Практическая значимость работы:
- Экспериментально исследовано три новых конструкций ленточных фундаментов с ломаным очертанием краевой зоны, разработаны рекомендации для инженерного расчета указанных конструкций.
- По результатам экспериментальных исследований, определена наиболее эффективная форма опорной плиты ленточного фундамента с ломаным очертанием краевой зоны, имеющая наибольшую несущую способность и минимальную осадку.
- Разработана номенклатура сборных опорных фундаментных плит с ломаным очертанием краевой зоны для малоэтажного строительства.
- Разработана программа «Расчет ширины ленточного фундамента с ломаным очертанием краевой зоны».
Реализация работы: Результаты исследований и практические рекомендации, разработанные в диссертационной работе, внедрены:
- в фирме ООО «Строймастер» в качестве контрольного примера рассчитаны ленточные фундаменты при разработке проекта торгово-развлекательного центра в г. Саратов;
- в межвузовском проектном бюро ЮРГТУ(НПИ), где был выполнен ряд конкретных проектов для г. Новочеркасска;
- в учебном процессе ГОУ ВПО Ростовского государственного строительного университета, ГОУ ВПО Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), ГОУ ВПО Новочеркассой государственной мелиоративной академии.
Основные положения, выносимые на защиту:
- Новые конструкции сборных ленточных фундаментов с ломаным очертанием опорной плиты.
- Результаты проведённых экспериментальных исследований работы песчаного основания и сборных протяженных фундаментов, состоящих из жестких металлических штампов.
- Результаты экспериментальных исследований работы песчаного основания моделей сборных ленточных фундаментов с ломаным очертанием опорной плиты с различным углом вырезов. Сравнение полученных результатов в ПК PLAXIS.
- Результаты экспериментальных исследований, проведённых на железобетонных моделях ленточного фундамента, опорные плиты которого установлены с поворотом на угол 45° относительно продольной оси фундамента.
- Методика расчёта ширины сборного ленточного фундамента с ломаным очертанием опорной плиты.
- Рекомендации по конструированию и прочностному расчету опорной плиты ленточных фундаментов с ломаным очертанием краевой зоны.
Апробация работы. Результаты проведённых исследований и основные положения диссертационной работы были представлены на конференциях и выставках: Международные научно-практические конференции «Строительство 2005», «Строительство 2006», «Строительство 2007» Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону, 2005-2007 гг.), Всероссийская выставка-ярмарка научно-исследовательских работ и инновационной деятельности «ИННОВ-2005», «ИННОВ-2007» (Новочеркасск 2005-2007 гг), Международная конференция «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (II Академические чтения им. проф. А.А. Бартоломея) (Пермь 2007 г.), Международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2008»» (Астрахань 2008 г.), III и IV Международные научные конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград 2005 и 2008 г.), Международная научно-техническая конференция «Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники» Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Санкт-Петербург 2009 г.), ежегодные внутривузовские конференции профессорско-преподавательского состава кафедр строительного профиля ЮРГТУ (НПИ) (2005-2009 гг.).
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 174 наименований и 13 приложений. Полный объем диссертации 205 страниц, включая 104 рисунков и 13 таблиц. Основной текст диссертации (без оглавления, списка литературы, приложений, рисунков и таблиц) содержит 106 страниц машинописного текста.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 18 публикациях, среди которых четыре публикации в реферируемых журналах ВАК, свидетельство об отраслевой регистрации программы для ЭВМ и четыре патента на полезную модель.
Теоретические и экспериментальные исследования проведены на кафедре «Промышленного и гражданского строительства, геотехники и фундаментостроения» в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) под руководством, кандидата технических наук, профессора С.И. Евтушенко. Диссертационная работа выполнена в рамках деятельности научной школы ЮРГТУ (НПИ) «Механика грунтов, основания и фундаменты» (руководитель проф. д.т.н. Г.М. Скибин).
Основное содержание работы
Во введении сформулирована актуальность диссертационной работы, её практическая значимость. Излагаются основные положения, которые выносятся на защиту, приведена общая характеристика работы.
В первой главе приведена классификация имеющихся типов ленточных фундаментов, применяющихся в массовом строительстве, проводится обзор имеющихся конструктивных решений сборных ленточных фундаментов, анализируются основные направления теоретических методов расчёта несущей способности основания и экспериментальных исследований совместной работы фундаментных плит с грунтовым основанием.
