На правах рукописи
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГОРИЗОНТАЛЬНО НАГРУЖЕННЫХ ФУНДАМЕНТОВ В УПЛОТНЕННОМ ОСНОВАНИИ
Специальность 05.23.02 – «Основания и фундаменты, подземные сооружения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа - 2008
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
ГОТМАН Альфред Леонидович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
РЫЖКОВ Игорь Борисович;
кандидат технических наук
БЫКОВ Виктор Иванович.
Ведущая организация: Пермский Государственный технический университет
Защита состоится _18 декабря_____2008 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу:
г. Уфа, ул. .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Автореферат разослан «_14_»_____ноября_________2008 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Традиционной тематикой научных исследований в области фундаментостроения в России в последние четыре десятилетия являлось свайное направление. И это было вполне оправдано, так как в большинстве регионов интенсивно развивалось строительство промышленных сооружений со значительными нагрузками на колонну, сооружались многоэтажные жилые дома, все чаще для строительства использовались площадки со сложными неблагоприятными инженерно-геологическими условиями. Все это приводило к увеличению объемов свайных фундаментов, которые в данных условиях являются наиболее надежным решением.
В последнее время произошли изменения в структуре фундаментостроения. Наметилась тенденция уменьшения объёма забивных свай, массовое применение находят фундаменты из монолитного бетона (монолитные плиты, сборные и монолитные ленточные фундаменты и т. п.). Поэтому дальнейшее развитие фундаментостроения на ближайшую перспективу будет осуществляться в направлении решения научных задач в области совершенствования конструкций фундаментов из монолитного бетона.
В фундаментостроении развиваются направления, в которых сочетаются тенденции применения монолитного бетона и искусственно улучшенного основания. В рамках этого направления разработана технология возведения фундаментов в вытрамбованных котлованах (ФВК) путём предварительного уплотнения основания в виде вытрамбовки котлованов глубиной 2-4 м с втрамбованием в основание котлована щебня и бетонирования в этом котловане фундамента.
При проектировании фундаментов каркасных зданий и сооружений возникает необходимость их расчёта на действие горизонтальной нагрузки. Такие конструкции, как одиночные опоры под технологическое оборудование и трубопроводы, опоры стоечного типа и др., по условиям своей работы требуют точного расчета на действие горизонтальных нагрузок.
Анализ литературных источников и практический опыт проектирования и применения таких фундаментов показал, что существующие методы расчета ФВК на горизонтальную нагрузку не вполне отражают действительного характера совместной работы фундамента с грунтом основания. Отсутствуют экспериментально обоснованные предложения по расчету ФВК переменного по глубине сечения с уширенным основанием, образованным путем втрамбования в грунтовое основание щебня, а предлагаемые методы расчета дают существенные расхождения с опытными данными.
Поэтому исследование закономерностей и особенностей совместной работы фундамента с уширением и грунтов основания и разработка метода расчета несущей способности горизонтально нагруженного ФВК является актуальным.
Объект исследования – горизонтально нагруженные фундаменты в вытрамбованных котлованах с уширенным основанием в глинистых грунтах.
Предмет исследования – комплексное экспериментально-теоретическое исследование НДС системы «горизонтально нагруженный ФВК с уширением – основание».
Цель работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей совместной работы горизонтально нагруженного ФВК с уширением и грунтового основания, разработка метода расчета ФВК на горизонтальную нагрузку.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
– исследовать закономерности формирования НДС системы «горизонтально нагруженный ФВК-основание» в зависимости от объема уширения в различных грунтовых условиях;
– с помощью численных исследований получить деформационную схему горизонтально нагруженного ФВК и оценить влияние уширения на величину перемещения уширенного основания фундамента при различном объеме втрамбованного щебня;
– выполнить оценку достоверности полученных с помощью численных исследований закономерностей НДС горизонтально нагруженных ФВК путем сопоставления с результатами испытаний натурных фундаментов;
– на основании оценки и анализа результатов численных и экспериментальных исследований натурных ФВК в полевых условиях построить расчетную схему и разработать методику расчета ФВК с уширением образованным втрамбованием щебня на горизонтальную нагрузку, в том числе с использованием статического зондирования;
– осуществить внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства.
Научная новизна диссертационной работы.
1. Экспериментально установлены особенности формирования НДС системы «горизонтально нагруженный ФВК – основание» в зависимости от объема уширения в различных грунтовых условиях.
2. Получены деформационные схемы горизонтально нагруженных ФВК в зависимости от объема втрамбованного щебня и грунтовых условий и выполнена оценка влияния уширенного основания фундамента на величину перемещения.
