Эффект использования шпунтовой обоймы для повышения несущей способности основания фундаментов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Общетехнические задачи и пути их решения
67
^ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
УДК 624. 138
С. И. Алексеев, Р Р Хисамов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШПУНТОВОЙ ОБОЙМЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ
Оценивается влияние конструктивной шпунтовой обоймы на несущую способность основания. Выполнено моделирование работы основания в шпунтовой обойме на песчаных грунтах. Рассмотрены условия моделирования НДС основания. Показано, что несущая способность оснований усиливаемых фундаментов возрастает пропорционально длине используемой шпунтовой обоймы. Приведено сопоставление результатов аналитического и численного решений, которые имеют удовлетворительную сходимость, что позволяет разработанный инженерный метод расчета взятого в обойму основания считать вполне обоснованным.
основание, фундамент, шпунт, обойма, несущая способность, моделирование.
Введение
Как при новом строительстве, так и при реконструкции зданий на слабых грунтах необходимо проводить целый ряд мероприятий, направленных на улучшение механических свойств грунтов и работы основания в целом. Все методы улучшения искусственных оснований можно разделить на три вида: конструктивные, механические и физико-химические. Одним из конструктивных методов является использование устройства шпунтового ограждения.
Изучением работы основания взятого в обойму занимались такие ученные, как Ю. Н. Мурзенко, Г. М. Борликов, А. В. Пиля-гин, Р. А. Усманов и др. Выполненные в данной области исследования позволили сделать вывод об эффективности использования таких конструкций для повышения несущей способности основания. За счет ограничения шпунтовой обоймы боковых перемещений грунта в наиболее напряженной зоне осно-
вания, а также улучшения условий работы основания на уровне низа обоймы несущая способность фундаментов в обойме возрастает в несколько раз. Применение таких конструкций позволило значительно сократить стоимость реконструктивных работ при усилении оснований, а также снизить осадки сооружения.
Ввиду отсутствия инженерного метода расчета фундаментов в обойме такие конструкции не нашли широкого применения в практике.
1 Экспериментальные исследования
В лаборатории оснований и фундаментов НПИ с 1967 г. под руководством Ю. Н. Мур-зенко проводились экспериментальные исследования фундаментов с оболочками. Крупномасштабные исследования в лабораторных условиях выполнялись на испытательной машине МФ-1 в лотке 3Х3Х2,2 м,
ISSN 1815−588Х. Известия ПГУПС
2014/2
68
Общетехнические задачи и пути их решения
заполненном среднезернистым песком. Перед опытами песок перекапывался, послойно выравнивался и уплотнялся до 1,74−1,75 кг/см3. Моделью фундамента служил штамп диаметром 400 мм, а моделью оболочки -металлическое кольцо диаметром 530 мм и высотой 260 мм [1].
Графики нагрузка-осадка для фундамента как с оболочкой, так и без оболочки представлены на рис. 1.
По результатам выполненных опытов предельная нагрузка на фундамент с оболочкой составила 30−33 т, а без оболочки -6−7,2 т. Эпюры контактных напряжений под фундаментом в оболочки не изменяли своего очертания в процессе нагружения, а график осадок близок к прямой лини. Аналогичные наблюдения были зафиксированы
Р. А. Усмановым при исследовании резервуаров на слабом основании, ограниченном по контуру забивными сваями [2]. Устройство такой конструктивной обоймы позволило существенно снизить стоимость работ при устройстве резервуаров в Западной Сибири.
С целью оценки эффективности использования шпунтовой обоймы было выполнено моделирование НДС работы основания без возможности бокового расширения.
В качестве моделей использовались железобетонные квадратные штампы площадью 500 и 750 см². Для данных полевых испытаний обоймой служила металлическая труба квадратного сечения со стороной 30 см. Моделью основания в опытах выбран песчаный грунт, который является одним из типичных грунтов естественных оснований [3].
Перед каждым опытом грунт доводился до одинакового состояния, плотность грунта контролировалась статическим плотномером СПГ-1М, а также отбором образцов для лабораторных испытаний.
Нагрузочная рама установки для проведения испытаний вдавливающей нагрузкой (рис. 2) состояла из двух винтовых свай длиной 3,5 м с диаметром лопасти 250 мм. К сваям были приварены опорные пластины, на которые установлен швеллер № 24. Нагрузка на штампы передавалась ручным
Рис. 1. Графики испытаний (по данным Ю. Н. Мурзенко): а — без оболочки- б — с оболочкой
2014/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения 69
Рис. 2. Общий вид опытной площадки
десятитонным гидравлическим домкратом. Величина передаваемой нагрузки фиксировалась динамометром. Величина осадки фундамента измерялась прогибомером.
Было выполнено несколько серий испытаний:
1 серия. Исследование несущей способности незаглубленных фундаментов.