Наиболее полно типы блоков для фундаментных стен были описаны в работе под редакцией Б.Д. Васильева. Данная работа была направлена на облегчение фундаментных стеновых блоков. Большая работа по исследованию различных видов рациональных конструкций фундаментных блоков-подушек была выполнена в НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Е.А. Сорочаном и М.И. Фидаровым. Они исследовали работу ленточных фундаментов с раздвижкой опорных блоков-подушек в продольном направлении относительно оси фундамента и работу опорных блоков-подушек с угловыми вырезами. Отмечены также: работа П.В. Ермашова, который занимался оптимизацией плит у угловыми вырезами, работа В.Ф. Разоренова, который разработал номограммы по определению размеров фундамента с раздвижкой, и работа Ю.Ф. Тугаенко, который занимался исследованиями на моделях шпальных фундаментов.
Целью проведенных исследований являлось изучение влияния изменения расстояния между блоками-подушками прерывистого или шпального фундамента на форму и размеры упругого ядра и поверхностей скольжения. Результаты опытов экспериментально подтвердили теоретическое предположение о существовании «арочного эффекта» в промежутках между блоками-подушками прерывистого фундамента. Также было установлено, что несущие грунтовые своды («арочный эффект») в промежутках между блоками-подушками образуются на начальных стадиях нагружения и существуют вплоть до разрушения грунта основания.
Очень большая работа по исследованию и совершенствованию аппаратуры и приборов для измерения контактных напряжений в грунтах была проведена Д.С. Барановым и Г.Е. Лазебником. Обширная программа экспериментальных исследований была проведена в Новочеркасского политехнического института под руководством Ю.Н. Мурзенко.
Обзор литературных источников позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе приводится описание автоматизированной системы научных исследований (АСНИ), методика проведения опытов, применяемые в опытах приборы, методики градуировки приборов.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории оснований и фундаментов кафедры «ПГС ГиФ» ЮРГТУ (НПИ) на испытательной машине МФ-1 конструкции Ю.Н. Мурзенко. Машина состоит из железобетонного лотка, заполненного среднезерничстым воздушно-сухим песком, силовой рамы с гидравлическими домкратами, и пульта управления с насосной станцией высокого давления. Железобетонный лоток имеет размеры в плане 3,03,0 м и глубину 2,2 м, причем, как показывают результаты экспериментов, границы лотка не влияют на результаты исследований, а три силовых домкрата могут создавать давление до 500 кН каждый. Напряжения в массиве основания измерялись тензометрическими преобразователями напряжений - месдозами конструкции Ю. Н. Мурзенко (МК-26, МК-37, МК-54) и месдозами конструкции Г.Е. Лазебника.
Использование тензометрических преобразователей – месдоз, сопряжено с увеличением объема получаемой информации и необходимостью обработки результатов в режиме реального времени, что возможно только при использовании ЭВМ. Для этого автором было разработано специальное устройство сопряжения дистанционных преобразователей и СИИТ-3, позволяющее выполнять обработку результатов на персональном компьютере в режиме реального времени и влиять на ход эксперимента.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований несущей способности песчаного основания, нагруженного различными моделями протяженных фундаментов со сложной краевой зоной.
Первоначально в качестве моделей фундамента были выбраны три жестких квадратных металлических штампа с размерами подошвы 354х354 мм. Площадь основания модели равна 0,375 м2. В опытах штампы располагались линейно друг с другом, с поворотом на угол 45° относительно продольной оси фундамента и с раздвижкой на 150 мм. При такой раздвижке расстояния между центрами штампов во второй и третьей сериях опытов остаются одинаковыми, и это дает возможность сравнивать несущую способность основания для данных моделей фундаментов. Полученные данные сведены в таблицу 1. Характерные графики зависимости осадки среднего штампа от нагрузки для каждой серии опытов, построенные по показаниям прогибомера 6-ПАО, приведены на рисунке 1.