3. Разработана методика расчета горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием образованным втрамбованием щебня, в т. ч. с использованием статического зондирования.
Достоверность результатов работы обеспечивается проведением экспериментальных исследований с применением современного электронного оборудования и тензометрической аппаратуры, использованием общепринятых положений теории упругости и пластичности в области механики грунтов и фундаментостроения.
Практическая значимость и реализация работы.
Практическая значимость состоит в разработке метода расчета горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием, в том числе с использованием статического зондирования.
Результаты исследований внедрены при проектировании здания «Автосалона и станции технического обслуживания автомобилей» в г. Пензе, что позволило снизить материалоемкость на 40% и уменьшить трудозатраты в 3,6 раза. Экономический эффект составил 120 тысяч рублей в базовых ценах 1991 г.
Результаты выполненных исследований были использованы при вариантном проектировании фундаментов на слабых и просадочных грунтах «Управлением научных исследований, экспертизы, планирования и внедрения» при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (СИБСТРИН). Использование предложенной методики расчета горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием позволило более точно прогнозировать несущую способность таких фундаментов и оптимизировать технические решения по их устройству.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научной конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2005); Х и XI Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, УГНТУ, 2006 и 2007); Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию «БашНИИстроя» (Уфа, 2006); Международной научно-технической конференции «Геотехнические проблемы строительства, реконструкции и восстановления надежности зданий и сооружений (Липецк, 2007); Международной конференции «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (Пермь, 2007).
Личный вклад автора состоит:
– в проведении численного моделирования совместной работы горизонтально нагруженного ФВК и грунтового основания и выполнении анализа полученных результатов;
– в выполнении оценки достоверности полученных с помощью численных исследований закономерностей НДС горизонтально нагруженных ФВК путем сопоставления с результатами испытаний натурных фундаментов;
– в проведении теоретических исследований и разработке метода расчета горизонтально нагруженных ФВК, в том числе с использованием статического зондирования.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научные консультации, помощь и поддержку в проведении исследований доктору технических наук, профессору , а также сотрудникам лаборатории исследований и расчётов фундаментов института «БашНИИстрой».
На защиту выносятся: результаты экспериментально-теоретических исследований горизонтально нагруженных ФВК с уширением в различных грунтовых условиях и метод расчёта горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием, в том числе с использованием статического зондирования.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в т. ч. в 2-х изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и 3-х приложений. Диссертационная работа содержит 159 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 147 наименований, в т. ч. 11 на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и приведена общая характеристика работы.
В первой главе приведен анализ и обобщение современных данных о взаимодействии фундаментов в вытрамбованных котлованах с основанием.
Начиная с конца 60-х годов XX века, возникло новое направление в области фундаментостроения – это устройство фундаментов в уплотненном грунте. Сущность этого метода заключается в использовании уплотненной зоны грунта, которая образуется при возведении фундамента. В пределах этой зоны улучшаются прочностные и деформационные характеристики грунта. Нагрузка, приложенная к фундаменту, вначале передается на уплотненный грунт, затем – на грунт природного сложения. Такая схема работы фундамента позволяет значительно повысить несущую способность грунтов основания. Одним из наиболее перспективных направлений в этом отношении является устройство ФВК.
Фундаменты в вытрамбованных котлованах являются одними из наиболее эффективных типов фундаментов каркасных зданий и сооружений. Применение ФВК вместо традиционных видов фундаментов в среднем дает снижение сметной стоимости в 2,1 раза, трудозатрат в 2,4 раза, расхода бетона в 1,75 раза, цемента в 1,35 раза, арматурной стали в 2,9 раза, резко уменьшается объем земляных работ и почти полностью исключается расход пиломатериалов под опалубку. При этом сокращается в 2-3 раза продолжительность нулевого цикла.
ФВК по конструкции, форме и геометрическим параметрам имеют некоторую аналогию со сваями пирамидальной формы. Поэтому исследования ФВК базировались на огромном опыте применения свайных фундаментов. Наибольший вклад в изучение работы свайных фундаментов с окружающим массивом грунта внесли следующие ученые: , , H. Brandl, J. B.Burland, P. Bermingham, , , , J. Moscowitz, , , M. Randolf, , K. Flemihg, P. Frank, и другие.
Наибольший вклад в в разработку и практическое внедрение ФВК внесли следующие организации: ВНИИОСП им. Н.М. Герсеванова, ЦНИИОМТП, ЦНИИЭПсельстрой, НИИОСП Госстроя Украины, ИСиА Госстроя Белорусии, Пензенский ГАСИ, Пермский ГТУ, Полтавский ТУ, СПбГАСУ и др., а также учёные: , , , и др.
