Прогноз несущей способности основания составного плитного фундамента
На правах рукописи
Бартоломей Игорь Леонидович
ПРОГНОЗ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ СОСТАВНОГО ПЛИТНОГО ФУНДАМЕНТА
Специальность 05.23.02 «Основания и фундаменты,
подземные сооружения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете
| Научный руководитель: | Доктор технических наук, профессор Богомолов Александр Николаевич |
| Официальные оппоненты: | Доктор технических наук, профессор Чикишев Виктор Михайлович, ректор ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»; Доктор технических наук, профессор Скибин Геннадий Михайлович, декан строительного факультета ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» (НПИ). |
| Ведущая организация: | Государственное унитарное научное предприятие «Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и производственный институт строительного комплекса Республики Башкортостан» (БашНИИстрой), г.Уфа |
Защита состоится «20» июня 2013 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
Автореферат разослан « 17 » мая 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Акчурин
Талгать Кадимович
Актуальность темы диссертации. В настоящее время одним из важнейших направлений в фундаментостроении является разработка приемов, позволяющих без дополнительных материальных затрат повышать полезные нагрузки на основание сооружения. Одним из таковых является использование составных плитных (ленточных) фундаментов. Об эффекте увеличения несущей способности оснований при использовании составных или прерывистых фундаментов отмечалось в работах Е.А. Сорочана, В.Г. Федоровского, М.И. Фидарова и др. Тем не менее, до настоящего времени окончательного решения этого вопроса не найдено. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка метода определения величины расчетного сопротивления и предельно-допустимой нагрузки на основание составного плитного фундамента, в зависимости от его геометрических параметров и физико-механических свойств грунта.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
- Обоснована необходимость решения задачи о развитии областей пластических деформаций в основании системы близко расположенных фундаментов.
- Разработана механико-математическая модель исследуемого объекта.
- На основе результатов компьютерного моделирования процесса образования и развития областей пластических деформаций построены графические зависимости и получены соответствующие аналитические аппроксимации, устанавливающие корреляционные связи между физико-механическими свойствами грунта основания, геометрическими параметрами фундаментов и величиной равномерно распределенной нагрузки, эквивалентной расчетному сопротивлению R основания.
- Разработан алгоритм и инженерный метод расчета величины интенсивности равномерно распределенной нагрузки q, эквивалентной величине расчетного сопротивления R основания составного плитного фундамента.
- Разработана компьютерная программа, в которой формализован предложенный метод расчета; базу данных программы составили результаты компьютерного моделирования; графические зависимости и коэффициенты их аналитических аппроксимаций.
- Проведено сопоставление результатов компьютерного моделирования с результатами исследований, проведенных независимо от нас, другими авторами, показавшее удовлетворительную сходимость сопоставляемых результатов при численных значениях величины коэффициента бокового давления, отвечающих рассмотренным типам грунтов.
- Выполнен многовариантный расчет составных фундаментов 16-ти этажного жилого дома расположенного по адресу ул. Ким, 14 в Мотовилихинском районе г. Перми. В результате этих расчетов предложен вариант фундамента, сооружение которого позволило получить экономический эффект в размере 6,5 млн. рублей.
Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлены:
- Теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения метода конечных элементов, теории упругости, пластичности, механики грунтов и инженерной геологии.
- Удовлетворительной сходимостью результатов численного моделирования процесса разрушения основания системы близко расположенных фундаментов с результатами теоретических исследований других авторов.
- Использованием при проведении расчетов верифицированных компьютерных программ, имеющих государственную регистрацию.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что
- выявлены и изучены закономерности трансформации полей напряжения и процесса образования и развития областей пластических деформаций в основании составного плитного фундамента в зависимости от расстояния между частями фундамента, величины интенсивности внешнего воздействия, физико-механических свойств грунта основания, включая величину коэффициента бокового давления грунта 0.
- построены графические зависимости, устанавливающие связи между физико-механическими свойствами грунта основания, геометрическими параметрами фундаментов и величинами равномерно распределенных нагрузок, эквивалентных расчетному сопротивлению R основания, а также их аналитические аппроксимации.
- предложены приемы, позволяющие ликвидировать неравномерность осадок частей составного фундамента, возникающих в связи с особенностями полей напряжений в основаниях таких фундаментов.
