Оценка несущей способности оснований щелевых фундаментов на основе анализа напряженного состояния грунтового массива и экспериментальных данных (стр. 1 )

На правах рукописи

ИВАНОВ АНТОН АНДРЕЕВИЧ

ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЙ ЩЕЛЕВЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

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:	кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты:	Доктор технических наук, профессор , ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени , профессор кафедры «Промышленное, гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение»
	кандидат технических наук, доцент , ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, доцент кафедры «Строительство»
Ведущая организация:	Государственное унитарное научное предприятие Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и производственный институт строительного комплекса Республики Башкортостан (БашНИИстрой) г. Уфа

Защита состоится «19» декабря 2013 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:

г. Волгоград, ул. , ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Акчурин

Талгать Кадимович

В В Е Д Е Н И Е

Актуальность темы диссертации. Несущая способность основания щелевого фундамента складывается из несущей способности по его подошве и по его боковой поверхности. Кроме сил сопротивления, обусловленных внутренним трением и сцеплением грунта, по боковой поверхности и по подошве фундамента действуют дополнительные силы сопротивления, возникающие за счет: проникновения водно-коллоидного цементного раствора вглубь грунта и последующего его твердения с образованием тонкого грунтово-цементного слоя с кристаллическими связями; расширения бетона, содержащего расширяющийся портландцемент, при твердении. Необходимость учета этих сил, делает задачу о совершенствовании методов расчета несущей способности оснований щелевых фундаментов актуальной.

Цель диссертационного исследования сформулирована следующим образом:

Разработать инженерный метод расчета несущей способности щелевого фундамента, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива методами теории функций комплексного переменного и конечных элементов и экспериментального определения суммарных сил трения и сцепления между боковой поверхностью фундамента и вмещающим массивом грунта непосредственно на строительной площадке в реальных инженерно-геологических условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.  Провести анализ существующих методов расчета несущей способности основания щелевых фундаментов и технической литературы, на основе которого определить интервалы изменения переменных расчетных параметров для проведения численного эксперимента.

2.  Разработать механико-математическую модель и определить численные значения коэффициентов отображающей функции, обеспечивающие конформное отображение полуплоскости с вырезом при заранее заданных величинах отношения ширины его основания к глубине (2b/h).

3.  Провести компьютерное моделирование процесса образования и развития областей пластических деформаций под подошвой щелевого фундамента, по результатам которого получить графические зависимости и их аналитические аппроксимации, позволяющие определять величину расчетного сопротивления и предельно допустимую нагрузку при условии учета только подошвы фундамента. Разработать компьютерную программу-калькулятор для автоматизации этого процесса.

4.  Разработать и получить охранный документ на полезную модель устройства для определения в полевых условиях суммарных сил трения и сцепления, действующих по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента - грунтовый массив».

5.  Разработать механико-математическую модель и провести компьютерное моделирование процесса трансформации напряженного состояния и образования и развития областей пластических деформаций в основании двух щелевого фундамента методом конечных элементов. Получить графические и аналитические зависимости размеров ОПД от физико-механических свойств грунта, размеров фундамента и интенсивности внешнего воздействия. Предложить инженерный метод расчета несущей способности двух щелевого фундамента, формализовав его в компьютерную программу – калькулятор.

6.  Провести экспериментальные исследования процесса образования и развития областей пластических деформаций под подошвой щелевого фундамента, а полученные результаты сопоставить с результатами аналитических исследований.

7.  Осуществить внедрение результатов диссертационного исследования в строительную практику.

Достоверность результатов диссертационного исследования, его выводов и рекомендаций обоснованы:

1.  Рабочими гипотезами, опирающимися на фундаментальные положения линейной теории упругости (методы теории функций комплексного переменного и конечных элементов), теории пластичности, инженерной геологии, грунтоведения и механики грунтов;

2.  Использованием в качестве инструментария при теоретических исследованиях верифицированных компьютерных программ, зарегистрированных в государственном реестре программного обеспечения;

3.  Удовлетворительной сходимостью результатов экспериментов по определению критических нагрузок для моделей оснований щелевых фундаментов, выполненных из эквивалентных материалов, с результатами сопоставительных расчетов реальных грунтовых массивов при адекватных значениях коэффициента бокового давления грунта с поведением этих объектов в природе.

4.  Патентом РФ на полезную модель.