Исходя из удобства технологии вытрамбовывания котлована для ФВК форма трамбовки принята с уменьшающимся по глубине поперечным сечением (по аналогии с пирамидальной сваей). Пирамидальная форма фундамента с развитым поперечным сечением в верхней части способствует эффективной работе в грунте на вертикальную и горизонтальную нагрузки. Опыт показывает, что такие фундаменты наилучшим образом распределяют нагрузку от здания и вовлекают в работу наибольший объем грунта.
При использовании ФВК в качестве одиночных фундаментов под колонны каркасных зданий и сооружений, как правило, необходимо выполнять расчет фундаментов на горизонтальную нагрузку и изгибающий момент. Поэтому возникает задача разработки метода расчета горизонтально нагруженных ФВК для прогнозирования величин усилий в фундаменте и его деформаций, с тем, чтобы они не превышали предельно допустимых значений. Решение этих задач позволит получить оптимальное и экономичное решение фундамента.
Наиболее распространенной и широко применяемой является расчетная схема с использованием теории местных деформаций и решением задачи о балке на упругом основании, на основе которой разработаны многочисленные практические методы расчета, применяемые до настоящего времени. Применительно к сваям задачу расчета на горизонтальную нагрузку решали следующие исследователи: , , , Р. Мише, Г. Рамасами, и др. Разнообразие полученных методов расчета обусловлено различными подходами к определению основного расчетного параметра – коэффициента постели и закономерностей его изменения по глубине.
Общим недостатком рассмотренных методов расчета является высокая степень идеализации расчетных схем, принятие целого ряда допущений и упрощений, которые серьезно влияют на снижение достоверности полученных расчетом результатов. Как правило, расчетные характеристики грунта представляются математическими символами без рекомендаций по их определению для практических расчетов.
В известных методах расчета ФВК на горизонтальную нагрузку отсутствует экспериментальное обоснование учета в расчетной схеме уширенного основания образованного путем втрамбования в основание жесткого сыпучего материала (щебня или гравия). Отсутствуют предложения по использованию данных статического зондирования.
На основании проведенного обзора были сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе приведены методика, планирование и результаты численных исследований взаимодействия горизонтально нагруженных ФВК с грунтом основания.
В настоящее время существует большое разнообразие численных методов. К ним можно отнести различные вариационные методы (метод Ритца, метод наименьших квадратов и т. д.), метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод граничных элементов.
Наиболее эффективным и широко применяемым методом является метод конечных элементов (МКЭ). Достоинствами МКЭ по сравнению с другими методами являются гибкость и разнообразие сеток, стандартные приемы построения дискретных задач для произвольных областей, простота учета естественных краевых условий и т. д. Кроме того, математический анализ МКЭ является более простым, его методы применимы к более широкому классу исходных задач, а оценки погрешностей решений, как правило, получаются при менее жестких ограничениях. Поэтому МКЭ в настоящее время является одним из наиболее эффективных методов расчета НДС в различных задачах механики грунтов.
Для приближения теоретического решения к реальному поведению грунтовой среды выполнено численное исследование НДС взаимодействия грунтового основания и горизонтально нагруженного ФВК с учетом образования и развития зон пластических деформаций во всем диапазоне изменения нагрузки на фундамент. При решении поставленных задач использовался геотехнический расчетный комплекс PLAXIS, реализующий метод конечных элементов.
На основе анализа известных результатов экспериментов различных авторов были запланированы численные исследования, в которых определяющими факторами, влияющими на перемещение горизонтально нагруженных ФВК, были выбраны:
– характеристики грунта с, j, Е (глинистые грунты);
– глубина вытрамбованного котлована h;
– объем втрамбованного щебня Vщ.
Каждый фактор, определяемый методом априорного ранжирования, должен иметь число дискретных уровней. Для расчета оснований зданий и сооружений можно принять значения прочностных и деформационных характеристик грунтов согласно СНиП 2.02.01-83*. Таким образом, характеристики грунта основания имеют 3 уровня (типа):
1) I тип грунтовых условий с = 30 кПа, j = 180, Е = 15 МПа;
2) II тип грунтовых условий с = 20 кПа, j = 160, Е = 12 МПа;
3) III тип грунтовых условий с = 10 кПа, j = 140, Е = 9 МПа.
Глубина вытрамбованного котлована имеет 2 уровня h = 3 м и h = 4 м.
Объем втрамбованного щебня имеет 4 уровня: Vщ = 0; Vщ = 1м3; Vщ = 2м3; Vщ = 3м3.
В расчетах использовались также следующие характеристики грунта: удельный вес g = 18,0 кН/м3; коэффициент Пуассона n = 0,3.