Таблица 1
Результаты проведенных опытов трех серий экспериментов
| № Оп. | Постановка штампов | pu (кН) | su (мм) | u (кПа) | Примеч. |
| 1.1 |  | 342,8 | 9,31 | 912 | Постановка штампов вплотную |
| 1.2 | 357,0 | 7,95 | 950 | ||
| 2.1 |  | 391,0 | 7,63 | 1040 | Постановка штампов с поворотом на угол 45 |
| 2.2 | 394,0 | 8,54 | 1042 | ||
| 2.3 | 457,6 | 9,10 | 1217 | ||
| 3.1 |  | 467,4 | 9,50 | 1243 | Постановка штампов с раздвижкой |
| 3.2 | 467,4 | 8,60 | 1243 |
Рис. 1. Графики зависимости осадки от нагрузки в первых сериях опытов
Увеличение несущей способности основания ленточного фундамента с краевой зоной ломаного очертания на 18 % объясняется тем, что за счет распределительной способности в работу включается грунт за пределами штампов между выступающими углами. Зоны пластических деформаций отдельных элементов модели пересекаются, включая в работу большую массу грунта основания, чем при расположении штампов в серии 1. В связи с тем, что направления движения грунта из-под штампов в этих зонах перпендикулярны кромке штампа, траектории движения грунта в массиве пересекаются и образуются криволинейные зоны выпора. Увеличение несущей способности основания в опытах с раздвижкой на 34 % обусловлено возникновением в грунте «арочного эффекта», который вовлекает в работу грунт, расположенный между штампами. Рабочая площадь основания за счет этого увеличивается, что приводит к уменьшению осадки. Более подробно «арочный эффект» исследовали М.И. Фидаров и Е.А. Сорочан.
В данных экспериментах был получен эффект увеличения несущей способности песчаного основания при увеличении периметра фундамента. Этот эффект исследовался в последующих опытах.
Нормальные напряжения в массиве песчаного основания исследовалось в створе между жесткими штампами с помощью преобразователей напряжений - месдоз, как показано на рисунке 2. Изолинии одинаковых напряжений, возникающих в основании приведены на рисунке 3.
Рис. 2. Исследуемый створ модели фундамента
 |  |
| а) изолинии при нагрузке p = 0,3pu | б) изолинии при нагрузке p = 0,45pu |
 |  |
| в) изолинии при нагрузке p = 0,6pu | г) изолинии при нагрузке p = 0,75pu |
| Рис. 3. Изолинии полей напряжения под жесткими штампами | |
Проведенные исследования напряженного состояния грунта в створе между штампами дают возможность утверждать, что уже на глубине 0,8 b данная модель работает как ленточный фундамент большей ширины. При сохранении тех же материальных затрат полученная модель дает большую ширину фундамента b и соответственно большую несущую способность.
Принцип более полного использования несущей способности грунта был применен автором при разработке конструкций в двух патентах на полезные модели:
1) полезная модель подпорной стены № 49 543.
2) полезная модель ленточного фундамента № 55 386.
Исследование ломаного очертания краевой зоны были продолжены на крупномасштабных моделях ленточных фундаментов. Ломаное очертание опорной плиты моделировалось с помощью листа стали толщиной 20 мм. Длина одной плиты соответствует масштабу 1:5 по отношению к типовому размеру фундаментной плиты по серии 1.112-1. Пять таких плит, уложенные друг за другом моделируют фрагмент ленточного фундамента длиной 12 м, с ломаным очертанием краевой зоны. В четвертой и пятой сериях опытов исследовалась несущая способность основания моделей при ломаном очертании с внутренним углом вырезов 60° и 90 соответственно. Габаритные размеры обеих моделей были равны. Площадь обеих моделей была равна – 0,492 м2. Схемы фундаментных плит представлены на рисунке 4, результаты опытов сведены в таблицу 2.
 а) модель с внутренним углом 60° |  б) модель с внутренним углом 90°. |
| Рис. 4. Модели ленточного фундамента с ломаным очертанием опорной плиты | |
Таблица 2
Результаты экспериментов четвертой и пятой серий
| № оп. | угол | Значение осадки (мм) при значениях нагрузки (кН) | pu (кН) | su (мм) | u (кПа) | Примеч. | ||||
| 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | ||||||
| 4.1 | 60° | 1,79 | 3,10 | 4,18 | - | - | 381,3 | 4,98 | 775 | остановлен |
| 4.2 | 60° | 2,10 | 3,53 | 4,70 | 6,07 | 7,99 | 541,2 | 9,10 | 1100 | |
| 4.3 | 60° | 2,35 | 4,21 | 5,82 | 7,31 | 9,11 | 534,0 | 9,62 | 1085 | |
| 4.4 | 60° | 1,47 | 3,03 | 4,32 | 5,6 | 6,92 | 558,4 | 8,41 | 1135 | |
| 5.1 | 90° | 2,05 | 4,02 | 5,85 | 7,69 | 9,68 | 510 | 9,96 | 1037 | |
| 5.2 | 90° | 2,93 | 5,37 | 7,72 | - | - | 384 | 7,6 | 780 | остановлен |
| 5.3 | 90° | 2.69 | 5,29 | 7,64 | - | - | 387 | 7,64 | 787 | остановлен |
| 5.4 | 90° | 2,56 | 4,82 | 6,72 | 8,73 | - | 471 | 9,98 | 957 | |
По результатам опытов, очевидно, что большая несущая способность основания у модели с внутренним углом 60°. В процентном соотношении преимущество в несущей способности составляет 12,5%. Сравнивая графики зависимости осадки модели от нагрузки, приведенные на рисунке 5, можно сделать вывод, что при одинаковых нагрузках, осадка модели четвертой серии меньше, чем осадка модели пятой серии.