- разработан инженерный метод определения величины расчетного сопротивления R основания, включающий удобные для использования формулы и графики. Массив численных значений величины расчетного сопротивления R основания, при всех возможных сочетаниях численных значений переменных расчетных параметров, составил базу данных компьютерной программы, в которой формализован предложенный инженерный метод.
Полученные в процессе компьютерного моделирования графические зависимости, их аналитические аппроксимации и разработанная на их базе компьютерная программа могут быть использованы для:
- определения величин расчетного сопротивления и предельно допустимой нагрузки на основание системы двух близко расположенных плитных фундаментов;
- разработке мероприятий по увеличению, в случае необходимости, полезных нагрузок на основание без существенного увеличения площади фундаментов;
- восприятия достаточно больших полезных нагрузок плитными фундаментами в условиях плотной городской застройки;
- проведения мероприятий по ликвидации неравномерности осадок частей составного фундамента, возникающих в связи с особенностями полей напряжений в основаниях этих фундаментов;
- проведения учебного процесса (курсового и дипломного проектирования) на соответствующих кафедрах строительных вузов.
Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах: V международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2010 г.); международной конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь, 2011 г.); всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, 2012 г.); III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012 г.); Всеукраинский научно-практический семинар с участием иностранных специалистов «Современные проблемы геотехники» (Украина, Полтава, 2012 г.); на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.
Практическая значимость работы Диссертационная работа является часть научных исследований, проводимых на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в 2010-2013 г.г.
Используя разработанный инженерный метод рассчитаны и запроектированы фундаменты 16-этажного жилого дома в г. Перми.
Личный вклад автора заключается в:
- разработке механико-математической модели исследуемого объекта, расчетных схем МКЭ (размеры, вид, степень дискретизации) и определение адекватных граничных условий;
- проведение численного моделирования процесса образования и развития областей пластических деформаций в основании составного плитного фундамента, обработке и анализе полученных данных;
- разработке инженерного метода расчета величины интенсивности равномерно распределенных нагрузок эквивалентных расчетному сопротивлению R основания составного плитного фундамента;
- непосредственном участии в разработке компьютерной программы, реализующей инженерный метод расчета;
- разработке приемов по ликвидации неравномерностей осадок частей составного фундамента, возникающих в связи с особенностями полей напряжений в основаниях этих фундаментов;
- внедрении результатов диссертационной работы в строительную практику.
На защиту выносятся:
- Механико-математическая модель и расчетные схемы МКЭ.
- Вновь выявленные закономерности процесса развития областей пластических деформаций в основании системы двух близко расположенных плитных фундаментов.
- Инженерный метода определения величины расчетного сопротивления R основания системы двух близко расположенных плитных фундаментов, включающий базу данных и разработанную на их основе компьютерную программу.
- Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.
Результаты научных исследований внедрены:
-при расчетах, проектировании и строительстве фундаментов 16-этажного жилого дома в г. Перми.
-в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 научных статьях, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, присутствующие в Перечне ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы, из 115 наименований и 2 приложений. Общий объем работы - 163 страницы машинописного текста, в том числе 128 страниц основного текста, содержащего 89 иллюстраций и 4 таблицы.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета за помощь и поддержку при работе над диссертацией.
Особую благодарность выражаю научному руководителю, заслуженному работнику высшей школы РФ, советнику РААСН, доктору технических наук, профессору Богомолову А.Н. за ценные советы и замечания, постоянную помощь во время работы над диссертацией.
Краткое содержание работы
В первой главе приведен обзор работ, в которых рассмотрены вопросы методики расчетов и проектирования близко расположенных и прерывистых фундаментов, а также вопросы трансформации полей напряжений и перемещений, возникающих при учете взаимного влияния фундаментов.
Большое количество теоретических работ посвящено рассмотрению вопросов совместной работы различных видов фундаментов с грунтовым основанием. Это работы: А.А. Бартоломея, Л.А. Бартоломея, А.Н. Богомолова, А.К. Бугрова, В.З. Власова, С.С. Вялова, М.И. Горбунов-Посадова, А.Л. Готмана, Б.И. Долматова, Б.Н. Жемочкина, Ю.К Зарецкого, В.А. Ильичева, С.Н. Клепикова, В.М. Лиховцева, М.В. Малышева, А.А. Мустафаева, Г.М. Скибина, В.И. Соломина, Е.А. Сорочана, З.Г. Тер-Мартиросяна, В.М. Улицкого, А.Б. Фадеева, В.М. Чикишева, О.Я. Шехтера, В.Н. Широкова, И.Ю. Эстрина, П.И. Яковлева и др.