5.  Результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в строительную практику.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что

- установлены и изучены закономерности трансформирования полей напряжений и протекания процесса зарождения и развития областей пластических деформаций под подошвой и по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента – грунт» в процессе нагружения фундамента вплоть до достижения критических нагрузок;

- построены графические зависимости размеров (глубины развития под подошву и вверх по контакту «фундамент – грунт») областей пластических деформаций от величины интенсивности внешнего воздействия для всех рассмотренных в диссертации численных значениях переменных расчетных параметров для двухщелевого фундамента; аналитические аппроксимации этих зависимостей составили базу данных компьютерной программы-калькулятора для расчета несущей способности двухщелевого фундамента;

- для определения несущей способности по подошве щелевого фундамента использованы методы теории функций комплексного переменного, позволившие полностью исключить из рассмотрения боковую поверхность щелевого фундамента;

- для определения несущей способности боковой поверхности щелевого фундамента разработана и запатентована полезная модель устройства для определения суммарных сил трения и сцепления, возникающих по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента – грунт» при бетонировании враспор без опалубки;

- разработан инженерный метод расчета несущей способности основания щелевого фундамента, основанный на использовании запатентованного устройства и компьютерной программы-калькулятора для расчета несущей способности по подошве щелевого фундамента;

Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проводимых на кафедрах «Прикладная математика и вычислительная техника» и «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ в г. г.

Полученные при работе над диссертацией результаты могут быть использованы для:

-  расчета величины несущей способности основания щелевого фундамента при широком диапазоне изменения численных значений переменных расчетных параметров, включающих геометрические размеры фундамента и физико-механические характеристики грунтов основания;

-  экспериментального определения непосредственно на строительной площадке суммарных сил трения и сцепления, возникающих по его боковой поверхности при бетонировании тела фундамента враспор без опалубки;

-  расчета несущей способности основания двухщелевого фундамента при различных значениях его геометрических размеров и физико-механических характеристиках вмещающего грунтового массива;

-  предварительной оценке несущей способности оснований щелевых фундаментов на стадии предварительного проектирования;

-  оценки возможной погрешности расчетов несущей способности по боковой поверхности щелевого фундамента известными методами при помощи запатентованного автором устройства.

Апробация работы. Основные результаты выполненных автором диссертационной работы исследований доложены, обсуждены и опубликованы в материалах: ежегодных научно-технических конференций преподавателей, аспирантов и студентов Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, ВолгГАСУ, г. г.), Всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (Новочеркасск, ЮРГТУ-НПИ, 2012 г.); III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, ВолгГАСУ, 2012 г.); Всеукраинского научно-практического семинара с участием иностранных специалистов «Современные проблемы геотехники» (Украина, Полтава, ПНТУ им. Ю. Кондратюка, 2012 г.); на научных семинарах кафедр «Прикладная математика и вычислительная техника» и «Гидротехнические и земляные сооружения» ВолгГАСУ (Волгоград, ВолгГАСУ, г. г.).

Личный вклад автора заключается в:

-  разработке и составлении механико-математических моделей и расчетных схем методов теории функций комплексного переменного и МКЭ исследуемых объектов (коэффициенты отображающей функции, граничные условия, размеры, вид, степень дискретизации);

-  проведении, компьютерного моделирования процессов образования и развития областей пластических деформаций в основаниях щелевого и двухщелевого фундаментов, обработке, анализе и систематизации полученных результатов, построении графических зависимостей и их аналитическом описании;

-  проведении патентного поиска, анализе его результатов, разработке полезной модели и ее патентовании;

-  разработке инженерных методов расчета несущей способности щелевого и двухщелевого фундаментов;

-  формировании баз данных и разработке компьютерных программ-калькуляторов, предназначенных для оценки несущей способности щелевых фундаментов;

-  внедрении результатов диссертационной работы в строительную практику на стадии проектирования.

На защиту выносятся:

1.  Механико-математические модели и расчетные схемы методов теории функций комплексного переменного и метода конечных элементов исследуемых объектов.

2.  Установленные закономерности протекания процесса образования и развития областей пластических деформаций под подошвами и по боковой поверхности щелевых фундаментов.

3.  Прием исключения из рассмотрения боковой поверхности щелевого фундамента на основе использования методов теории функций комплексного переменного.