При проведении экспериментов на моделях было замечено, что выпор грунта, произошедший в опытах с моделью с внутренним углом 60° значительно больше, чем в опытах на моделях с внутренним углом 90°. Данный факт свидетельствует о том, что при нагружении модели с внутренним углом 60° (при одинаковой ширине обеих моделей) в работу вовлекается больший объем грунта, чем объясняется и большая несущая способность основания.
Рис. 5. Графики зависимости осадки от нагрузки
Проведенные эксперименты показали работоспособность модели ленточного фундамента с ломаным очертанием опорной плиты, и данная конструкция фундамента была защищена патентом на полезную модель № 32139. Конструкция фундамента представлена на рисунке 9.а.
В четвертой главе приводятся результаты исследований работы крупномасштабных железобетонных моделей (масштаб 1:5) фундамента, опорные плиты которого были повернуты на угол 45° относительно продольной оси фундамента. За основу были выбраны стандартные фундаментные блоки-подушки по серии 1.112-5 размерами 1200х2400х500 мм. Размер фундаментного блока в масштабе соответственно 480х240х100 мм, внешний вид одного блока приведен на рисунке 6.а.
В шестой серии экспериментов железобетонные модели фундаментных блоков-подушек располагались прямолинейно в стандартной постановке, как показано на рисунке 6.б, а затем с поворотом на угол 45° относительно продольной оси фундамента, как на рисунке 6.в. Результаты опытов представлены в таблице 3. Полученные графики осадки и графики поворота консоли, построенные по показаниям индикатора часового типа ИЧ-10, приведены на рисунках 7 и 8.
 |  |  |
| а) размеры блока | б) линейная постановка | в) постановка с поворотом |
| Рис. 6. Постановка железобетонных моделей блоков-подушек в лотке | ||
Среднее значение несущей способности основания при постановке фундаментных блоков-подушек без поворота оказалась 755 кН, а при повороте 860 кН. Экспериментальные исследования показали увеличение на 14% несущей способности основания ленточного фундамента при повороте опорных плит на угол 45° относительно продольной оси фундамента.
Таблица 3
Результаты проведенных экспериментов шестой и седьмой серий
| № | Значение осадки (мм) при значениях нагрузки (кН) | pu (кН) | su (мм) | пр (кПа) | Примечания | |||
| 200 | 400 | 600 | 800 | |||||
| 6.1 | 4,76 | 7,09 | 9,12 | - | 765 | 12,9 | 950 | |
| 6.2 | 3,81 | 7,01 | 10,18 | - | 723 | 13,2 | 896 | |
| 6.3 | 4,05 | 7,51 | 11,1 | - | 746 | 14,4 | 925 | |
| 7.1 | 4,58 | 6,57 | 8,35 | 10,76 | 885 | 13,1 | 1097 | |
| 7.2 | 4,88 | 7,44 | 9,35 | 11,95 | 858 | 12,3 | 1063 | |
| 7.3 | 4,05 | 5,99 | 7,96 | - | 780 | 11,5 | 967 | |
| 7.4 | 3,96 | 9,27 | - | - | 420 | 12,0 | 520 | |
Рис. 7. Графики зависимости осадки от нагрузки (внизу) и график поворота консоли (вверху) в шестой серии экспериментов
Рис. 8. Графики зависимости осадки от нагрузки (внизу) и график поворота консоли (вверху) в седьмой серии экспериментов
По результатам исследований была подана заявка и получен патент на полезную модель № 40 333. Конструкция сборного ленточного фундамента с поворотом опорных плит представлена на рисунке 9.б.
 |  |
| а) конструкция фундамента (пат. № 32139). | б) конструкция фундамента (пат. №40 333). |
| Рис. 9. Конструкции полезных моделей ленточных фундаментов | |
Для изучения НДС основания в шестой и седьмой серии экспериментов были проведены дополнительные опыты с установкой в основании месдоз и построены эпюры напряжений, под железобетонными моделями ленточных фундаментов.