Для расчетов был принят фундамент пирамидальной формы, имеющий размеры в верхнем сечении 1,0х1,0 м, в нижнем - 0,3х0,3 м.
Расчеты производились в условиях плоской задачи. На основании выполненного литературного обзора и известных результатов экспериментов была разработана расчетная схема горизонтально нагруженного ФВК с учетом уплотненной зоны.
Расчетная схема разбивалась на 4 области с различными характеристиками: 1 – фундамент; 2 – грунты природного сложения; 3 – грунты в уплотненной зоне вокруг фундамента; 4 – уширенное основание из втрамбованного щебня.
Граничные условия в принятой схеме принимались согласно следующим правилам: по контуру верхней границы перемещения не ограничиваются (Ux¹0, Uу¹0); по вертикальным границам перемещения ограничиваются в горизонтальном направлении Х (Ux=0, Uу¹0); по нижней границе перемещения отсутствуют (Ux=0, Uу=0). В расчетах использовались 2 модели: линейная упругая модель для моделирования работы материала фундамента и упругопластическая модель с критерием текучести Кулона – Мора. Для моделирования контакта ФВК с грунтом использовались специальные линейные элементы, позволяющие учитывать трение боковой поверхности фундамента о грунт. Разбивка расчетной области на конечные элементы проводилась автоматически с локальным измельчением сетки. Ступени нагрузок подбирались программой автоматически в зависимости от заданной степени точности.
В результате численных исследований были получены и проанализированы основные параметры НДС системы «горизонтально нагруженный ФВК – основание».
Из характера полученного распределения главных напряжений в грунтовом основании горизонтально нагруженных ФВК следует что, зона с максимальными значениями главных напряжений возникает на глубинах 1,5-1,8 м (1,5-1,8d) перед передней плоскостью фундамента и простирается на глубину под углом примерно 450 на расстояние до 1 м (1d) от фундамента.
Увеличение физико-механических характеристик грунта повышает сопротивление горизонтальной нагрузке в большей степени для коротких ФВК (LФВК=3 м). С увеличение длины ФВК с 3 до 4 м изменение характеристик грунта позволяет увеличить значение сопротивления грунта действию горизонтальной нагрузки на 10-15%.
С увеличением объема втрамбованного щебня до 3 м3 наблюдается увеличение горизонтального сопротивления грунта. Из сопоставления зависимостей «горизонтальная нагрузка – перемещение» для ФВК глубиной 3 и 4 м следует, что объем втрамбованного материала оказывает более существенное влияние на короткие фундаменты. Для ФВК с глубиной 4 м увеличение сопротивления ФВК горизонтальной нагрузке с увеличением объема втрамбованного щебня наблюдается при перемещениях более 6-10 мм. Из полученных результатов следует, что с улучшением характеристик грунтового основания уменьшается влияние объема втрамбованного щебня на сопротивление горизонтально нагруженного ФВК. При увеличении глубины ФВК с 3 до 4 м влияние объема втрамбованного материала уменьшается практически в 2 раза.
Исследование глубины расположения точки нулевых перемещений (т. н.п.) показали, что для ФВК без втрамбованного щебня (Vщ=0) при нагрузке 0,6-0,8Но т. н.п. расположена в уровне подошвы фундамента, с увеличением горизонтальной нагрузки т. н.п. поднимается от подошвы на 0,5-1,0 м. Для ФВК с втрамбованным щебнем (Vщ¹0) максимальная глубина т. н.п. достигается при нагрузке 0,8Но и расположена ниже уровня подошвы уширения. С увеличением горизонтальной нагрузки глубина расположения т. н.п. начинает уменьшаться, располагаясь в уровне подошвы фундамента.
Результаты численных исследований показали, что на сопротивление фундамента горизонтальной нагрузке и деформационную схему большое влияние оказывает наличие и размер уширенного основания. При принятии расчетной схемы горизонтально нагруженного ФВК необходимо учитывать объем уширенного основания.
В результате выполненных численных исследований получена качественная картина взаимодействия горизонтально нагруженного ФВК с грунтовым основанием. Для получения количественных значений и окончательного принятия расчетной схемы горизонтально нагруженного фундамента были обработаны и проанализированы результаты натурных испытаний ФВК.
Третья глава диссертации содержит результаты натурных полевых экспериментальных исследований горизонтально нагруженных ФВК, проведенных на трех опытных площадках с различными инженерно-геологическими условиями.
На всех опытных площадках производились отбор монолитов грунта для определения их физико-механических характеристик и статическое зондирование установкой С-832М, оснащенной зондом II типа.