2 серия. Исследование несущей способности фундаментов с использованием шпунтовой оболочки различной длины.
По результатам выполненных испытаний несущая способность фундаментов без оболочки составила 200 и 270 кПа для фундаментов площадью 500 и 750 см² соответственно (рис. 3).
Подобные же испытания были проведены для штампа с различной длиной обоймы (рис. 4).
Несущая способность фундаментов в обойме оказалась значительно выше (пропорционально длине обоймы), чем фунда-
S, 0,01 мм
Рис. 3. Графики испытаний: 1 — 500 см2- 2 — 750 см²
Р, кПа
ISSN 1815−588Х. Известия ПГУПС
2014/2
70
Общетехнические задачи и пути их решения
0 100 200 300 400 500 600 P, кПа
0
-200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600 -1800 -2000


^ 4
3
*2



*-1

S, 0,01 мм
Рис. 4. График испытаний фундамента 750 см² в обойме:
1 — без обоймы- 2, 3, 4, 5 — с обоймой длиной 0,5- 1- 1,5 и 2b
ментов без обоймы. До наступления предельного состояния основания опыты довести не удалось.
2 Условия моделирования НДС
Моделирование НДС основания для условий постановки смешанной задачи теорий упругости и предельного равновесия впервые рассмотрено В. А. Флориным [4]. П. Д. Евдокимов ввел понятие о числе моделирования [5]:
N = а / (bxy), (1)
где, а — давление под подошвой фундамента- b — размер фундамента- у — удельный вес.
Таким образом, число моделирования для фундамента площадью 500 см² составит 51, а для фундамента площадью 750 см2 — 56, что практически совпадает.
Для получения напряжений натурного объекта под подошвой фундамента достаточ-
но умножить число моделирования на ширину подошвы фундамента и на удельный вес грунта. Таким образом, при такой же плотности грунта и ширине подошвы фундамента 1 м напряжения под подошвой составят: 51x1x17,4 = 887,4 кПа.
По результатам выполненных стабиломе-трических испытаний песчаного грунта угол внутреннего трения составил 41°. В соответствии с СП 22. 13 330. 2011, несущая способность такого квадратного фундамента должна составить:
N = b'-l'-(N^ b'-y.) =
u v y^y • H
= 1x1x (88,33×0,75x1x17,4) =
= 1153 кН (1153 кПа).
Однако следует отметить, что значения коэффициента Ny, приведенные в отечественных нормативных документах, отражают решение задачи при наличии пригрузки для заглубленных штампов. Коэффициент N соответствует линейному участку зависимости
2014/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
71
pu (q) и является несправедливым в случаях нахождения штампа на поверхности или на небольшой глубине в сыпучей среде. Точное решение по определению коэффициента N представлено в работах С. Мартина, С. Слоана и В. Г. Федоровского [6]. Для угла внутреннего трения 41° Ny, по С. Слоану, составит 59,44, в результате предельное давление получится равным 776 кПа. Погрешность в определении предельного давления по сравнению с выполненным моделированием составит 12−20%.
Максимальное давление, до которого удалось довести фундамент в обойме длиной b, — 540 кПа. При переносе на натурный фундамент с размером в плане 1Х1 м давление под его подошвой составит 1970 кПа, что практически в 2,5 раза превышает давление без обоймы.
Очевидно, что с увеличением давления возрастает и осадка и, поскольку несущая способность такого фундамента очень высокая, необходимо вести ограничения на заданную величину осадки.
Допустим, предельная деформация сооружения не должна превышать 10 см. Согласно условиям моделирования [7]:
(S / b) M = (S / Ь) н. (2)
Тогда, осадка модели составит:
S = 10 см / 1 м х 0,274 м = 2,74 см.
Давление под подошвой модели с обоймой, соответствующее осадке в 2,74 см, равно 300 кПа. Следовательно давление под подошвой натурного фундамента будет равно 1094 кПа, что превышает предельное давление для фундамента без оболочки и тем более расчетное сопротивление.
3 Методика расчета основания
в обойме
Аналитическая формула для определения вертикальных напряжений в ограничен-
ном обоймой основании имеет следующий вид [8]:
су = 1/А х [у — (у — Jxp) e-Az], (3)
где, А — коэффициент- у — удельный вес грунта, кН/м3- р — нагрузка на поверхности засыпки, кН/м2- z — глубина, на которой вычисляется вертикальное давление.
Коэффициент, А определяется по формуле:
— для замкнутых стенок:
А = 2? х tg (Ф0) / b1 =? х tg (90) х u/F- (4)
— для незамкнутых стенок:
А =? х tg (9c) / bl, (5)
где? — коэффициент бокового давления грунта- ф0 — трение грунта о стенку- b1 — полуширина фундамента- u, F — периметр и площадь ячейки.