Результаты экспериментальных исследований взаимодействия фундаментов и оснований приведены в работах А.А. Бартоломея, С.В. Довнаровича, К.Е Егорова, А.П. Криворотова, Г.Е. Лазебника, Ю.Н. Мурзенко, С.А. Ривкина, В.С. Рижинашвили, В.Ф. Сидорчука, В.К. Федорова и др.
Проблемам взаимодействия прерывистых фундаментов с основанием посвящены работы Е.Ф. Винокурова, А.В. Пилягина, Е.А. Сорочана, В.Г. Федоровского, М.И. Фидарова и др.
Во второй главе приведены результаты численного моделирования процесса развития областей пластических деформаций в основании составного плитного фундамента. Для проведения исследования разработана механико-математическая модель, составлены расчетные схемы МКЭ и определены адекватные граничные условия. Показано, что НДС основания одиночного фундамента в значительной степени отличается от НДС основания системы двух близко расположенных плитных фундаментов.
Размеры механико-математической модели метода конечных элементов (МКЭ) и соответствующие расчетные схемы приведены в диссертации, а фрагмент одной из этих расчетных схем - на рис. 1. Схема состоит из 62500 треугольных конечных элементов, сопряженных в 31626 узлах, при этом ширина матрицы жесткости системы равна 256.
 | При расчетах принято, что грунт, составляющий однородное связное основание, имеет удельный вес равный =20,0кН/м3, значения угла внутреннего трения изменяются в интервале  , а приведенного давления связности -  , где d=[1;6;12;24](м) - ширина неразрезанного фундамента. |
| Рис. 1. Фрагмент расчетной схемы |
Расстояние между фундаментами при проведении расчетов принималось равным d=[0;0,2;0,4;0,6]d.
При обработке результатов расчета все величины имеющие размерность напряжений выражены через d, а все линейные размеры - через d.
Известно, что несущая способность основания двух близко расположенных фундаментов зависит от их ширины, расстояния между ними и физико-механических свойств грунта – все эти положения были подтверждены в результате исследований. Установлено, что при постепенном уменьшении расстояния между фундаментами существует такое его максимальное значение, при котором такая система фундаментов начинает работать как отдельно стоящий фундамент. При этом расчетное сопротивление R основания будет больше, чем расчетное сопротивление R основания сплошного одиночного фундамента, такой же ширины. В связи с этим возникла идея использовать указанный эффект при устройстве плитных фундаментов, делать их составными, а зазор между ними использовать в различных целях, например, для прокладки коммуникаций или устройства температурных швов.
В результате вычислений, выполненных при помощи компьютерной программы «Устойчивость. Напряжено-деформируемое состояние» (всего проведено более 1600 вариантов расчетов), построены графические зависимости вида 
, позволяющие определить глубину развития областей пластических деформаций в основании под фундаментом, как функцию физико-механических свойств грунта основания (в том числе коэффициента бокового давления грунта 0) и геометрических параметров фундамента, в том числе, и расстояния между его частями d. Последний параметр особенно важен, т.к. результаты численного моделирования говорят о его существенном влиянии на процесс образования и развития областей пластических деформаций под краями фундамента.
Выбор в качестве исследуемой величины Z обоснован тем, что нормативными документами установлено определение величины расчетного сопротивления R основания как силы, при достижении которой ОПД развиваются до глубины Z=0,25d. Известно так же, что величина расчетного сопротивления R весьма незначительно отличается от предельно допустимой нагрузки.
На рис. 2а в качестве примера приведено изображение областей пластических деформаций в однородном и изотропном основании составного плитного фундамента, при проведении одного из вариантов расчета, а так же часть графических зависимостей рис. 2 (б-г).
 |  |
| а) | б) |
 |  |
| в) | г) |
Рис.2. Области пластических деформаций в основании составного плитного фундамента (а); графические зависимости вида  при q=3 кг/см2,d=6 м и d=0,6d (б); при q=2 кг/см2, d=12 м и d=0,4d (в); при q=6 кг/см2, d=24 м и d=0,4d (г); | |
Оказалось, что все полученные кривые, в том числе и приведенные на рис. 2, с погрешностью, составляющей от 0,1% до 16%, могут быть аппроксимированы функциональной зависимостью вида:
, (1)
где: A и B – безразмерные коэффициенты.
