CC BY
45
УДК 624.154
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ФУНДАМЕНТОВ
В.В. Леденев, С.А. Сафонов
Кафедра “Конструкции зданий и сооружений ”, ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором Ю.В. Воробьевым
Ключевые слова и фразы: железобетонный цилиндрический фундамент; несущая способность; оптимальное конструктивное решение; прочность по материалу; фибробетон.
Аннотация: Обсуждаются результаты экспериментов с железобетонными и бетонными цилиндрическими моделями фундаментов при разных конструкциях и схемах нагружения. Получены эмпирические зависимости между предельными нагрузками и перемещениями.
Буронабивные сваи или фундаменты применяют при возведении зданий разного назначения. Разрушение материала конструкции часто происходит при значительно больших нагрузках, чем окружающего грунтового основания, т.е. имеет место неэффективное использование бетона и арматуры. Для повышения удельной несущей способности фундаментов и сближения несущей способности по грунту и материалу следует либо ослабить фундамент, например, применяя полые модели, либо повысить сопротивление грунта устройством уплотненного уширенного основания. Исследования несущей способности по грунту проводились в работах [1-5]. Полые цилиндрические конструкции буронабивных фундаментов относятся к числу эффективных [6]. Прочность их почти не исследована. Оптимальное конструктивное решение можно получить путем регулирования параметров нагружения, изменения формы сечения и конструкции фундаментов и т. п.
Проведено сравнение несущей способности следующих конструкций моделей фундаментов (рис. 1):
1) полая железобетонная цилиндрическая оболочка с открытыми концами, устроенная в грунте без нарушения его естественного состояния;
2) полая железобетонная цилиндрическая оболочка с днищем и открытым верхним концом, устроенная в грунте без нарушения его естественного состояния;
3) полая железобетонная цилиндрическая оболочка с открытым нижним и закрытым верхним концом, устроенная в грунте без нарушения его естественного состояния;
4) полая железобетонная цилиндрическая оболочка с закрытыми концами, устроенная в грунте без нарушения его естественного состояния;
5) полая железобетонная цилиндрическая оболочка, заполненная слабым бетоном, щебнем или уплотненным грунтом, устроенная в грунте без нарушения его естественного состояния;
6) полая железобетонная цилиндрическая оболочка, устроенная без нарушения естественного состояния грунта, с уширением основания из вытрамбованного бетона или щебня;
7) полая железобетонная цилиндрическая оболочка с нагрузочной консолью;
8) полая железобетонная цилиндрическая оболочка с опиранием на круглую симметричную или несимметричную железобетонную плиту;
9) полая железобетонная цилиндрическая оболочка с наклоном в сторону
силы;
10) полая железобетонная цилиндрическая оболочка, вдавленная в грунт с открытым нижним концом.
Прочность фундаментов по материалу зависит от формы и величины контактных напряжений; прочности бетона и грунта; схем армирования; конструкции узла передачи нагрузки; конструктивного решения у низа оболочки; способа устройства фундамента; качества работ при их изготовлении; характера силовых воздействий; степени агрессивности среды и т.п.
1)
JF
2)
I
ШШ
3)
1F 4) lF
Шт шш.
5)
£
6)
1
7)
8) If
уш
Рис. 1 Конструктивные решения полых цилиндрических фундаментов
Полые фундаменты испытывают изгиб, изгиб с кручением, давление грунта на наружную поверхность, внутреннее давление от уплотненной грунтовой пробки. Значительные концентрации напряжений возникают в местах защемления сваи в ростверке, внизу у уширения, у консолей или лежней.
Модели фундаментов изготавливали из бетона классов В-10 и В-15 диаметром dex = 11...20 см, высотой hf = 11...55 см, относительным внутренним диаметром ct = djdex = 0.0,8 (din - внутренний диаметр). В качестве арматуры принимали проволоку класса Вр-I и В-I, стальные фибры d = 0,6 мм и l = 20.30 мм. Из проволоки изготавливали сварные сетки с ячейками 25 х 25 мм. Фибры тщательно перемешивали с бетоном и укладывали в опалубку с уплотнением. Процент армирования ц = As/Ab ■ 100 % (отношение площади арматуры в сечении к площади бетона) принимали 3%. Относительное заглубление модели X = h/dex (h - заглубление образца) изменяли от 1 до 4. В некоторых экспериментах основанием фундаментов являлся послойно уплотненный воздушно-сухой мелкозернистый песок (р = 1,57.1,60 г/см3) или маловлажный песок (р = 1,62 г/см3).
На полый цилиндрический фундамент, находящийся в грунте, действует сложная система реактивных напряжений (рис. 2).