Первая площадка (опытный полигон в Северо-Западном районе г. Челябинска) представлена делювиально-аллювиальными глинами с карбонатными включениями, полутвердой консистенции до глубины 4 м, аллювиальными глинами полутвердой консистенции до глубины 8 м. Площадка характеризуется наличием грунтовых вод, вскрытых на глубине 4 м от поверхности грунта. Относительным водоупором водоносного горизонта являются аллювиальные глины полутвердой консистенции, обладающие меньшей водопроницаемостью по сравнению с вышележащими глинами.
Вторая площадка (силосный склад сульфата натрия на «Уфанефтехим» в г. Уфе) представлена четвертичными делювиальными отложениями в виде суглинков от тугопластичной до полутвердой консистенции мощностью от 1,1 до 1,9 м, подстилаемыми суглинками мягко - и текучепластичной консистенции мощностью 1,0-1,8 м, полутвердыми и тугопластичными суглинками с максимальной мощностью 16,5 м. Подземные воды при бурении скважин вскрыты на глубинах от 2,0 до 2,2 м.
Третья площадка (корпус 4.2 опытного химзавода в п. Ново-Александровка в г. Уфе) представлена отложениями пермской, неогеновой и четвертичной систем. До глубины 11,0 м грунты представлены суглинками четвертичными, тугопластичными, объединяющие суглинки и глины полутвердой и тугопластичной консистенции. Ниже 11,0 м залегает глина уфимская полутвердая, объединяющая глины полутвердой и твердой консистенции мергелистые, выветренные с тонкими прослоями слабо сцементированного песчаника. Гидрогеологические условия участка характеризуются развитием водоносного горизонта на глубинах от 1,6 до 5,7м.
Устройство опытных ФВК производилось с помощью навесного оборудования на базе крана РДК-25, состоящего из направляющей штанги двутаврового сечения с опорной пятой и трамбовки. В качестве рабочего органа при вытрамбовывании котлованов применялись трамбовки двух типов. Основные параметры опытных фундаментов приведены в таблице.
Таблица. Основные характеристики опытных ФВК
№ площадки (местораспо-ложение) | Марка фунда-мента | Геометрические размеры трамбовки, м | Объем втрам-го щебня, м3 | ||
по верху | по низу | длина | |||
1 (г. Челябинск) | ФВК-1 ФВК-2 ФВК-3 | 1,3х1,12 | 0,55х0,48 | 2,8 | 1,5 1,0 0 |
2 (г. Уфа) | ФВК-4 | 1,1х1,1 | 0,6х0,6 | 3,0 | 4,4 |
3 (г. Уфа) | ФВК-5 | 1,0 |
Результаты статических испытаний опытных фундаментов представлены на рис.1 в виде графиков «горизонтальная нагрузка-перемещение».
Зависимости «горизонтальная нагрузка-перемещение» имеют ярко выраженный нелинейный характер. Линейная часть зависимостей наблюдается только при перемещениях в уровне поверхности грунта до 2-3 мм. При этом стабилизация перемещений имеет место в достаточно большом диапазоне перемещений (до 24-28 мм), т. е. значительно больших, чем допускается нормами. Вместе с тем из-за больших поперечных размеров фундамента и наличия армирования практически невозможен его изгиб, т. е. фундамент работает как «жесткий», поворачиваясь в грунте без изгиба. Из этого следует, что нелинейность графика «нагрузка-перемещение» проявляется только за счет нелинейной работы грунтового основания.
Рис. 1. Зависимость «горизонтальная нагрузка-перемещение»
Анализ результатов испытаний выполненных на опытной площадке №1 показывает, что с увеличением объема втрамбованного щебня сопротивление ФВК горизонтальной нагрузке возрастает. Так, при объеме втрамбованного щебня в дно котлована от 0 (ФВК-3) до 1,5 м3 (ФВК-1) происходит повышение сопротивления фундамента горизонтальной нагрузке на 53%.
Определенное напряженно-деформированное состояние с помощью мессдоз давления, установленных на боковой поверхности ФВК без уширенного основания (ФВК-3) показало, что контактные напряжения на боковой поверхности фундамента растут равномерно, по мере увеличения горизонтальной нагрузки. При этом характер их распределения свидетельствует о том, что фундамент работает по «жесткой» схеме.
Из анализа зависимостей «глубина расположения т. н.п. – относительная горизонтальная нагрузка» следует, что глубина расположения т. н.п. является не постоянной и зависит от величины горизонтальной нагрузки и объема втрамбованного щебня. Так, у фундамента без втрамбованного щебня т. н.п. располагается на глубине 0,5lф (где lф - глубина ФВК) (рис.2а). При наличии уширенного основания с увеличением горизонтальной нагрузки до значений, равных 0,8Но, т. н.п. снижается к уровню подошвы фундамента, затем по мере увеличения нагрузки начинает несколько подниматься и при достижении предельной горизонтальной нагрузки (1,2Но) наблюдается вновь ее снижение (рис.2б).
