CC BY
56
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПЕСЧАНОГО ОСНОВАНИЯ И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КРУГЛЫХ И КОЛЬЦЕВЫХ ФУНДАМЕНТОВ*
В.М. Струлев, В.Ю. Воеводкин
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ГОУ ВПО «ТГТУ» Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: наклонные консольные свесы; напряженно-деформированное состояние фундаментов; несущая способность; осадка основания.
Аннотация: Проведены экспериментальные исследования по определению оптимального отношения внутреннего диаметра штампа к наружному; вылета консоли круглых и кольцевых штампов с наклонными консольными свесами; условия передачи нагрузки; влажности основания.
Круглые и кольцевые фундаменты нашли широкое применение в сооружениях башенного типа: дымовые трубы, водонапорные и телевизионные башни и т.д. При проектирование железобетонных фундаментов необходимо учесть множество факторов, которые можно условно разделить на две группы: первая связана с материалом фундамента, для которого должны быть произведены расчеты по прочности нормальных и наклонных сечений, ширине раскрытия трещин, по прочности на продавливание и раскалывание; вторая группа связана с основанием, где основными являются расчеты по деформациям (осадка и крен сооружения) и проверка краевых давлений. При этом деформирование железобетона и основания необходимо описывать физически нелинейными зависимостями.
Целью оптимального проектирования является определение целевой функции суммарной стоимости фундамента в виде [5]
С(хьх2,•••, хп) = ¥ЪСЪ + ¥ЪСЪ + шsCs ,
где х1,х2,...,хп - переменные параметры, связанные с геометрическими размерами фундамента; Уъ , - объемы бетона фундамента и земляных работ; -
масса рабочей арматуры; Съ , С& , С5 - стоимость использованных материалов.
Данная работа посвящена экспериментально-теоретическим исследованиям влияния способа передачи нагрузки, влажности основания w и отношения С/Б (где С - внутренний диаметр, а Б - наружный диаметр моделей плитной части фундамента) на осадку (несущую способность) основания и напряженно-деформированное состояние. Следует отметить, что в нормативной литературе [4] отсутствуют данные по определению осадки кольцевых фундаментов. В этом направлении имеется ряд исследовательских работ [2, 3, 7], но и в наши дни исследования в данной области, связанные с разработкой эффективных конструктивных решений, являются актуальными.
* Принято к печати 11.12.2006 г.
Для этой цели были изготовлены железобетонные штампы с одинаковой площадью контакта и отношением d/D = 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 при наружном диаметре базового штампа (при d/D = 0) равного 264 мм. Методика проведения, плотность основания и размеры образцов приведены в [6].
На рис. 1 приведены зависимости несущей способности песчаного основания от отношения d/D при действии центрально приложенной нагрузки через сплошной жесткий диск и через кольцевую оснастку при влажности основания w = 0,025 % и w = 10 %. Кольцевая нагрузка прикладывалась: для кольцевых штампов по середине кольца, а для сплошного штампа на расстоянии 1/3 от края.
Увеличение влажности основания приводит к значительному снижению ее несущей способности в широком диапазоне отношения d/D. Все зависимости имеют максимум несущей способности основания при отношении d/D ~ 0,2. Передача нагрузки через кольцевую металлическую оснастку, установленную по середине ширины кольца, несколько увеличивает несущую способность, что объясняется, по-видимому, в неравномерном давлении под подошвой фундамента: максимальном в середине ширины кольца штампа и минимальном по краям, при этом согласно классификации Горбунова-Посадова [1] штампы считаются жесткими.
Анализ напряженно-деформированного состояния плитной части круглых и кольцевых фундаментов показывает существенную зависимость внутренних силовых факторов от радиуса b/2 приложения усилий вышележащих строений. В табл. 1 приведены значения оптимального приложения радиальной нагрузки и значения осевого момента сопротивления подошвы фундамента в зависимости от отношения d/D.
Следует отметить, что кольцевые фундаменты имеют больший момент сопротивления W, а следовательно, меньшие значения краевых давлений и большую устойчивость.
На рис. 2 представлен график зависимости изгибающих радиальных Mr и окружных Mg моментов при оптимальном приложении силы.
F, кН
50
40
30
20
10
0
Рис. 1. Зависимость несущей способности основания от отношения ЛБ при центральной нагрузке, приложенной через сплошной жесткий диск (1, 2) и кольцевую оснастку (3, 4) при различной влажности основания:
1, 3 - w = 0,025 %; 2, 4 - w = 10 %
Оптимальное отношение ЫБ и значение осевого момента сопротивления № для штампов с различным отношением МБ
d/D 0 0,2 0,4 0,6 0,8
b/D 0,716 0,709 0,764 0,83 0,908
W-10-4, м4 2,38 2,6 3,29 5,07 10,86
^ 1 ^ 4
"■ч. > k.
N \
> k
>
Мг, М0 800 700 600 500 400 300 200 100 0
0 0,2 0,4 0,6 С/Б
Рис. 2. График зависимости максимальных изгибающих моментов Мг, Ме от отношения ЛБ при оптимальном условии передачи нагрузки, равной 40 кН
Исходя из экспериментально-теоретического анализа работы круглых и кольцевых фундаментов можно сделать вывод о целесообразности замены круглых фундаментов на кольцевые при отношении С/Б ~ 0,4, что позволяет не только уменьшить изгибающие моменты, но и увеличить несущую способность основания.
Для повышения эффективности работы конструкции круглых и кольцевых фундаментов было предложено использовать наклонные консоли, которые должны создавать стесненные условия для поперечных деформаций основания не только по площади контакта, но и нижележащих слоев, что должно привести к повышению несущей способности основания. Были испытаны штампы с углом наклона консолей 30° к горизонтали и вылетом консоли а/Б = 0; 0,1; 0,2; 0,3 (где а - горизонтальная составляющая консоли) при влажности основания w = 10 % , при С/Б = 0; 0,2; 0,4 (рис. 3). Из графиков видно, что наибольшую несущую способность имеет штамп с соотношением С/Б = 0,4 и соотношением а/Б = 0,15...0,2.
Для определения оптимального угла наклона консоли были проведены дополнительные экспериментальные исследования для фибробетонных штампов с углом наклона консолей к горизонтали 0, 15, 30 и 45° и при фиксированном вылете консоли а/Б = 0,2 при влажности основания w = 10 %, при С/Б = 0; 0,2; 0,4 (рис. 4). Из графиков видно, что наибольшую несущую способность имеет штамп с соотношением С/Б = 0,4 и углом наклона консольного свеса 30. 45°.
Наклонные консоли приводят к увеличению несущей способности основания во всем диапазоне отношений С/Б и а/Б. Наиболее эффективное увеличение несущей способности основания было достигнуто для отношения С/Б = 0,4 при а/Б = 0,15.0,2 и угле наклона консолей к горизонтали 30.45°. Применение наклонных консолей для круглых и кольцевых фундаментов на малосжимаемом основании позволяет увеличить несущую способность более чем в 1,8 раза по отношению к плоским штампам.
Рис. 3. Зависимость несущей способности основания от отношения а/Б при центральной нагрузке, приложенной через сплошной жесткий диск:
1 - оШ = 0; 2 - оШ = 0,2; 3 - оШ = 0,4. При фиксированном угле наклона консолей 30°
Рис. 4. Зависимость несущей способности основания от угла наклона консолей к горизонтальной оси, при центральной нагрузке, приложенной через сплошной жесткий диск: 1 - ¿/О = 0; 2 - оШ = 0,2; 3 - оШ = 0,4. Отношение а/О = 0,2
Список литературы
1. Горбунов-Пасадов, М.И. Расчет конструкций на упругом основании / М.И. Горбунов-Пасадов, Т.А. Маликова, В.И. Соломин. - М. : Стройиздат, 1984. -679 с.
2. Влияние влажности основания и условия передачи нагрузки на осадку круглых и кольцевых штампов с одинаковой площадью контакта / В.В. Леденев [и др.] // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф., 12-14 мая 2005 г. В 4 ч. Ч. 3. - Волгоград, 2005. - С. 75-80.
3. Леденев, В.В. Осадка круглых и кольцевых штампов с одинаковой площадью контакта / В.В. Леденев, В.М. Струлев, В.Ю. Воеводкин, А. А. Зайцев // Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений : сб. статей Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2004. -С. 162-164.
4. Основания зданий и сооружений: СНиП 2.02.01-83. - М. : ГПЦПП, 1995. -
50 с.
5. Соломин, В.И. Проектирование фундаментов сооружений башенного типа / В.И. Соломин, С.Б. Шматков // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1991. - № 6. - С. 9-11.
6. Струлев, В.М. Влияние консольных свесов на осадку круглых и кольцевых штампов на песчаном основании / В.М. Струлев, В.Ю. Воеводкин // Состояние современной строительной науки - 2006. Сб. науч. трудов. - Полтава, 2006. -С. 157-160.
7. Струлев В.М. Исследования осадки фундаментов и напряженно-деформированного состояния штампов с одинаковой площадью контакта / В.М. Струлев, В.Ю. Воеводкин, П.В. Хорохорин // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения : мат. Междунар. академ. чтений / под ред. С.И. Меркулова ; Курск. гос. техн. ун-т. - Курск, 2006. - С. 161-164.
Bearing Capacity of Sand Bed and Tense Deformation State of Round and Ring-Shaped Foundations
V.M. Strulev, V.Yu. Voevodkin
Department “Construction of Buildings and Structures ”, TSTU
Key words and phrases: bearing capacity; foundation settlement; sloping cantilever verge; tense deformation state of foundations.
Abstract: Experimental researches into determination of optimal relation between internal and external die diameters, overhang of round and ring-shaped dies with sloping cantilever verge, load transfer conditions and bed humidity are carried out.
Tragende Fähigkeit des Sandgrundes und gespanntdeformierter Zustand der Rund- und Ringfundamente
Zusammenfassung: Es sind die experimentalen Forschungen nach der Bestimmung der optimalen Beziehung des inneren Durchmessers der Stanze zum äusserlichen Durchmesser; des Abflugs der Konsole der Rund- und Ringstanzen mit den geneigten Konsoleauskragungen; die Bedingungen der Übergabe der Belastung; der Feuchtigkeit des Grundes durchgeführt.
Capacité porteuse de la fondation de sable et de l’état de tension-déformation des fondements ronds et circulaires
Résumé: Sont effectées les études expérimentales sur la définition: du rapport optimal du diamètre intérieur de l’étampe vers le diamètre extérieur; de la sortie de la console des étampes ronds et circulaires avec les décalages de console inclinés; des conditions du transfert de la charge; de l’humidité de la fondation.