Эксперименты проводили на гидравлических прессах ПСУ-125 и ИП-500. Испытана 51 модель фундаментов. Схемы нагружения соответствовали особенностям взаимодействия фундамента с грунтом при разных конструктивных решениях.
Модели испытывали на осевое и внецентренное нагружение; при ограничивающем давлении грунта на наружные поверхности оболочки; при давлении грунта изнутри; при передачи нагрузки по образующей с использованием плоского и полуцилиндрического штампов.
Поставлена серия опытов с моделями из бетона класса В-15 при е0 = 0 и разных сочетаниях dex,. d и X. Результаты приведены в табл. 1.
В опытах с образцами из мелкозернистого бетона класса В-10 исследовали влияние вида армирования при d = 0,6; X = 2; dex = 11 см (табл. 2).
Проведены опыты при разной начальной плотности основания с образцами из мелкозернистого бетона класса В-10 с различным армированием при ct = 0; dex = 11 см; X = 2; е0 = 0 (табл. 3) и d* = 0.0,6; dex = 11 см; X = 2; е0 = 0 (табл. 4).
*
Рис. 2 Примерное очертание эпюр контактных напряжений в вертикальной (а) и горизонтальной (б) плоскостях
Влияние высоты и формы сечения на величину разрушающей нагрузки
№ п/п см d 1 Н к ,u F CTu, МПа
1 11 0 1 78 8,21
2 11 0 2 82 8,бЗ
З 11 0 З 108 11,З7
4 11 0 4 1ЗЗ 14
5 11 0,4 2 б7 8,4
б 11 0,б 2 б0 9,87
7 15 0 1 189 10,7
В 20 0 1 284 9,04
9 11 0 1 145 15,2б
10 11 0 2 140 14,74
11 11 0 З 82 8,бЗ
12 11 0 4 б7 7,05
Таблица 2
Влияние обоймы и видов армирования на величину разрушающей нагрузки
№ п/п Армирование Є0 Fu, кН <ги, МПа
а) б) а) б)
із стальные фибры 0 22 25 3,б2 4,11
14 0,5 1б - 2,б3 -
15;22 поперечная арматура 0 14 15 2,3 2,47
1б (спираль) 0,5 10 - 1,б5 -
17;23 продольная и поперечная 0 24 24 3,95 3,95
18 арматура 0,5 18 - 2,9б -
19;24 без армирования 0 10 10 1,б5 1,б5
20 0,5 8 - 1,32 -
Таблица 3
Влияние плотности грунта на величину разрушающей нагрузки
№ п/п Армирование р, г/см3 Н к ,u F сти, МПа
1 2 3 4 5
25 стальные фибры 1,57 22 3,б2
2б 1,59 32 5,27
27 1,б0 41 б,75
28 1,б2 (ю = 0,05) б9 11,35
1 2 3 4 5
29 без армирования 1,57 10 1,б5
30 1,59 1б 2,б4
31 1,б0 25 4,13
32 1,б2 (т =0,05) 40 б,б0
Таблица 4
Влияние вида армирования на величину разрушающей нагрузки
№ п/п Армирование d Fu, кН
а) б)
33; 39 стальные фибры 0,б 8 13
34; 40 поперечная арматура (спираль) 0,б 5 9
35; 41 продольная и поперечная арматура 0,б 5 10
3б без армирования 0 11 -
37 0,4 7 -
38 0,б 4 -
В опытах с тонкостенными моделями фундаментов, изготовленными из мелкозернистого бетона класса В-10, при давлении грунта изнутри (Сех = 11 см; С = 0,8; рн = 1,57 г/см3 - начальная плотность) определяли плотность при разрушении рр и абсолютное сжатие грунта Д (табл. 5).
Таблица 5
Влияние относительного заглубления модели и абсолютной деформации грунта на величину разрушающей нагрузки
№ п/п X Fu, кН Д, мм Рр, г/см3
42 1 1,1 4,0 1,б4
43 1,5 1,3 5,0 1,б2
Результаты серии опытов с моделями из мелкозернистого бетона класса В-10 при давлении грунта изнутри при Сех = 11 см; С = 0,8 см; X = 1,5 представлены в табл. 6.
В результате статистической обработки данных экспериментов были получены следующие эмпирические зависимости (табл. 7).
