CC BY
17
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 624.131.524
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШТАМПОВ НА ОТКОСАХ
© 2010 г. С.А. Павлющик
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассматриваются результаты экспериментальных исследований работы моделей фундаментов на песчаных откосах в условиях плоской деформации. Приведен сравнительный анализ экспериментальных данных с верхними оценками несущей способности, полученных в ПК ПРЕСС.
Ключевые слова: экспериментальные исследования; песчаные откосы; плоская деформация; несущая способность основания.
In article results of experimental researches of work models of the foundation on sandy slopes in conditions of a plane deformation are considered. The comparative analysis of experimental data with the top estimations of bearing capacity received in PC PRESS is resulted.
Keywords: experimental researches; sandy dip-slopes; plane deformation; bearing capacity of the basis.
Для исследования работы песчаных оснований в условиях плоской деформации на кафедре ПГСГиФ ЮРГТУ (НПИ) сконструирован испытательный стенд [1]. В последствии он был доработан автором, совместно с В.П. Дыбой и Ю.В. Галашевым Испытательный стенд состоит из лотка (1) (рис. 1), выполненного из органического стекла толщиной 30 мм. Рабочая часть лотка с размерами 0,8*0,1*0,6 м ^*В*Н) заполняется песком со следующими характеристиками: состав -среднезернистый воздушно-сухой песок плотного сложения; плотность грунта р = 17,5 кН/м3; плотность частиц грунта р^ = 26,6 кН/м3; пористость: е = 0,530; естественная влажность: W = 0,16 - 0,22; сцепление: с = 0 кПа; угол внутреннего трения: ф = 43о;
8
9
Нагрузка на песчаное основание передается через штамп, имеющий площадь 0,1*0,05=0,005 м2 Усилие на штамп передается через штоки, устойчивость в вертикальной плоскости обеспечивает втулка рамы 3 (рис. 1). Силовая рама 4 соединена со столом основания 5. Установка рамы в горизонтальное положение осуществляется четырьмя регулировочными винтами 6.
Нагрузка на штамп 1 (рис. 2) передается через шток № 1 2, шток №2 4 и шарнирно закрепленную между ними муфту 3. Шарнир выполнен при помощи втулок 6.
6
5
Рис. 1. Испытательный стенд плоской деформации: 1 - лоток; 2 - втулка рамы; 3 - нагрузочное устройство; 4 - рама; 5 - стол основания; 6 - регулировочные винты; 7 - грузы; 8 - прогибомер; 9 - траверса
Рис. 2. Нагрузочное устройство: 1 - штамп; 2 - шток № 1; 3 - муфта; 4 - шток №2; 5 - контргайка; 6 - втулки; 7 - стопорный болт; 8 - удерживающий диск; 9 - направляющая для груза
8
Известно, что критическая нагрузка в задачах об устойчивости зависит от способа приложения нагрузки. Шарнирное соединение штоков и муфты выполнено для приближения экспериментальных исследований к реальным условиям поведения фундаментов на откосах. В качестве грузов были использованы гири компрессионного прибора, которые укладывались на диск
8 при помощи направляющей 9 (рис. 2). Для фиксации штампа в горизонтальном направлении предусмотрена контргайка 5. Чтобы зафиксировать нагрузочное устройство на раме использовался стопорный болт 7.
Лоток устанавливается непосредственно под силовой рамой 4 (рис. 1) на стол основания 5. Рабочий уровень лотка и силовой рамы 4 устанавливаются независимо.
Для регистрации вертикальных перемещений штампа предусмотрен прогибомер типа 6-ПАО 8 (рис. 1). Прогибомер предназначен для определения величин перемещения отдельных точек конструкций при нагружении их статическими нагрузками, цена деления 0,01 мм. Прогибомер 8 крепится на траверсе
9 при помощи струбцины по вертикальной оси симметрии нагрузочного устройства (строго над штампом). Перемещения фиксируются при помощи проволоки, с одной стороны прикрепляемой к направляющей для груза, с другой - к отвесу, проволока под весом отвеса прижимается к ведущему ролику проги-бомера. При осадке штампа направляющая для груза перемещается, изменяя положения ведущего ролика, что отражается на циферблате прогибомера.
Опыты проводились с целю экспериментальной проверки результатов оценки несущей способности с помощью ПК ПРЕСС [2, 3], в котором изложена новая методика оценки несущей способности фундаментов на откосах.
Опыты на стенде плоской деформации были выполнены для 4 углов откоса - 0; 10; 20; 30 Предельная нагрузка в зависимости от угла откоса находилась в пределах от 82 до 251 кПа. Для всех опытов штамп устанавливался на бровку откоса. Песок в лоток укладывался послойно в воздушно-сухом состоянии с уплотнением ручной трамбовкой. Толщина уплотняемого слоя грунта - 20 мм. Общий вид штампа на откосе в начальный момент нагружения и при разрушении основания показан на рис. 3. В таблице приведена несущая способность песчаного основания в зависимости от угла откоса, полученная в результате экспериментов.