На начальных стадиях загружения эпюры напряжения имеют седлообразный характер. С увеличением нагрузки (p = 0,75pu), эпюры трансформируются в параболаобразные. C увеличением глубины z трансформация эпюр напряжений из седлообразных в параболообразные наступает раньше, уже при p = 0,5 pu.
Проведен сравнительный анализ результатов эпюр нормальных напряжений, полученных во всем интервале нагружения другими исследователями. Полученные автором результаты полностью соответствуют ранее полученным результатам исследований ленточных фундаментов Г.М. Скибина и Д.Н. Архиповым.
В пятой главе приводится сравнительный анализ проведенных экспериментов. Для этого результаты характерных опытов из каждой серии сведены в таблицу 4.
Таблица 4
Сравнение результатов проведенных экспериментов
| № | Номер серии | А, (м2) | П, м | pu, кН | su, мм |  , кПа | |
| 1.2 | Серия 1 | 0,376 | 2,832 | 7,53 | 357,0 | 7,95 | 950 |
| 2.2 | Серия 2 | 0,376 | 4,248 | 11,3 | 394,0 | 8,54 | 1042 |
| 3.1 | Серия 3 | 0,376 | 4,848 | 12,9 | 467,4 | 9,50 | 1243 |
| 4.4 | Серия 4 | 0,492 | 2,040 | 4,15 | 558.4 | 8.41 | 1135 |
| 5.4 | Серия 5 | 0,492 | 1,680 | 3,41 | 471 | 9,98 | 957 |
| 6.1 | Серия 6 | 0,8064 | 4,32 | 5,36 | 765 | 12.9 | 950 |
| 7.1 | Серия 7 | 0,8064 | 7,2 | 8,93 | 885 | 13.1 | 1097 |
где А – площадь модели фундамента; П – периметр модели фундамента, – отношение периметра модели фундамента к его площади.
Анализируя данные в таблице 4 можно сделать вывод, что с увеличением отношения периметра модели фундамента к его площади (), более полно используется несущая способность основания модели. Отмечено, что при 5 (опыты четвертой и пятой серии экспериментов), увеличение отношения на 22% приводит к увеличению критической нагрузки на 12%. При 5 10, (опыты шестой и седьмой серий экспериментов), увеличение периметра на 67% приводит к увеличению несущей способности модели на 17%. А при 10, (опыты первой, второй и третьей серий экспериментов), увеличение значения на 50% приводит к увеличению критической силы на 12%.
Таким образом, чем больше значение, тем меньше преимущество от изменения периметра модели фундамента. Согласно этому выводу построен график зависимости изменения несущей способности модели от отношения периметра фундамента к его площади, приведенный на рисунке 10.
 |  =>  ; |
 =>  ; | |
 =>  . | |
| Рис. 10. График изменения несущей способности основания от увеличения периметра фундамента | |
Согласно графику, изменение периметра 1, при 5 дает большее увеличение несущей способности P1, чем увеличение периметра 2, при 5 10, которое дает увеличение несущей способности P2.
Также в пятой главе выполнены расчеты предельного давления по подошве фундамента по первому и второму предельному состоянию. Вычислялось значение R для каждой модели фундамента (по формуле 7 СНиП 2.02.01-83*) и вычислялось значение Nu для каждой модели (по формуле 16 СНиП 2.02.01-83*). Проведенные расчеты показали, что расчетное сопротивление грунта R, которое представляет собой границу линейной зависимости осадки от нагрузки, в условиях эксперимента в 4,0-4,5 раза ниже границы линейной зависимости осадки от нагрузки, полученной экспериментально. Поэтому предложено проектировать новые конструкции сборных ленточных фундаментов на песчаном основании по I предельному состоянию, что даст лучшую сходимость с экспериментальными данными.