Влияние вида армирования и плотности песка на величину разрушающей нагрузки
№ п/п Армирование Рн, г/см3 Fu, кН А, мм Рр, г/см3
44 1,57 4,0 10,0 1,68
45 стальные фибры 1,59 5,0 8,4 1,68
46 1,60 6,0 8,0 1,69
47 1,62 (т = 0,05) 9,5 7,0 1,70
48 1,57 1,3 5,0 1,62
49 без армирования 1,59 2,2 4,0 1,63
50 1,60 2,5 3,8 1,64
51 1,62 (т =0,05) 4,0 3,0 1,65
Таблица 7
Эмпирические зависимости предельных нагрузок и перемещений
Номер опыта Расчетные формулы
№ 25-28 Fu = 6,93-104рн3 - 3,04-105рн2 + 4,61 - 105рн - 2,33-105
№ 29-32 Fu = - 5- 105рн3 + 2,4-106рн2 - 3,84-106рн + 2,04-106
№ 44-47 Fu = 1,67- 104рн3 - 7,77-104рн2 + 1,21 - 105рн - 6,25-104
№ 48-51 Fu = 4-104рн3 - 1,91 - 105рн2 + 3,04 105рн - 1,6-105
№ 44-47 Fu = 1,01-104рр2 - 3,36-104р/ + 2,81 -104
№ 48-51 Fu = 3,01-105р/ - 1,47-106рр2 + 2,4-106рр - 1,3 106
№ 44-47 Fu = 0,074А3 - 1,02А2 - 0,67А + 39
№ 48-51 Fu = 0,06А3 - 0,3А2 - 2А + 11
Выводы
1. Удельная несущая способность одиночного фундамента может быть существенно повышена путем уплотнения грунта, регулирования параметров нагружения (e0, 8), оптимального выбора формы сечения (d*), размеров фундамента (h, dex, din), устройства уширения в основании, эффективного конструктивного решения по концам фундамента.
2. Полые цилиндрические фундаменты относят [6] к числу рациональных конструкций. В них может быть достигнуто равенство сопротивлений по грунту и материалу фундамента.
3. Разрушение полых цилиндрических фундаментов происходит вследствие появления трещин, развития пластических шарниров, местного сжатия по торцам и выпучивания стенок. Соотношение разрушающих нагрузок по грунту Fs и по материалу Frb зависит от множества факторов. В большинстве опытов Fs << Frb.
1. Леденев В.В. Прочность и деформативность оснований заглубленных фундаментов. - Тамбов, ТГТУ. - 1995. - 400 с.
2. Леденев В.В., Сафонов С.А. Исследование взаимодействия полых цилиндрических моделей фундаментов с песчаным основанием //Проблемы строительства, обеспечения и экологии городов: Материалы II Международной научнотехнической конференции. - Пенза, 2000. - С. 42-49.
3. Леденев В.В., Сафонов С.А. Исследование несущей способности и перемещений полых цилиндрических фундаментов при сложных схемах нагружения // Современные проблемы фундаментостроения: Сб. трудов Международной научно-технической конференции. В 4-х ч. Ч. 1, 2 / ВолгГАСА. - Волгоград, 2001. -С. 105-107.
4. Сафонов С.А. Исследование перемещений цилиндрических моделей фундаментов при сложных схемах нагружения // Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 10. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001. - С. 83-85.
5. Леденев В.В., Сафонов С.А. Экспериментальные исследования несущей способности и перемещений полых цилиндрических фундаментов при действии внецентренной наклонной силы // Вестник ТГТУ. - 2001. - Т. 7, № 4. - С. 665673.
6. Глухов В.С. Прогрессивные конструкции фундаментов и исследования их взаимодействия с основанием. - Пенза: Ред. журнала «Земство», 1996. - 72 с.
Experimental Research of Cylinder Foundations Strength V.V. Ledenev, S.A. Safonov
Department “Construction of Buildings and Structures”, TSTU
Key words and phrases: carrier capability; fibrous concrete; material strength; optimum constructive decision; reinforced concrete cylinder foundation.
Abstract: Results of experiments with reinforced concrete and concrete cylinder foundations models in various structures and loading schemes are discussed. Empirical dependence of limited loads on displacement is obtained.
Experimentalen Forschungen der Haltbarkeit der zylindrischen Fundamente
Zusammenfassung: Es werden die Ergebnisse der Experimente mit den zylindrischen Stahlbeton- und Betonmodellen der Fundamente bei den verschiedenen Konstruktionen und den Belastungsschemen besprochen. Es sind die empirischen Ab-hangigkeiten zwischen den Hochstbelastungen und die Umstellungen bekommen.
Etudes experimentales de la rigidite des fondements cylindriques
Resume: Sont discutes les resultats des experiments avec les modeles cylindriques en beton et en beton arme dans de differents constructions et schemas du chargement. On a regu les dependance empiriques entre les charges de limite et les transpositions.
