Эффект использования шпунтовой обоймы для повышения несущей способности основания фундаментов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

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 22.13330.2011, несущая способность такого квадратного фундамента должна составить:

N = b'l'(N^ b'y.) =

u v y^y • H

= 1x1x(88,33x0,75x1x17,4) =

= 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 22.13330.2011 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