а)
б)
Рис.2. Зависимость «глубина расположения т. н.п. – относительная горизонтальная нагрузка» горизонтально
нагруженного ФВК-3 (а) и ФВК-4 (б)
- по испытанию; - расчет по PLAXIS
Оценка возможности применения для проектирования горизонтально нагруженных ФВК программного комплекса PLAXIS показала, что результаты расчетов существенно отличаются от данных испытаний натурных фундаментов по получаемым значениям горизонтальной нагрузки и перемещению (расхождение составляет до 66%).
Из полученных результатов экспериментов следует, что при построении расчетной схемы горизонтально нагруженного ФВК за критерий предельного состояния следует принимать некоторую предельную величину деформации основания, т. е. следует решать задачу определения горизонтального перемещения ФВК. При этом в расчетной схеме следует предусмотреть учет влияния объема втрамбованного щебня. Прочность ФВК при этом считается обеспеченной при соответствующем его армировании.
В четвертой главе сформулированы основные положения расчетной схемы горизонтально нагруженных ФВК и разработан на этой основе метод расчета таких фундаментов на горизонтальную нагрузку.
Основные положения разработанного метода расчета горизонтально нагруженных ФВК следующие.
1. Деформированную схему горизонтально нагруженного ФВК можно представить в виде заглубленного в грунт абсолютно жесткого стержня, поворачивающегося вокруг некоторой точки.
2. В качестве расчетной модели грунтового основания принимается модель местных деформаций, в которой расчетным параметром основания является коэффициент постели.
3. Общее сопротивление ФВК действию горизонтальной нагрузки формируется сопротивлением грунта по боковой поверхности с противоположной стороны от действующей горизонтальной нагрузки и сопротивлением грунта в области уширенного основания, величина которого зависит от объема втрамбованного щебня.
4. В связи с тем, что ФВК применяются с уширенным основанием, при этом горизонтально нагруженный фундамент взаимодействует с грунтом основания на значительную глубину, в расчетной схеме следует учитывать многослойность основания. При этом расчетные параметры грунта целесообразно определять с использованием данных статического зондирования.
Расчетная схема горизонтально нагруженного ФВК представлена на рис.3.
Важным моментом при принятии расчетной схемы горизонтально нагруженного ФВК является наличие уширенного основания. Результаты выполненных исследований показали, что уширенное основание оказывает существенное влияние на сопротивление перемещению горизонтально нагруженного ФВК. Для учета влияния уширенного основания введено понятие коэффициента уширения kуш, который доложен быть kуш ≤ 1 и определяться зависимостью
kуш = 
, (1)
где 
- фактический объем втрамбованного щебня, м3;
- оптимальный объем втрамбованного щебня, м3.
а) б)
Рис.3. Расчетные схемы горизонтально нагруженного ФВК
без уширения (а) и с уширением (б)
За принят объем, создающий максимальный диаметр уширения, принимаемый в соответствии с СП равным 2dн (где dн – диаметр трамбовки в нижнем сечении).
Из условия равновесия действующих и реактивных сил были получены формулы для определения перемещений и усилий в фундаменте при принятых граничных условиях
z = l , Ml = 0 , Ql = P kуш, (2)
где P – реактивная сила, возникающая от сопротивления уширения, определяемая по формуле (3).
kуш – коэффициент уширения, определяемый по формуле (1).
. (3)
Физический смысл kуш заключается в следующем. При kуш=0 (уширение отсутствует) имеет место расчетная схема, представленная на рис.3а. При kуш=1 (максимальный объем уширения) имеет место расчетная схема показанная на рис.3б, при этом в граничных условиях (2) добавляется ul=0, а Р≠0 и определяется по формуле (3). При промежуточных значениях 0<kуш >1 ul ≠0 и Р=0.
Коэффициенты I1 ¸ I5 определяются по формулам
I1=12А-6Вx ; I2=4Сx - 6В ; I3=4С - 3Dx ; I4=I1l + I2 ; I5=I2l+I3 (4)
А = 
Czi ( zi - zi-1 ) ; В = Czi ( z2i - z2i-1 ) ; (5)
С = Czi ( z3i - z3i-1 ) ; D = Czi ( z4i - z4i-1 ) ,
где zi и zi-1 - расстояние от расчетной поверхности грунта до подошвы и кровли i-го слоя грунта, м.
. (6)
Коэффициент постели Cz определяется по формуле
, (7)
где 
(8)
m - количество точек зондирования;
qi - сопротивление i-го слоя грунта под наконечником зонда по данным статического зондирования со стабилизацией установкой С-832, кН/м2.
diср - средний размер стороны сечения фундамента в i - ом слое грунта, м.
Основным фактором, определяющим криволинейность графиков «горизонтальная нагрузка-перемещение» является нелинейность работы грунтового основания. Показано, что при нагрузке на фундамент в пределах до 0,3Но (где Но – нагрузка при перемещении сваи в уровне поверхности грунта 0,01 м) зависимость между нагрузкой и перемещением носит линейный характер, а с увеличением нагрузки происходит искривление. Для построения расчетной зависимости «горизонтальная нагрузка-перемещение» предлагается использовать метод последовательных приближений, заключающийся в пересчете коэффициента постели на каждой итерации по напряжениям и перемещениям фундамента.
Разработанный метод расчета реализован на ЭВМ, и выполнены сопоставления расчетных данных с результатами статических испытаний опытных фундаментов. Расхождение результатов расчетов с использованием статического зондирования составляет в среднем -14,2%.
Пятая глава посвящена рекомендациям по проектированию горизонтально нагруженных ФВК и практическому внедрению полученных результатов.
ФВК рассчитывается на горизонтальные нагрузки как жесткий стержень пирамидальной формы, заглубленный в многослойное основание с постоянными в пределах отдельных слоев коэффициентами постели, определяемыми по данным статического зондирования грунтов. Разделение основания на слои производится согласно данным статического зондирования. Расчетная величина коэффициента постели i-го слоя грунта с использованием данных статического зондирования грунтов определяется по формуле (7).
Первоначально расчет горизонтально нагруженного ФВК выполняется в линейной стадии и определяются перемещения uо, угол поворота yo фундамента в уровне поверхности грунта и усилия в фундаменте – значения изгибающих моментов и поперечных сил по глубине фундамента.
Для построения графика «горизонтальная нагрузка-перемещение» выполняется расчет с использованием метода последовательных приближений, заключающийся в пересчете коэффициента постели на каждой итерации по напряжениям и перемещениям фундамента.
С целью автоматизированного проектирования фундаментов в вытрамбованных котлованах разработана программа расчета на горизонтальную нагрузку с использованием данных статического зондирования грунтового основания «FGN».
Исходные данные для расчета по программе «FGN» включают:
- действующие нагрузки;
- геометрические размеры фундамента;
- данные статического зондирования или модуль деформации грунта.
В результате выполненного расчета определяются перемещение фундамента в уровне поверхности грунта и возникающие усилия (изгибающий момент и поперечная сила) по глубине фундамента. Для построения зависимости «горизонтальная нагрузка-перемещение» приводятся значения перемещений в уровне поверхности грунта uо в зависимости от величины горизонтальной нагрузки Но.
В результате использования выполненных исследований для оценки НДС оснований горизонтально нагруженных фундаментов при проектировании здания «Автосалона и станции технического обслуживания» в г. Пензе позволило снизить материалоемкость на 40% и уменьшить трудозатраты в 3,6 раза. Экономический эффект составил 120 тыс. руб. в базовых ценах 1991 г.
Использование результатов выполненных исследований при вариантном проектировании фундаментов на слабых и просадочных грунтах «Управлением научных исследований, экспертизы, планирования и внедрения» при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (СИБСТРИН) позволило более точно прогнозировать несущую способность таких фундаментов и оптимизировать принятые технические решения по их устройству.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Анализ совместной работы фундаментов и их оснований показал, что наиболее рациональным конструктивным решением фундамента в технико-экономическом отношении являются фундаменты в вытрамбованных котлованах, которые выполняют две функции. При забивке они уплотняют подстилающий и окружающий грунт, создавая уплотненное основание, и передают на него нагрузку от здания или сооружения.
2. Численными исследованиями установлено, что для ФВК, имеющих пирамидальную форму ствола при действии горизонтальной нагрузки, область максимального сопротивления основания располагается в верхней части фундамента. При наличии уширения в основании ФВК также формируется дополнительное сопротивление в нижней части фундамента. Из этого следует, что для горизонтально нагруженных ФВК наиболее эффективной формой является пирамидальная с уширенным основанием.
3. В результате проведенных численных исследований с помощью программного комплекса PLAXIS было получено, что параметры НДС системы «горизонтально нагруженный ФВК - основание» зависят от грунтовых условий основания и объема втрамбованного щебня. На величину горизонтального сопротивления ФВК первостепенное влияние оказывают грунтовые условия, объем втрамбованного щебня и глубина ФВК.