4.  Полезная модель устройства для определения суммарных сил трения и сцепления, возникающих по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента – грунт» при бетонировании враспор без опалубки;

5.  Инженерный метод расчета несущей способности щелевого фундамента и компьютерная программа-калькулятор для определения несущей способности по его боковой поверхности.

6.  Инженерный метод расчета несущей способности двухщелевого фундамента и формализующая его компьютерная программа-кулькулятор.

7.  Результаты внедрения результатов диссертационной работы в практику строительства.

Результаты научных исследований внедрены:

- при определении несущей способности основания монолитных фундаментов, выполненных враспор грунта на объекте: «Здание столовой по ул. Баррикадной, дом 11, в р. п. Красные Баррикады Икрянинского района Астраханской области» в Инженерный центр «ЮГСТРОЙ».

- при разработке проектов и строительстве подземной части зданий и сооружений, возводимых по технологии «стена в грунте», в частности: при проектировании административного комплекса «Бизнес-парк» в городе Перми, ограждения береговой зоны искусственного острова в акватории р. Камы (Пермский край).

- в учебном процессе на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных статьях, их них две в ведущих рецензируемых научных изданиях и 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы из 113 наименований и приложений. Общий объем работы - 164 страницы машинописного текста, в том числе 114 страниц основного текста, содержащего 145 иллюстрации и 14 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедр «Прикладная математика и вычислительная техника» и «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета за помощь и поддержку при работе над диссертацией.

Особую благодарность автор выражает научному руководителю, кандидату технических наук, доценту за ценные советы и постоянную помощь во время написания диссертации.

Общая характеристика работы

Во введении отмечается значительный вклад отечественных и зарубежных ученых в изучение вопросов, посвященных вопросам изучения, расчета и проектирования щелевых фундаментов. Это , , Горбунов-, , Тер-, , , , , и многие другие.

Обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены цель работы, основные задачи, которые необходимо решить, и методы решения, указаны научная новизна, степень апробации, практическая значимость, выносимые на защиту положения, а также представлены данные о внедрении результатов диссертационной работы в строительную практику.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены особенности расчета несущей способности основания щелевых фундаментов, определены диапазоны изменения численных значений переменных расчетных параметров, сформулирована цель работы и определены задачи, требующие решения для ее достижения.

Суммарные затраты (материалы, стоимость рабочей силы, время, энергопотребление и т. д.) на устройство фундаментов в современном строительстве составляют 10–15% от общей стоимости строительно-монтажных работ, а в сложных инженерно-геологических условиях (слабые грунты, высокий уровень грунтовых вод, тесная городская застройка и т. д.) может подниматься до 30% и более.

В грунтах естественного сложения, особенно маловлажных связных грунтах, весьма перспективным является применение монолитных щелевых фундаментов с развитой боковой рабочей поверхностью. Особенно высокую эффективность применения показывают щелевые фундаменты, представляющие собой одну или систему параллельных узких щелей в грунте, заполненных в распор бетоном, которые объединены ростверком в общий фундамент для восприятия нагрузки от надземной части здания.

Внешняя нагрузка передается на грунтовое основание по боковой поверхности щелевого фундамента, по подошве и по подошве плиты ростверка, если таковая имеется.

В случае объединения в единый фундамент двух или более щелевых, в работу включается и заключенный между стенами массив грунта, за счет чего нагрузка предается в плоскости на уровне нижних торцов стенок. Несущая способность такого фундамента существенно зависит от расстояния между стенками. При этом заключенный между стенками грунт, сами стенки и ростверк в совокупности могут быть рассмотрены как бетонно-грунтовый фундамент на естественном основании, высота которого равна высоте стенок.

Известно, что щелевые фундаменты по несущей способности грунтов основания следует рассчитывать, опираясь на выражение

, (1)

где: gс; gcr; gct – коэффициенты условий работы грунта; R – расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента; A и U – ее площадь и периметр; fi; hi – расчетное сопротивление и толщина i-го слоя грунта по боковой поверхности ЩФ.

Аналогичные формулы приведены в документах, разработанных НИИОСП им. .

Формула (1) выглядит убедительно, ее использование вполне логично.

Из нее видно, что полезная нагрузка, передаваемая щелевым фундаментом на основание, делится на две части: первая часть передается через подошву фундамента, а вторая – через его боковую поверхность.