Численные значения коэффициентов A и B сведены в таблицу, по данным которой построены графические зависимости вида 
для всех рассмотренных значений переменных расчетных параметров, что позволяет очень быстро использовать формулу (1).
 |  |
| а) | г) |
 |  |
| б) | д) |
 | Рис. 3. Кривые зависимостей вида  при q=1кг/см2 (а); q=1,8кг/см2(б); q=3кг/см2 (в); q=4кг/см2 (г) и q=6кг/см2 (д) (коэффициенты А определяются в зависимости величины d, коэффициент В от d не зависит) |
| в) |
Следует отметить, что погрешность графической аппроксимации не превышает 0,4% - 15%.
В третьей главе приведен инженерный метод определения величины расчетного сопротивления R основания одиночного и составного плитного фундамента, а так же проведена их формальная алгоритмизация.
В таблице 1 в качестве примера приведены численные значения глубины развития областей пластических деформации, которые являются исходными данными для построения графических зависимостей вида 
, часть из которых приведена в главе 2, а основная часть всего 52 таблицы - помещена в приложении №1 диссертационной работы.
Численные значения величин Z* приведенные в этих таблицах составили базу данных компьютерной программы, использование которой позволяет быстро и с высокой степенью точности вычислять значения величин расчетного сопротивления R основания и интенсивности равномерно распределенного внешнего воздействия, эквивалентной предельно допустимой нагрузки на основание. Причем, эти вычисления могут быть проведены при достаточном для инженерной практики диапазоне изменения переменных расчетных параметров.
 | Таблица 1
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис.4. Блок-схема программы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В четвертой главе диссертационной работы делается попытка разработки предложений о компенсации неравномерности осадок различных частей составного плитного фундамента, вызываемых неоднородным полем напряжений в его основании.
На рис. 5 приведены картины изолиний напряжений в основании составного плитного фундамента при различных расстояниях между фундаментами.
 а) |  б) |  в) |
 г) |  д) |  е) |
 ж) |  з) |  и) |
 к) |  л) |  м) |
Рис. 5. Изолинии вертикальных z (а), горизонтальных x (б), касательных zx (в) напряжений при d=0; изолинии вертикальных z (г), горизонтальных x (д), касательных zx (е) напряжений при d=0,4d; ; изолинии вертикальных z (ж), горизонтальных x (з), касательных zx (и) напряжений при d=0,8d; ; изолинии вертикальных z (к), горизонтальных x (л), касательных zx (м) напряжений при d=1,2d.
Нами проведен анализ НДС составного плитного фундамента, в зависимости от расстояния между его частями, результаты которого позволяют говорить о том, что при постепенном увеличении расстояния между фундаментами со временем их взаимное влияние исчезает, картины изолиний напряжений, перемещений и форма и размеры областей пластических деформаций принимают вид, характерный для одиночного фундамента.
На рис. 6 приведен график изменения глубины развития областей пластических деформаций под краями одного из фундаментов при рассматриваемых в работе численных значениях переменных расчетных параметров в зависимости от расстояния между близко расположенными фундаментами.
Из этого рисунка видно, что для рассматриваемых в работе условий области пластических деформаций в основании фундамента будут иметь одинаковую глубину развития при d1,5d
Как было сказано выше, различная скорость развития областей пластических деформаций в основании каждого, из входящих в систему фундаментов, определяет неравномерность их осадок, которая может превысить допустимые значения. Для того, чтобы исключить этот эффект нами предлагается подход, заключающийся в замене внешней равномерно распределенной нагрузки, передаваемой на фундамет, другой, закон изменения интенсивности которой может быть описан простой функциональной зависимостью. Установлено, что в качестве таковой можно использовать кусочно-линейную функцию, но при этом должно выполняться условие неизменности главного вектора внешней нагрузки.
Рис. 6. Кривые зависимости 
для областей пластических деформаций, возникающих под краями левого фундамента
Оказалось, что для рассмотренных в настоящей работе численных значений переменных расчетных параметров обеспечить равномерность осадок фундаментов можно, если при 
закон изменения внешней нагрузки описывается кусочно-линейной зависимостью (2), которая на полуинтервале 
вырождается в линейную (3).