После выполнения экспериментальных исследований работы песчаного основания конструкций ленточных фундаментов с ломаным очертанием краевой зоны, было выполнено теоретическое моделирование в ПК Plaxis 3D Foundation. Поставленная задача моделирования формулировалась следующим образом: промоделировать в ПК Plaxis типы фундаментных плит с разными углами внутренних вырезов, определить оптимальную форму фундаментной плиты. При решении этой задачи вводились разные формы фундаментных плит с углами внутренних вырезов 60, 75, и 90. Формы фундаментных плит приведены в таблице 5, а габаритные размеры фундаментных плит оставались те же, что приведены на рисунке 4. Для сравнения так же была задана прямоугольная фундаментная плита размерами 480 х 240 мм. Все модели, кроме прямоугольной, имеют одинаковую площадь и загружены равномерно распределенной нагрузкой 100 кН (10 тонн).
Анализ проведенного численного эксперимента показал (таблица 6), что чем меньше угол внутренних вырезов, тем меньше осадка каждого слоя грунта, однако при этом увеличиваются значения нормальных напряжений, возникающих в грунте. С уменьшением угла вырезов, в работу вовлекается все больший объем грунта. У модели с угловыми вырезами 60 значения напряжений каждого слоя, начиная с глубины 10 см, такие же, как у прямоугольной модели фундамента, значения осадки каждого слоя меньше, при этом в работе участвует наибольший объем грунта.
Таблица 5
Результаты численного моделирования в ПК PLAXIS
| Глубина см. |  |  |  |  | ||||
| Перем. мм. | Напр. кПа | Перем. мм. | Напр. кПа | Перем. мм. | Напр. кПа | Перем. мм. | Напр. кПа | |
| 10 | 65 | 28 | 70 | 28 | 65 | 36 | 60 | 36 |
| 20 | 50 | 24 | 55 | 24 | 55 | 28 | 50 | 24 |
| 30 | 40 | 16 | 35 | 20 | 35 | 16 | 35 | 16 |
| 40 | 30 | 12 | 30 | 16 | 35 | 12 | 25 | 12 |
| 50 | 25 | 12 | 30 | 12 | 30 | 12 | 25 | 12 |
Численное моделирование подтвердило преимущество опорной плиты ленточного фундамента с угловыми вырезами 60 не только по сравнению с плитами, имеющими другие углы вырезов, но и по сравнению с прямоугольным фундаментом тех же размеров. На этом основании автором разработана номенклатура фундаментных плит с ломаным очертанием краевой зоны, составленная по примеру ГОСТ 13580-85 "Плиты железобетонные ленточных фундаментов. Технические условия", и которая может быть использована для стандартизации плит с треугольными вырезами. В номенклатуре приведены вариации плит по ширине от 1,2 до 1,8 м и по длине от 1,75 до 3,5 м. Также приведено варьирование по высоте крупных опорных плит от 0,3 до 0,4 м. Для большинства сборных опорных фундаментных плит, изготовление специальной опалубки не требуется, так как возможно применение опалубки для прямоугольных плит, уже имеющихся на заводах железобетонных изделий. Для этого в имеющуюся опалубку устанавливают деревянные вкладыши, по размерам треугольных вырезов. В остальных случаях требуется изготовление специальной опалубки с ломаным очертанием краевой зоны.
Автором разработана программа «Расчет ширины ленточного фундамента с ломаным очертанием краевой зоны». Данная программа позволяет быстро подобрать ширину прямоугольного ленточного фундамента не обращаясь к таблицам СНиП и имея только данные инженерно-геологических изысканий. Программа позволяет так же рассчитать ширину новых конструкций сборных ленточных фундаментов с ломаным очертанием краевой зоны, фундаментов состоящих из квадратных жестких штампов, ширину фундаментов с раздвижкой и поворотом опорных блоков. При этом программа позволяет выполнить расчет как по первому предельному состоянию (по формуле 16 СНиП 2.02.01-83*), так и по второму (по формуле 7 СНиП 2.02.01-83*). Так же возможен расчет ширины фундамента из условия максимально допустимой осадки по теории линейно деформированной среды. Выбор методики определения ширины ленточного фундамента остается за пользователем. В настоящее время подана заявка на получение свидетельства о регистрации разработки в отраслевой фонд алгоритмов и программ.
Область применения конструкций: согласно государственному стандарту ГОСТ 13580-85, градация размеров фундаментных плит от ширины 600 мм до ширины 1600 мм идет с шагом в 200 мм, а от ширины 1600 до ширины 3200 идет с шагом 400 мм. При выборе фундаментной плиты допускается недонапряжение конструкции до 15%, и перенапряжение до 5%. Если полученные проектировщиком значения выходят из указанной области, он должен переходить к следующему типоразмеру фундаментных плит. Однако в этом случае возникает недонапряжение конструкции и происходит перерасход бетона. Применение фундаментных плит с ломаным очертанием краевой зоны возможно в тех случаях, где имеется недонапряжение конструкции. Экономический эффект применения конструкции с ломаным очертанием опорной плит составляет 28%.
Применение ленточных фундаментов с поворотом опорных плит возможно в случае перенапряжения конструкции в пределах до 14 %. Для избегания перехода к большему типоразмеру фундаментной плиты. При ширине фундамента свыше 1600 мм это влечет значительные финансовые затраты производителя строительных работ, целесообразно будет применение конструкции фундамента с меньшим типоразмером фундаментных плит, но установленных с поворотом на угол 45° относительно продольной оси фундамента.
Конструкция сборного ленточного фундамента из квадратных железобетонных элементов, установленных с поворотом на угол 45, может быть применена при строительстве в сейсмически опасных районах (Ставропольский край, Краснодарский край, республики Северного Кавказа), где СНиП запрещает применение фундаментов с раздвижкой, а так же на размывных песках, там где возможно вымывание песчаного основания через зазоры между железобетонными элементами, установленными с раздвижкой.
Основные выводы
- Разработано три новых конструкции сборных ленточных фундаментов с ломаным очертанием опорной части. Указанные конструкции более полно используют несущую способность основания и защищены патентами на полезные модели.
- Экспериментально подтверждено увеличение несущей способности песчаного основания на 16 - 18% при повороте прямоугольных и квадратных опорных блоков-подушек ленточного фундамента на угол 45°.
- По результатам исследованийж, оптимальной формой опорных блоков-подушек ленточного фундамента с ломаным очертанием краевой зоны является форма с внутренним углом вырезов 60. Разработана номенклатура опорных блоков подушек ленточного фундамента с ломаным очертанием краевой зоны.
- Доказано увеличение несущей способности песчаного основания модели фундамента при увеличении периметра модели. Определена зависимость увеличения несущей способности основания от отношения периметра модели к его площади (график на рисунке 5.1).
- Выполнен расчет осадки моделей фундаментов в упругой стадии работы основания для нагрузок превышающих расчетное сопротивление R вплоть до предельной несущей способности основания. Получена сходимость расчетных и экспериментальных значений в пределах 15%.
- Разработана программа «Расчет ширины ленточного фундамента с ломаным очертанием краевой зоны», которая позволяет определять требуемую ширину новых разработанных конструкций сборных ленточных фундаментов.
- Результаты проведенных исследований использованы в проектной и строительной практике на строительном концерне ООО «Строймастер», г. Ростов-на-Дону, внедрены в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете и применены в ряде конкретных проектов в г. Новочеркасске.
Список опубликованных работ по теме диссертации:
а) Патенты на полезные модели и свидетельства:
1. Пат. 49543 Российская Федерация, МПК7 Е 02 D 29/02, Е 02 B 3/06. Подпорная стена [Текст] / Т. А. Крахмальный, Ю.Н. Мурзенко, С.И. Евтушенко, А.Ю. Мурзенко; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – № 2005121969; заявл. 11.07.2005; опубл. 27.11.2005, Бюл. № 33. – 3 с.
2. Пат. 50552 Российская Федерация, МПК7 Е 02 D 27/01. Ленточный фундамент [Текст] / Т. А. Крахмальный, Ю.Н. Мурзенко, С.И. Евтушенко, Е.Ю. Анищенко, Д.Н. Архипов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – № 2005119951; заявл. 27.06.2005; опубл. 20.01.2006, Бюл. № 02. – 3 с.
3. Пат. 55386 Российская Федерация, МПК E 02 D 27/01. Ленточный фундамент [Текст] / Т. А. Крахмальный, Ю.Н. Мурзенко, С.И. Евтушенко, А.Ю. Мурзенко; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – № 2005138664/22; заявл. 12.12.2005; опубл. 10.08.2006, Бюл. № 22. – 3 с.