4. Исследования деформационной схемы горизонтально нагруженного ФВК и глубины расположения т. н.п. показали, что для ФВК без втрамбованного щебня (Vщ=0) при нагрузке 0,6-0,8Но т. н.п. расположена в уровне подошвы фундамента, с увеличением горизонтальной нагрузки т. н.п. поднимается от подошвы фундамента на 0,5-1,0 м. Для ФВК с втрамбованным щебнем (Vщ¹0) максимальная глубина расположения т. н.п. достигается при нагрузке 0,8Но и т. н.п. расположена ниже уровня подошвы уширения. Затем, с увеличением горизонтальной нагрузки глубина расположения т. н.п. начинает уменьшаться, располагаясь в уровне подошвы фундамента.
5. Сопоставление полученных с помощью численных исследований закономерностей НДС горизонтально нагруженных ФВК с результатами испытаний натурных фундаментов показало, что результаты расчетов с помощью программного комплекса PLAXIS количественно существенно отличаются от данных испытаний натурных фундаментов по получаемым значениям горизонтальных нагрузок и перемещениям (расхождение значений достигает 66%).
6. На основании результатов численных и экспериментальных исследований горизонтально нагруженных ФВК выбрана модель грунтового основания – модель местных деформаций, построена расчетная схема, и разработана методика расчета горизонтально нагруженных ФВК с уширенным основанием. При этом коэффициент постели может определяться как с использованием модуля деформации грунта, так и с использованием данных статического зондирования. Для учета влияния уширенного основания в расчетные формулы введено понятие коэффициента уширения kуш.
7. С целью автоматизации расчетов при проектировании фундаментов в вытрамбованных котлованах разработана программа расчета на горизонтальную нагрузку с использованием данных статического зондирования грунтового основания «FGN».
8. Практическое внедрение фундаментов в вытрамбованных котлованах на площадке строительства здания автосалона и станции технического обслуживания автомобилей в г. Пензе позволило снизить материалоемкость на 40% и уменьшить трудозатраты в 3,6 раза. Экономический эффект составил 120 тыс. руб. в базовых ценах 1991 г.
Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных статьях, две из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (помечены знаком *):
1*. Шеменков, работы горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах с окружающим грунтом / , , // Вестник ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура. – 2008. – Вып.11(30). – С.9-14.
2*. Шеменков, взаимодействия горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах с грунтом основания и их расчет с использованием зондирования / // Известия КГАСУ. – 2008. - № 2. – С. 17-20.
3. Шеменков, моделирование взаимодействия горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах с окружающим грунтом / , // Городские агломерации на оползневых территориях: материалы III межд. научной конф., 14-16 декабря 2005 г., – Волгоград. – Ч.1. – С. 106–109.
4. Шеменков, напряженно-деформированного состояния горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах / // Проблемы строительного комплекса России : материалы Х Междунар. науч.-техн. конф. при Х Междунар. специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство – 2006». – Т. 1. – Уфа : изд-во УГНТУ, 2006. – С. 89.
5. Шеменков, деформаций грунтового массива вокруг фундамента в вытрамбованном котловане / , // Проблемы механики грунтов и фундаментостроения в сложных грунтовых условиях : тр. Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 50-летию БашНИИстроя. Том 1. Свайные фундаменты. Экспериментально-теоретические исследования и практика проектирования. – Уфа, 2006. – С. 165–171.
6. Шеменков, М. Ю. К расчету горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах по данным статического зондирования / // Проблемы строительного комплекса России : материалы ХI Междунар. науч.-техн. конф. при ХI Междунар. специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство – 2007». – Т. 1. – Уфа : изд-во УГНТУ, 2007. – С. 70–72.
7. Шеменков, совместной работы горизонтально нагруженного фундамента в вытрамбованном котловане с основанием / // Геотехнические проблемы строительства, реконструкции и восстановления надежности зданий и сооружений : материалы Междунар. науч.-техн. конф. 26-28 июня 2007. – Липецк : ЛГТУ, 2007. – С. 172–177.
8. Шеменков, работы фундаментов в уплотненном основании и их расчет с использованием зондирования / // тр. Междунар. конф. «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» II Академические Чтения им. профессора . – Пермь : ПГТУ, 2007 – С. 231–237.
9. Шеменков, характеристик грунта при расчете фундаментов в вытрамбованных котлованах по данным статического зондирования / , // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли : материалы Междунар. науч.-техн. конф. – Тюмень : ТюмГНГУ, 2007. – С. 95–100.
10. Шеменков, деформационной схемы горизонтально нагруженного фундамента в вытрамбованном котловане с уширенным основанием / , // Тр. ин-та БашНИИстрой. – 2008.- Вып. 76. – С. 15-21.