(2)
. (3)
 а) |  б) |
| Рис. 7. Графики для определения коэффициентов, входящих в формулы (2) и (3) | |
На рис. 8 проиллюстрировано последнее утверждение. Как видно из этих рисунков, глубина развития областей пластических деформаций под обоими краями составных фундаментов в соответствующих точках основания для обоих рассмотренных случаев практически одинакова.
 а) |  б) |
Рис.8. Область пластических деформаций в основании двух близко расположенных плитных фундаментов половинной ширины d1=d2=0,5d, на рис. а) при d=0,8d перераспределении внешней нагрузки по кусочно-линейному закону с соблюдением условия неизменности величины ее главного вектора, на рис. б) при d=1,2d перераспределении внешней нагрузки по линейному закону с соблюдением условия неизменности величины ее главного вектора.
В практике проектирования и устройства фундаментов используются методы усиления основания, которые заключаются в повышении деформационных свойств грунтов. К методам, позволяющим достичь желаемого результата, можно отнести: цементацию, силикатизацию, устройство свайных полей, уплотнение, замачивание и др.
Поэтому естественно было предположить, что выравнивание осадок оснований двух близко расположенных плитных фундаментов можно путем увеличения модуля общей деформации грунта при помощи одного из перечисленных методов.
Для количественной оценки этого эффекта проведены расчеты осадок фундаментов, при условии, что d=0.4d, q=6d, h=0.6d, l=0.4d и 
на 40%.
Ниже приведены расчетная схема, картины изолиний вертикальных перемещений и главных напряжений, а так же графики зависимости осадок точек основания после его частичного усиления.
 а) |  в) |
 б) |  г) |
Рис.9. Расчетная схема с частичным усилением (а), эпюры осадок фундаментов при равномерно распределенной нагрузке (б), при изменении нагрузки по линейному закону (в), при изменении нагрузки по кусочно-линейному закону (г)
Расчетами установлено, что интенсивность компонент напряжений, возникающих при всех прочих равных условиях, в частично усиленном и естественном основаниях отличается не более чем на 5%. Поэтому ниже представлены картины изолиний напряжений только в частично усиленном основании.
 а) |  е) |
 б) |  ж) |
 в) |  з) |
 г) |  и) |
 д) | Рис.10. Изолинии вертикальных z (а), горизонтальных x (б), касательных zx (в) напряжений при равномерно распределенной нагрузке; изолинии вертикальных z (г), горизонтальных x (д), касательных zx (е) напряжений при линейной нагрузке; изолинии вертикальных z (ж), горизонтальных x (з), касательных zx (и) напряжений при кусочно-линейной нагрузке |
Анализ графиков осадок показывает, что при увеличении на 40% модуля деформации в выделенных областях основания (рис. 9а) снижаются осадки в соответствующих точках от 1,7% до 8,6%.
В пятой главе проведено сопоставление результатов, получаемых по предлагаемой нами методике с результатами вычислений, выполненных на основе решений полученных другими авторами. Здесь же приведен многовариантный расчет составных фундаментов 16-ти этажного жилого дома расположенного по адресу ул. Ким, 14 в Мотовилихинском районе г. Перми.
В качестве примеров для проведения сопоставительных расчетов выбраны расчетные методики, приведенные в работах В.Г. Федоровского, И.Я. Лучковского и А.В. Самородова.
Пример 1. В.Г. Федоровским при определении величины предельно допустимой нагрузки на связное основание «периодического» фундамента рассматривается невесомая грунтовая среда, подчиняющаяся закону Кулона, и не наделенная каким-либо значением коэффициента бокового давления о (работа обозначена под номером [88] библиографического списка диссертации).
В наших исследованиях рассматривается весомая Кулоновская среда, наделенная сцеплением С, углом внутреннего трения и любым из возможных в природе численным значением коэффициента бокового давления грунта о.
Рассмотрим два параллельных незаглубленных фундамента. Пусть d1=0,5м, угол внутреннего трения =30°, св=4, боковая пригрузка отсутствует (q=0).
Тогда вторая из формул (3), приведенных в работе Федоровского В.Г., примет вид
. (4)
Подставляя в это выражение соответствующие численные значения, и приводя вычисления, получим, 
=2,145м.
Воспользуемся приведенной в работе Федоровского В.Г. формулой (7) общей аппроксимирующей функцией 
и вычислим величину критического расстояния по формуле (8), приведенной в этой публикации
(5)
Получим 
=0,4068м.
Обратимся к расчетной схеме, при условии, что приведенное давление связности св=4 и угол внутреннего трения =30° (рис. 11). Выпор грунта из под фундамента может произойти при значении 
, так как величина коэффициента устойчивости, вычисленная нами для данной расчетной схемы по наиболее вероятной поверхности выпора, равна К=1,02. Для рассматриваемого случая в обозначениях работы Федоровского В.Г. расчетное значение np=acr/b=0,4068(м)/0,5(м)=0,8137.
 а) |  б) | |
 в) |  г) | |
| Рис.11. Расчетная схема, углы ориентации наиболее вероятных площадок сдвига (а), изолинии вертикальных z (б), горизонтальных x (в) и касательных xz (г). напряжений | ||
Полученное значение n, отличается от вычисленного по формулам работы Федоровского В.Г. значения, всего на 1,7%.
Воспользуемся теперь первой формулой из формул (3) работы Федоровского В.Г. для вычисления величины 
(6)
Проведя вычисления, получим значения величины NcC=6,962МПа. Учитывая рекомендации работы Федоровского В.Г. при q=0 и a>aPr имеем величину предельно допустимой нагрузки Pu=NcC=6,962МПа.
Нами при помощи компьютерной программы «Устойчивость. Напряжено-деформируемое состояние», проведены вычисления предельно-допустимой нагрузки для условий, совпадающих с условиями рассмотренного выше примера. Оказалось, что при величине коэффициента бокового давления о=0,75 величина интенсивности равномерно распределенной нагрузки нагрузки эквивалентной несущей способности основания равна qпд=6,9МПа, что лишь на 0,8% отличается от значения полученного по формулам приведенным в работе В.Г. Федоровского. Если о=0,55, то отличие составляет 38%, а если о=0,35 - 64%.
Пример 2. В работе И.Я.Лучковского и А.В.Самородова (работа обозначена под номером [51] библиографического списка диссертации) приведены графики, по которым можно определить величину расчетного сопротивления основания R составного плитного фундамента, сложенного идеально сыпучим грунтом (С=0) удельного веса =18,0кН/м3 при условии, что величина коэффициента бокового давления грунта о=1 (гидростатический закон распределения горизонтальных напряжений, т. е. z=x). Причем, эти графики представляют собой кривые, определяющие зависимость вида R/R0=f(a/b) при различных значениях угла внутреннего трения [20о-45°], при этом 
, т.е. Rо – расчетное сопротивление основания отдельно стоящего фундамента шириной b при всех прочих равных условиях. Также отметим, что, по нашему мнению, сочетание значений С=0 и о=1 скорее всего невозможно в реальных условиях.
Расчетная схема для решения задачи приведена на рис. 12, а результат решения задачи в виде упомянутых уже графиков, приведен на рис. 13.
В результате проведенных расчетов построены графические зависимости, аналогичные приведенным в рассматриваемой работе, для случая, когда рассматривается процесс развития ОПД под внешними и «внутренними» краями фундаментов и при условии, что определяющим величину расчетного сопротивления является процесс развития ОПД, происходящий только под внешними краями фундамента.
Разница состоит в том, что мы учли тот факт, что с ростом нагрузки и изменением величины расстояния между частями фундамента а, области пластических деформаций будут развиваться как под внешними, так и под внутренними краями фундаментов, а интенсивность развития этих ОПД будет разной. Кроме того, наши расчеты выполнены для весомого основания при двух значениях величины коэффициента бокового давления о=0,75 и о=0,99, но при тех же прочих условиях, что и в работе И.Я.Лучковского и А.В.Самородова.
Рис. 12. Расчетная схема для решения задачи об определении расчетного сопротивления основания составного плитного фундамента (Цитируется по работе И.Я. Лучковского и А.В. Самородова)
Рис.13. Графические зависимости вида R/R0=f(a/b) при о=1. (Цитируется по работе И.Я. Лучковского и А.В. Самородова)
В соответствии с определением величины расчетного сопротивления основания будем считать, что максимально допустимая глубина развития ОПД для внешних краев состоящего из двух частей плитного фундамента равна Zmax=(2b+a)/4, а для внутренних – Zmax=b/4 (см. рис. 14).
 а) |  б) |
| Рис. 14. Расчетная схема и максимально допустимая глубина развития областей пластических деформаций под внешними (а) и внутренними (б) краями составного плитного фундамента (Цитируется по работе И.Я. Лучковского и А.В. Самородова) | |
На рис. 15 изображены графические зависимости вида R/R0=f(a/b), которые построены с учетом оговоренных выше условий.