Изменяя длину шпунта, а соответственно и величину пригрузки, можно по СП 22. 13 330. 2011 найти величину предельного давления в уровне низа обоймы. Подставив величину предельного давления в формулу (3) и решив уравнение через р, получим формулу для определения несущей способности фундамента, взятого в обойму:
Р = У/А — [у/А — (Р")] eA. (6)
Для проверки полученного аналитического решения (6) было выполнено сопоставление его с результатами численного моделирования в программном комплексе Plaxis 3D (рис. 5).
Результаты сопоставления численного и аналитического решений при определении предельного давления на основание приведены в табл. 1.
Выводы
1. Использование шпунтовой обоймы позволяет повысить несущую способность ос-
ISSN 1815−588Х. Известия ПГУПС
2014/2
72
Общетехнические задачи и пути их решения
Рис. 5. Расчетная схема численного моделирования штамповых испытаний
ТАБЛИЦА 1. Сопоставление определения предельного давления в основании ограниченном обоймой при различной ее длине (Н)
Н, м (о) по Plaxis, кПа (ov) по расчету, кПа А, %
0,5 498 467 6,6
1 700 693 1,0
1,5 1102 1029 7,1
2 1528 1530 0,1
нования за счет ограничения боковых перемещений грунта в наиболее напряженной зоне основания оболочкой, а также изменением условий работы основания по нижнему концу.
2. Моделирование напряженно-деформированного состояния с использованием расчетного геотехнического комплекса позволило спрогнозировать работу основания в шпунтовой обойме для натурного фундамента.
3. Несущая способность оснований усиливаемых фундаментов возрастает пропор-
ционально длине используемой шпунтовой обоймы.
4. Результаты аналитического и численного решений имеют удовлетворительную сходимость, что позволяет разработанный инженерный метод расчета взятого в обойму основания считать вполне обоснованным.
Библиографический список
1. Исследование фундаментов с оболочками для строительства многоэтажных каркасных
2014/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
73
зданий / Г. М. Борликов, Э. В. Аринина. — Новочеркасск, 1969.
2. Деформации модельных и натурных резервуаров на слабых грунтах / Р. А. Усманов // Нефтепромысловое строительство. — 1982. -№ 5. — С. 5−7.
3. Расчет оснований зданий и сооружений в упруго-пластической стадии работы с применением ЭВМ / Ю. Н. Мурзенко. — Ленинград: Стройиздат, Ленингр. отделение, 1989. — 135 с.
4. Расчет оснований гидротехнических сооружений / В. А. Флорин. — Москва: Госстрой-издат, 1948. — 188 с.
5. Прочность оснований и устойчивость гидротехнических сооружений на мягких грунтах /
П. Д. Евдокимов. — Москва: Госэнергоиздат, 1956. — 271 с.
6. Решение задачи предельного равновесия с использованием метода конечных элементов / К. Г. Шашкин, В. А. Шашкин, М. В. Дунаева // Развитие городов и геотехническое строительство. — 2011. — № 13. — С. 81−95.
7. Условия моделирования напряженно-деформированного состояния сыпучей среды под жестким штампом. Исследование оснований, фундаментов и гидротехнических сооружений: Труды НПИ. Т. 216. — Новочеркасск, 1970. -С. 12−22.
8. Механика грунтов / Н. А. Цытович. — Москва: Госстройиздат, 1963. — 636 с.
УДК 624. 04
Б. М. Аллахвердов, К. Ю. Полинкевич
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ИТЕРАЦИОННЫЙ СПОСОБ РАСЧЕТА АНИЗОТРОПНОЙ БАЛКИ НА ПРОЧНОСТЬ
Предложено описание методики расчета анизотропных балок на прочность, основанной на итерационном способе последовательного удовлетворения условиям равновесия и совместности деформаций. На численном примере приведены результаты, и оценена их близость к решению, полученному точным аналитическим способом. Определены упругие постоянные анизотропного материала в зависимости от направления армирования связующего вещества. Даны характеристики современного углепластика и очерчена область его применения.
теория упругости, анизотропия, ортотропная балка, метод итераций, напряжения, деформации.
Введение
В работе рассмотрена возможность применения итерационного способа расчета на прочность к анизотропным балкам. Рассмотрен простейший расчет балка на двух опорах, имеющий точное аналитическое решение. Приведено сравнение результатов.
1 Закон Гука для анизотропных материалов
Считая, как это принято в сопротивлении материалов, что при малых деформациях зависимость между деформациями и напряжениями соответствует линейному закону, запишем в общем случае анизотропии обобщенный закон Гука [1]:
ISSN 1815−588Х. Известия ПГУПС
2014/2

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой