CC BY
18
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 624.15
ЧИКИШЕВ ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, rektorat@tgasu.ru
ПРОНОЗИН ЯКОВ АЛЕКСАНДРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, pronozin@tgasu.ru
МЕЛЬНИКОВ РОМАН ВИКТОРОВИЧ, аспирант, rm72@rambler.ru
ЕПИФАНЦЕВА ЛАРИСА РАФАИЛОВНА, аспирант, epifanceva@tgasu.ru
Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА ДЕФОРМАЦИИ ГЛИНИСТОГО ОСНОВАНИЯ
В статье рассматриваются особенности поведения глинистого грунта при его нагружении штампами с выгнутой вверх подошвой. Представлены результаты модельных испытаний, выполненных на мягкопластичном суглинке.
Ключевые слова: штамп, осадка, горизонтальное перемещение, контактное напряжение, активная зона.
CHIKISHEV, VIKTOR MIKHAILOVICH, Dr. of tech. sc., prof., rektorat@tgasu.ru
PRONOZIN, YAKOV ALEXANDROVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., pronozin@tgasu.ru
MELNIKOV, ROMAN VIKTOROVICH, P.G., rm72@rambler.ru
EPIFANTSEVA, LARISA RAFAILOVNA, P.G., epifanceva@tgasu.ru
Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering,
2 Lunacharskogo st., Tyumen, 625001, Russia
© В.М. Чикишев, Я.А. Пронозин, Р.В. Мельников, Л.Р. Епифанцева, 2010
EXPERIMENTAL STUDY OF LOADING SURFACE INFLUENCE ON DEFORMATION OF CLAY BASE
Features of behavior of clay basis depending on the form of a loading surface are considered in the article. The results of model experiments on loading of soft-plastic loam by flat and curved-up round rigid stamps are presented.
Keywords: stamp, settling, horizontal displacement, contact pressure, active zone.
Достоверный прогноз поведения грунтового основания при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений даже в простых случаях представляет собой довольно сложную инженерную задачу. При этом существует достаточно большое число расчетных моделей, имеющих широкий спектр параметров, учитывающих различные факторы поведения реального грунта под нагрузкой. Несоответствие расчетных и фактических данных по оценке напряженно-деформированного состояния грунта под нагрузкой, в том числе и определение осадки сооружения, связано не только с неполными знаниями законов поведения трехфазного тела (грунта) на микроуровне, но и со сложностью определения основных деформационных характеристик, например модуля деформации Е. Так, разница в значениях штампового и компрессионного модуля деформации может отличаться в 6 раз. При этом у каждого из способов определения модуля деформации грунта есть свои преимущества и недостатки компрессионного модуля деформации для того или иного конкретного случая. Кроме того, большинство методов расчета осадок основания фундаментов не учитывают боковые перемещения грунта под его подошвой. Вклад боковых перемещений в основании фундаментов может составлять до 40 % от его полной осадки [1]. Особое место в определении осадки занимает назначение глубины сжимаемой толщи - активной зоны основания. Практически все методы расчета завышают эту величину по сравнению с экспериментальными результатами.
Способом повышения несущей способности и снижения деформируемости оснований, который базируется на уменьшении горизонтальных перемещений грунта, является устройство ограничительных оболочек, в том числе с эффектом начального преднапряжения [2]. Эффект повышения несущей способности и снижения деформируемости оснований может быть достигнут за счет формы нагружающей поверхности. Так, при формировании выгнутой вверх подошвы фундамента нормальные контактные напряжения ориентируются и концентрируются в области оси симметрии нагружаемой площади, а контактные силы трения направлены по образующей кривой.
Для изучения особенностей взаимодействия выгнутых вверх фундаментов с грунтовым основанием, а также сопоставления результатов с плоским штампом были проведены экспериментальные исследования на моделях.
В качестве грунтового основания использовался мягкопластичный суглинок (таблица). Модели фундаментов были представлены в виде плоского жесткого штампа № 1 и штампа № 2 с криволинейной выгнутой вверх поверхностью. Очертание выгиба принималось круговым. Радиус кривизны поверхности был равен 150 мм. В плане штампы представляли собой половину круга, что диктовалось условиями проведения опытов. Эксперименты прово-
дились в специально сконструированном лотке с прозрачным оргстеклом, находящемся в диаметральной плоскости симметрии испытываемых штампов [3]. Перемещения фиксировались марками, расположенными через каждые 20 мм по вертикали и горизонтали. Нагружение моделей проводилось штоком, установленным в точке центра тяжести сечения штампов в плане.
Физико-механические характеристики грунта
Физические характеристики
Механические
характеристики
ч
и
ч
н
о
о
и
н
ч
а
о
4 о
5
S
н
о
(D
(D
§3
Л
н
д
ъ
Л
и
Л
н
о
о
д
н
о
к
с
д
н
о
о
н
о
д
Л
о
д
15
о
д
д
д
■е
о
Л
и
«
д
д
о
Л
н
о
и
о
д
д
о
&
£
«
ч
о
и
28-30
0,15
0,60-0,67
18,87-19,4
0,8-0,87
0,94-0,96
7,8-8,1
16-18
0,019-0,021
Программой экспериментов предусматривалось измерение осадки штампов; вертикальных, горизонтальных и общих перемещений точек основания. Изолинии перемещений построены в программе Surfer на основе данных фотофиксации. Для надежности результатов каждый штамп испытывался трижды. На графиках (рис. 1, 2) приведены осредненные результаты экспериментов.
рср, кПа
штамп № 1 —О— штамп № 2
Рис. 1. Графики осадки штампов
Осадка штампа № 2 на последней ступени нагружения (рср = 175 кПа) составила 28,11 мм, что составляет 54 % от осадки штампа № 1, равной 52,15 мм (рис. 1). Кривые осадки имеют выраженную нелинейность даже на начальном этапе нагружения из-за отсутствия структурной прочности, характерной для грунтов нарушенной структуры. На начальном этапе нагружения при рср < 50 кПа осадки штампов были практически одинаковыми. При дальнейшем нагружении осадка плоского штампа № 1 растет гораздо быстрее осадки штампа № 2, что сохраняется вплоть до последней ступени нагружения.
Характер изолиний горизонтальных перемещений точек основания под штампами № 1 и № 2 приблизительно одинаков, однако несколько отличается по положению относительно загружаемой площади и значительно по абсолютным значениям. Так, максимальное значение горизонтальных перемещений грунта из-под штампа № 1 зафиксировано для точки, расположенной под его гранью на глубине одного радиуса R. Для основания штампа № 2 аналогичная точка также расположена на глубине R, однако смещена к центру штампа на величину 0,4R от его грани (рис. 2). Максимальное значение горизонтальных перемещений точек грунта под штампом № 2 составило 1,5 мм, при рср = 150 кПа, что в четыре раза меньше данной величины в основании плоского штампа. Площадь зон, где горизонтальные перемещения больше 1 мм, для штампа № 2 в 7,5 раз меньше, чем в основании штампа № 1.
Необходимо также отметить, что горизонтальные перемещения грунта для основания плоского штампа № 1 начинаются в контактной зоне, а в основании штампа № 2 - на глубине 0,3Я. Отсутствие горизонтальных перемещений в контактной зоне основания штампа № 2 обусловлено криволинейной поверхностью. Сдерживание горизонтальных смещений грунта в контактной зоне штампа № 1 происходит лишь за счет шероховатости его подошвы.
При погружении криволинейного штампа в основание в виде мягкопластичного суглинка зафиксировано формирование выраженной зоны уплотнения (рис. 3). Зона уплотнения имеет форму практически идеального круга (в пространстве - шара), причем радиус этой зоны соответствует радиусу кривизны поверхности штампа Я. Зона уплотнения основания под плоским штампом более обширна, однако не имеет четкой конфигурации и во многом сформирована за счет горизонтальных перемещений грунта из-под площади нагружения.
Рис. 3. Фото испытаний штампа № 2 и штампа № 1 при рср = 150 кПа
Значительный интерес представляют результаты определения глубины сжимаемой толщи основания в зависимости от формы нагружающей поверхности.
Глубина сжимаемой толщи грунта для штампа № 2 составила 1,5,0 (рис. 4), что практически полностью соответствует визуально видимой зоне уплотнения (рис. 3). Глубина сжимаемой толщи основания, нагруженного плоским штампом, вдвое больше - 30.
Выполненные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:
- форма поверхности нагружаемого штампа оказывает существенное влияние на поведение грунтового основания под нагрузкой;
- выгнутая вверх криволинейная форма подошвы штампа позволила вдвое уменьшить глубину сжимаемой толщи основания и в 1,86 раза конечную осадку штампа;
- эффект снижения осадки штампа с криволинейной поверхностью подошвы объясняется ограничением горизонтальных перемещений грунта и формированием шарообразной зоны уплотнения, что в свою очередь обусловлено «центростремительным» направлением нормальных контактных давлений и полным отсутствием горизонтальных перемещений грунта в контактной зоне.
-75-
-150-О
-225-
-300-
20
-375-
-450-
30
-525-
рср = 150 кПа
-300
20
-225
—I—
-150
О
і—
-75
—г-75
150
О
225
—I—
300
20
-75
-150
О
-225
-300
20
-375
-450
30
-525
Рис. 4. Изолинии полных перемещений в основании штампов № 1 и № 2
Таким образом, в условиях, требующих снижения осадки строящегося объекта, что характерно для строительства на слабых, сильносжимаемых грунтах, могут быть применены фундаменты в виде плит или оболочек с выгнутой вверх криволинейной поверхностью их подошвы.
Библиографический список
Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований / П.А. Коновалов, Р.А. Мангушев, С.Н. Сотников [и др.]. - М. : Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2009. - 336 с.
Землянский, А.А. Принципы конструирования и экспериментально-теоретические исследования крупногабаритных резервуаров : автореф. дис. ... докт. техн. наук: 05.23.01, 05.23.02. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т Балаково, 2006. - 43 с.
Ашихмин, О.В. Взаимодействие плитно-ребристых фундаментов на свайных опорах с глинистым грунтом основания : автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.02. - Тюмень, ТюмГАСУ, 2008. - 24 с.