 а) |  б) |
Рис.15. Графические зависимости вида R/R0=f(a/b), при учете развития зон разрушения под «внутренними» краями фундамента, на а) при о=0,75, на б) при о=0,99.
Сравнивая численные значения величины отношения R/Rо, определяемые для одинаковых условий по графикам, приведенным на рис. 13 и 15 б), можно сказать, что максимальная разница этих значений не превышает 26%. Это обстоятельство легко объяснимо тем, что в работе И.Я. Лучковского и А.В. Самородова рассматривается невесомое основание.
Внедрение. Используя предложенный подход к увеличению несущей способности оснований, выполнен многовариантный расчет фундаментов под 16-этажный жилой дом.
Основываясь на результатах анализа инженерно-геологических условий площадки строительства, предложены четыре варианта фундаментов здания: фундаментная плита на естественном основании; фундаментная плита с усилением основания инъекцией цементного раствора на глубину 4,5 м; составной плитный фундамент на естественном основании; составной плитный фундамент с усилением основания инъекцией цементного раствора на глубину 4,5 м;
Расчетом установлено, что при заданных проектных нагрузках от сооружения, под плитным фундаментом на естественном основании нет областей пластических деформаций, поэтому мы подобрали составной фундамент из условия, что общая ширина фундамента не увеличится и общий вектор нагрузки на части фундамента останется такой же.
Используя предложенный подход, найдена ширина составных фундаментов и такое расстояние между ними, при котором средние осадки составного фундамента остались прежними (как и осадки целого плитного фундамента на естественном основании), при условии, что давление по подошве приближается к расчетному сопротивлению R основания.
При усилении основания средние осадки составного фундамента меньше средних осадок этих же фундаментов на естественном основании на 9,1%.
Расчеты показывают, что на усиленном основании под составным фундаментом не возникают области пластических деформаций. Для данного случая были подобраны такие размеры фундаментов и расстояние между ними, чтобы средние осадки составного фундамента соответствовали средним осадкам цельной плиты, при усиленном основании, и давление по подошве было близко к расчетному сопротивлению грунта R.
В результате выполненных расчетов из нескольких вариантов составных фундаментов был выбран оптимальный. Для данного фундамента давление по подошве не превышает расчетного сопротивления грунта R, а экономия материалов достигает 52% по сравнению с цельным плитным фундаментом на усиленном основании, что в денежном выражении составляет приблизительно 6,5 млн. рублей.
Общие выводы по работе
- Использование системы плитных фундаментов, взамен одиночного эквивалентной ширины, позволяет значительно повысить расчетное сопротивление R основания, без сколько-нибудь существенного увеличения материальных и трудовых затрат при проведении работ нулевого цикла. Увеличение значения R может составлять от 8% до 30%, в зависимости от физико-механических свойств грунтов основания и геометрических параметров фундамента.
- Разработана компьютерная программа, базу данных которой составили экспериментальные кривые вида
и численные значения коэффициентов их аналитических аппроксимаций. Данная программа позволяет определять величину расчетного сопротивления R основания составного плитного фундамента для всех возможных сочетаний численных значений переменных расчетных параметров, рассмотренных в диссертационной работе. - Разработаны предложения по регулированию неравномерных осадок отдельных частей составного плитного фундамента, возникновение которых обусловлено различной интенсивностью процесса развития областей пластических деформаций под внутренними и внешними краями фундаментов, составляющих систему. Для обеспечения равномерности осадок следует определенным образом перераспределить нагрузки, передаваемые на составной фундамент, либо усилить определенные области в активной зоне фундамента, либо выполнить оба из этих действий. Как показали наши исследования, увеличение на 40% модуля деформации грунта основания под внешними краями фундаментов позволяет уменьшить величины осадок на 10-15% и более.
- Сопоставление величин расчетного сопротивления основания составного плитного фундамента, полученных другими авторами, с соответствующими результатами вычислений, выполненных нами, показывает их удовлетворительную сходимость. Так, например, значения величины R, приведенные в работе В.Г. Федоровского, отличаются от соответствующих значений, полученных нами, на 0,8% при величине коэффициента бокового давления о=0,75, на 38% - при о=0,55, и на 64%, если о=0,35. Максимальное отличие величин R, полученных И.Я. Лучковским и А.В. Самородовым для невесомого основания при условии, что о=1,0, от аналогичных значений, полученных нами при условии, что 0, составляет 26%.