4. Пат. 70522 Российская Федерация, МПК E 02 D 27/01. Подпорная стена [Текст] / Т. А. Крахмальный, Ю.Н. Мурзенко, С.И. Евтушенко, А.Ю. Мурзенко, А.В. Рыжов ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). – № 2007128406/22 ; заявл. 23.07.2007 ; 27.01.2008, Бюл. № 3. – 3 с.
5. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 10 258 Расчет размеров фундамента [Текст] / С. И. Евтушенко, Т. А. Крахмальный, А. А. Чумак, М. Н. Жадан ; Южно-Российский гос. техн. ун-т. – Рег. 25.03.2008; выдан 10.04.2008. – 1 с.
б) Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ:
6. Крахмальный, Т. А. Разработка новых конструкций протяженных фундаментов, эффективно использующих несущую способность основания [Текст] / Т. А. Крахмальный, С. И. Евтушенко // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер. Стр-во и архитектура. – 2008. – Вып. 10. – С. 122-127.
7. Крахмальный, Т. А. Влияние увеличения периметра ленточного фундамента на несущую способность основания [Текст] / Т. А. Крахмальный // Вестн. гражд. инженеров. – 2009. – № 2. – С. 109-112.
8. Крахмальный, Т. А. Изучение напряженного состояния основания по жесткими квадратными штампами [Текст] / С. И. Евтушенко, М. А. Шубин, В. Н. Синяков // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер. Стр-во и архитектура. – 2009. – Вып. 13. – С. 14-18.
9. Крахмальный, Т. А. Численное моделирование работы ленточного фундамента с ломаным очертанием опорной плиты [Текст] / С. И. Евтушенко, М. А. Шубин, В. Н. Синяков // Вестн. Волгогр. гос. архитектур.-строит. ун-та. Сер. Стр-во и архитектура. – 2009. – Вып. 13. – С. 24-30.
в) Работы, опубликованные в других изданиях и журналах:
10. Крахмальный, Т. А. Моделирование работы ленточного фундамента на песчаном основании [Текст] / Т. А. Крахмальный, С. И. Евтушенко // Студенческая научная весна : материалы LIII науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск, 2004. – С. 12.
11. Крахмальный, Т. А. Модель ленточного фундамента с ломаным очертанием опорной плиты [Текст] / Т. А. Крахмальный, С. И. Евтушенко // Актуальные проблемы строительства : материалы LIII науч.-техн. конф. проф.-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск, 2004. – С. 57-59.
12. Крахмальный, Т. А. Испытания модели ленточного фундамента с ломанным очертанием опорной плиты [Текст] / Т. А. Крахмальный, Ю. Н. Мурзенко, С. И. Евтушенко // Строительство – 2005 : материалы междунар. науч.-практ. конф. : [подсекции 1-10]. – Ростов н/Д, 2005. – С. 116-118.
13. Крахмальный, Т. А. Исследование работы основания в краевой зоне под фундаментами протяженных сооружений [Текст] / Т. А. Крахмальный [и др.] // Городские агломерации на оползневых территориях : материалы III Междунар. науч. конф., – Волгоград, 2005. – С. 148-150.
14. Крахмальный, Т. А. Экспериментальные исследования работы ленточного фундамента с ломаным очертанием опорной плиты [Текст] / Т. А. Крахмальный, С. И. Евтушенко, Ю. В. Галашев // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., г. Волгоград, 2005. - С. 57-61.
15. Крахмальный, Т. А. Краткий обзор опытных исследований ленточных фундаментов [Текст] / Т. А. Крахмальный [и др.] // Сб. ст. и сообщ. по материалам LV науч.-техн. конф. проф.-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов ун-та. – Новочеркасск, 2006. – С. 56-60.
16. Крахмальный, Т. А. Опытные исследования работы квадратных штампов в ленточном фундаменте [Текст] / Т. А. Крахмальный // Строительство – 2006 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Ростов н/Д, 2006. – С. 179-180.
17. Крахмальный, Т. А. Опытные исследования работы новых конструкций ленточных фундаментов [Текст] / Т. А. Крахмальный // Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений : II Акад. чтения им. проф. А. А. Бартоломея : тр. Междунар. конф. – Пермь, 2007. – С. 160-164.
18. Крахмальный, Т. А. Разработка новой модульной системы сборных ленточных фундаментов [Текст]/ Т. А. Крахмальный // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности "АСТИНТЕХ – 2008": материалы Междунар. науч. конф. – Астрахань, 2008. – С. 85-90.