В специальной и нормативной литературе приводятся данные о долевом распределении несущей способности щелевых фундаментов по их подошве и боковой поверхности, говорящие о том, что участие боковой поверхности в общей несущей способности щелевых фундаментов в среднем составляет 10% - на глубине 1м, 25% - на глубине 2м, 41% - на глубине 4м и 55% - на глубине 6м. Причем, всегда участие боковой поверхности в общей несущей способности определяются в зависимости от показателя текучести IL, которая в данном случае как бы интегрально опосредует в себе прочностные свойства грунта (удельное сцепление С и угол внутреннего трения j).

Однако кроме сил сопротивления, обусловленных этими показателями, по боковой поверхности и по подошве фундамента действуют дополнительные силы сцепления, возникающие за счет: проникновения водно-коллоидного цементного раствора вглубь грунта и последующего его твердения с образованием тонкого грунтово-цементного слоя с кристаллическими связями; расширения бетона при твердении во влажных условиях (именно это происходит при твердении бетона в конструкциях, вмещаемых массивами, сложенными глинистыми грунтами), а так же от нагревания теплотой, выделяющейся при взаимодействии цемента с водой. Эти изменения объема фиксируется после завершения процесса твердения, применяющихся при производстве работ по устройству щелевых фундаментов бетонов, в состав которых входит расширяющийся портландцемент.

Учет этих дополнительных сил при расчете несущей способности щелевых фундаментов может существенным образом увеличить расчетное значение несущей способности и долю в ней боковой поверхности ЩФ. Поэтому определять эти силы необходимо для инженерно-геологических условий каждой конкретной площадки экспериментальным методом.

Для проведения компьютерного моделирования напряженного состояния грунтового массива, вмещающего щелевой фундамент, и процесса образования и развития областей пластических деформаций во вмещающем грунте, необходимо определить интервалы изменения численных значений переменных параметров, которые определяют ход этих процессов.

К таким переменным расчетным параметрам относятся:

1. Геометрические размеры фундамента – длина (L), ширина (2b), глубина заложения (h);

2. Физико-механические свойства грунтов – удельный вес (γ), удельное сцепление (С), угол внутреннего трения (φ), коэффициент бокового давления (ξо), модуль деформации (Eо) и обобщенный прочностной показатель – приведенное давление связности ;

3. Свойства бетона и арматуры: класс, пределы прочности при растяжении и сжатии, модули деформации (упругости), коэффициент Пуассона.

Анализ данных, приведенных более чем в 60 литературных источниках и нормативных документах, позволил установить:

1. При различной протяженности (длине) щелевых фундаментов, которая ограничивается лишь проектным решением, величина отношения их ширины к глубине заложения 2b/hÎ[0,01-0,4,] при этом, что сама глубина заложения щелевого фундамента hÎ[1,5-43]м.

2. Нормативные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления глинистых грунтов согласно СНиП изменяются в пределах jÎ[7о-30о] и CÎ[9-81]кПа, а среднее значение удельного веса может быть принято равным g=20кН/м3. Одним из переменных расчетных параметров при проведении компьютерного моделирования является приведенное давление связности. Его экстремальные значения определяются при помощи выражений

(2)

Выполняя соответствующие вычисления, используя при этом приведенные выше данные, определим, что sсвÎ[0,02-22].

Известно, что величина коэффициента Пуассона для глинистых грунтов заключена в интервале . Учитывая, что величина µ связана с величиной коэффициента бокового давления грунта xо соотношением , имеем, что . Известно так же, что модуль деформации глинистых грунтов изменяется в интервале .

Монолитные щелевые фундаменты следует проектировать из тяжелого бетона, имеющего класс прочности на сжатие не ниже В12.5 или В15 в зависимости от коэффициента вариации; максимальный допускаемый класс бетона - В40.

Учитывая это, ниже приведена таблица, в которую помещены численные значения переменных расчетных параметров, необходимые при проведении компьютерного моделирования. Отметим, что в случае необходимости численные значения величин, эквивалентных φ и С для бетона, можно определить по известным формулам акад.

; (3)

, (4)

где: sр и sс – пределы прочности бетона при растяжении и сжатии.

Таблица № 1.