- Величина коэффициента бокового давления грунта оказывает существенное влияние на результаты вычислений значений R. Установлено, что практически любой из результатов, взятый для сравнения при проведении сопоставительных расчетов, может быть получен на основе используемой нами методики и анализа напряженного состояния грунтового массива при определенном значении о.
- Использование результатов исследований, приведенных в диссертационной работе, и верифицированной программы «Устойчивость. Напряжено-деформируемое состояние», позволило выполнить многовариантный расчет составных фундаментов под 16-ти этажный жилой дом, расположенный по адресу ул. Ким, 14 в Мотовилихинском районе г. Перми. В итоге запроектирован и исполнен составной плитный фундамент на частично усиленном основании, что позволило снизить материальные и трудовые затраты при проведении работ нулевого цикла на 52%; в денежном эквиваленте это составляет 6,5 млн. рублей. Учитывая выше сказанное, считаем возможным рекомендовать результаты настоящего диссертационного исследования для использования в строительной практике.
Всего автором опубликовано 13 статей, из них по теме диссертационной работы – 10, три из которых в рецензируемых научных журналах и изданиях.
Работы по тематике диссертации, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:
- Особенности напряженно-деформированного состояния грунтового основания составного плитного фундамента состояния / И. Л. Бартоломей [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. - Вып. 28 (47). - С. 36-46.
- Несущая способность связного основания составного плитного фундамента / И. Л. Бартоломей [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - Вып. 30 (49). - С. 27-38.
- К вопросу о взаимном влиянии близко расположенных параллельных незаглубленных ленточных (плитных) фундаментов на связном основании / И. Л. Бартоломей [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. - Вып. 30 (49). - С. 50-70.
Публикации по тематике диссертации в других изданиях, материалах конференций:
- Обеспечение равномерной осадки основания составного плитного фундамента / И. Л. Бартоломей [и др.] // Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении : Всерос. науч.-техн. конф., 7-8 июня года, Новочеркасск – Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2012. – С. 128-133.
- Области пластических деформаций в основании составного плитного фундамента / И. Л. Бартоломей [и др.] // Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении : Всерос. науч.-техн. конф., 7-8 июня года, Новочеркасск – Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2012. – С. 165-168.
- Бартоломей, И. Л. Регулирование осадок составного плитного фундамента при помощи перераспределения внешней нагрузки / И. Л. Бартоломей // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы III Междунар. науч.-техн. конф., 10-12 апреля 2012 г., Волгоград. – Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. – С. 210-214.
- Бартоломей, И. Л. Предложение о регулировании осадок основания близ расположенных фундаментов, путем улучшения физико-механических свойств грунта / И. Л. Бартоломей, С. А. Богомолов // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы III Междунар. науч.-техн. конф., 10-12 апреля 2012 г., Волгоград. – Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. – С. 220-225.
- Компьютерная программа для расчета предельных нагрузок на основание составного плитного фундамента : информ. л. о науч.-техн. достижении № 34-067-12 / И. Л. Бартоломей [и др.]. - Волгоград : ЦНТИ, 2012. 3 с.
- Сопоставление результатов расчета предельно допустимой нагрузки для основания составного плитного фундамента / И. Л. Бартоломей [и др.] // Збiрник наукових праць полтавського нацiонального технiчного унiверситету iменi юрiя кондратюка. Серiя: Галузеве машинобудування, будiвництво. Випуск 4 (34). – Полтава : ПолтНТУ, 2012. – С. 37-41.
- Компьютерная программа «PLITA2013-1» для расчёта несущей способности однородного основания составного плитного фундамента : информ. л. о науч.-техн. достижении № 34-023-13 / И. Л. Бартоломей [и др.]. - Волгоград : ЦНТИ, 2013. 3 с.
Бартоломей Игорь Леонидович
ПРОГНОЗ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ СОСТАВНОГО ПЛИТНОГО ФУНДАМЕНТА
05.23.02 Основания и фундаменты,
подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 13.05.13 г. Заказ № 60 Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0
Формат 60 х 84 1/16
Бумага писчая. Печать плоская.
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
400074, Волгоград, ул. Академическая, 1.
Отдел оперативной полиграфии.