Угол откоса, градусов Несущая способность, кПа
1 2 3 4 Среднее
0 231 218 251 235 234
10 177 159 167 167
20 126 131 141 133
30 88 82 94 88
При проведении опыта нагружение выполнялось при помощи гирь компрессионного прибора. Нагрузка на начальном этапе нагружения прикладывалась с шагом - 5,89 кПа, на конечном этапе - 1,96 кПа. На-гружение осуществлялось ступенчато до полной стабилизации осадки песчаного основания на каждом шаге нагрузки. В зависимости от угла откоса ступеней нагружения было от 15 до 30. Время выдержки между ступенями - от 15 до 40 мин. При приближении нагрузки к предельной период стабилизации деформаций возрастал. При достижении предельного давления происходило возрастание деформации основания.
При достижении критической нагрузки потеря устойчивости происходила мгновенно в течение долей секунды. При помощи современных средств цифровой анимации удалось зафиксировать кинематику движения и картину потери устойчивости основания. Во всех без исключения опытах выпор грунта основания был односторонним. При потере устойчивости муфта наклонялась в сторону откоса, а штамп в противоположную сторону. Штамп поворачивался, смещаясь в сторону откоса на 50 - 70 мм. В процессе эксперимента выявлены области пластического течения грунта основания, при помощи послойной отсыпки через 20 мм полос из подкрашенного песка. Отметим меньший размер области пластического течения по сравнению с теоретическими исследованиями [4], этим можно объяснить большее значение верхней оценки по сравнению с экспериментальными данными (см. таблицу).
График зависимости нагрузки от осадки штампа, полученные на испытательном стенде плоской деформации, опыт № 3, при угле откоса 30 ° приведен на рис. 4. График нелинейный выпуклостью вверх. На первом этапе - до 30 - 40 % от предельной нагрузки зависимость нагрузки от осадки практически линейна, на втором этапе кривизна графика увеличивается. Предельная осадка ограничивалась упором удерживающего диска о втулку силовой рамы.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 p кПа
а б
Рис. 3. Общий вид штампа на откосе: а - начальный момент нагружения; б - разрушение основания
мм
Рис. 4. График зависимости нагрузки от осадки штампа, полученный на стенде плоской деформации
На рис. 6 приведен график зависимости несущей способности штампа от угла откоса а (рис. 5), полученный экспериментально, и вычисленные верхние оценки, полученные в ПК ПРЕСС.
Рис. 5. Расчетная схема определения верхних оценок несущей способности в ПК ПРЕСС
ных откосах в условиях плоской деформации были сделаны следующие выводы:
1. Получены качественные картины потери устойчивости моделей фундаментов на песчаных откосах. Выявлены характер потери устойчивости, быстротечность процесса, размеры области пластического течения, а также кинематика движения модели фундамента при предельной нагрузке.
2. Сравнение экспериментальных и расчетных значений несущей способности (расхождение в зависимости от угла откоса изменялось от 10 до 58 %) подтверждает возможность использования ПК ПРЕСС [4] в расчетах несущей способности фундаментов на откосах.
350
n:
С sc 300
OJ
X
<n > 250
Q.
ЯЗ
X 200
n:
X
n c; 150
O)
«i
<U
Q. С 1U0
50
294
265
¡234
167 \A86
133 4.98
88*
НЭкспериментал ьные данные
^Верхние оценки, полученные в ПК ПРЕСС
О 10 20 30
Угол откоса а, градусов
Рис. 6. График зависимости угла откоса от предельной нагрузки, полученные в ПК ПРЕСС и экспериментальным путем
В результате проведенных экспериментальных исследований работы моделей фундаментов на песча-
Литература
Шматков В.В. Деформации оснований сплошных плитных фундаментов в нелинейной стадии работы : дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 1985. 225 с. Павлющик С.А. Программный комплекс «Предельное состояние систем» (ПРЕСС) // Малоэтажное строительство в рамках Национального проекта «Доступное и комфортное жилье гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : материалы междунар. науч.-практ. конф. Волгоград, 2009. С. 220 - 222.
Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010610053 «Оценка несущей способности ленточных фундаментов на грунтовых основаниях, в том числе ограниченных откосами и склонами» / В.П. Дыба [и др.] (ПРЕСС)» / 11.01.2010.
Павлющик С.А., Дыба В.П. Сравнение экспериментальных значений несущей способности штампов на откосах с верхними оценками, полученными в ПК ПРЕСС // Актуальные проблемы фундаментостроения на юге России: материалы Рос. науч.-практ. конф. Новочеркасск, 2010. С. 79 - 85.
Поступила в редакцию
26 июля 2010 г.
Павлющик Сергей Александрович - инженер, кафедра «Промышленное и гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (863)2-229-281. E-mail: [email protected]
Pavlyushchik Sergey Alexandrovich - engineer, department «Civil and Industrial Engineer Geotechnological and Foundation Engineering», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (863)2-229-281. E-mail: [email protected]
2
3
4