Интервалы изменения расчетных параметров

Параметр					(MПа)	о	(кН/м3)
Грунт	0,02	22	7	30	5/75	0,75	20
Железобетон	479	38,6	25000	0,25	25

Возвращаясь к вопросу о несущей способности основания щелевого фундамента следует сказать, что несущая способность по его боковой поверхности зависит от большого количества факторов, определяемых физико-механическими свойствами вмещающего массива грунта, инженерно-геологическими условиями строительной площадки, геометрическими размерами фундамента, физико-химическими свойствами бетона, степенью проникновения коллоидного водоцементного раствора в поверхностные слои грунта откосов траншеи, технологией сооружения фундамента и т. д.

Несущая способность основания щелевого фундамента по его подошве определяется только ее геометрическими размерами и физико-механическими свойствами грунта основания.

Выделить и определить отдельно несущую способность ЩФ только по его подошве, изучая процесс зарождения и развития областей пластических деформаций под ней, позволяет аналитическое решение первой основной граничной задачи теории упругости для односвязной изотропной области, полученное проф. при помощи методов теории функций комплексного переменного.

Достоверно определить суммарные силы трения и сцепления, возникающие по контакту «боковая поверхность щелевого фундамента - грунт», учтя все перечисленные в настоящем параграфе факторы их определяющие, можно путем экспериментальных исследований, выполняемых непосредственно на строительной площадке.

При рассмотрении вопроса о несущей способности двухщелевого фундамента целесообразно использовать метод конечных элементов, который позволяет исследовать напряженное состояние неоднородных грунтовых массивов, учитывая при этом все разнообразие физико-механических свойств грунта, материала фундамента и его геометрических размеров.

Исходя из выше сказанного, цель настоящего диссертационного исследования сформулирована следующим образом:

Разработать инженерный метод расчета несущей способности щелевого фундамента, основанный на анализе напряженного состояния грунтового массива методами теории функций комплексного переменного и конечных элементов и экспериментального определения суммарных сил трения и сцепления между боковой поверхностью фундамента и вмещающим массивом грунта непосредственно на строительной площадке в реальных инженерно-геологических условия.

Во второй главе описаны этапы разработки инженерного метода расчета несущей способности основания щелевого фундамента.

Для того чтобы использовать методы теории функций комплексного переменного для анализа напряженного состояния грунтового массива, расположенного под подошвой щелевого фундамента необходимо определить такие значения коэффициентов отображающей функции (5),

(5)

где: – действительные или комплексные числа.

чтобы она совершала конформное отображение нижней полуплоскости ImZ<0 на полуплоскость с вырезом, форма которого позволяла бы рассматривать основание щелевого фундамента. Покажем, что отображающая функция (5) может быть использована для решения задач об определении напряженного состояния основания подошвы щелевого фундамента.

Наиболее часто употребляемой формой границы полуплоскости при решении геотехнических задач является полуплоскость с трапециевидным вырезом (см. рис. 1).

	Если 2b®¥, то любую (правую или левую) часть области можно рассматривать как изолированный откос. Если основания выреза 2b и h имеют конечные размеры, а , то можно рассматривать траншею с различными углами наклона ее сторон и различными
Рис. 1. Геометрические параметры криволинейной границы односвязной области

величинами отношениями ее основания к высоте (2b/h).

Если , то можно рассматривать основание заглубленного фундамента при разных значениях отношения его ширины к глубине заложения, а при – щелевой фундамент и т. д.

В таблице № 1 приведены численные значения коэффициентов отображающей функции (5), позволяющие получать вырезы с различными значениями величин отношения ширины основания выреза к его высоте, т. е. использовать ее для анализа напряженного состояния грунтового массива

Таблица № 1.

Значения коэффициентов для отображения полуплоскости с криволинейным трапециевидным вырезом при заданных отношениях и

	2b/h	С1	С3	С5	С7	С9	α,°
	0.01	2.043	-13.950	-57.925	-104.930	-82.944	90
	0.02	2.035	-13.900	-57.850	-104.620	-82.206	90
	0.05	2.013	-13.750	-57.625	-103.750	-80.100	90
	0.1	1.975	-13.500	-57.250	-102.500	-76.950	87.25
	0.2	1.900	-13.000	-56.500	-100.750	-72.000	86.5
	0.4	1.750	-12.000	-55.000	-100.250	-67.500	80.75
а)	б)
в)	г)
Рис. 2. Графические зависимости вида (а); (б); при (в) и при (г)

под подошвой щелевого фундамента при разных отношениях величин 2b/h, а на рис. 2 – графики для их определения.