CC BY
27
ВЕСТНИК МГСУ
4/2008
ОСАДКА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ФУНДАМЕНТОВ - ОБОЛОЧЕК НА СЛАБОМ ГЛИНИСТОМ ОСНОВАНИИ
Пронозин Я.А., Гербер А.Д.
В статье рассмотрено взаимодействие выпуклого вверх оболочечного фундамента со слабым глинистым основанием. Представлены результаты теоретического расчета осадки и распределения контактных давлений под оболочечным фундаментом, использующие данные полевых экспериментальных исследований. Выявлено влияние на осадку основания условий закрепления оболочки в ленточном фундаменте.
Одной из проблем строительства в условиях Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса является сложность инженерно-геологических условий. Большая часть грунтов Северо-Западной Сибири заторфована, для Юга региона характерно наличие слабых пылевато-глинистых грунтов с высоким влагосодержани-ем. Мощность таких грунтов с модулем деформации в диапазоне 2-5 МПа достигает 15-ти и более метров. Расчетное сопротивление сжимаемой
влажности
толщи основания не превышает — 0,1 МПа, степень
грунта Бг находится в пределах 0,8-1,0.
Строительство в таких условиях объектов нефтегазовой промышленности сталкивается со сложными и недостаточно изученными вопросами фундаментостроения. Следует также отметить, что дефицит и значительная стоимость цемента (выше европейской), высокая и постоянно прогрессирующая цена на металлоизделия сохранятся в обозримом будущем, что будет приводить к значительным материальным и технологическим издержкам при выполнении нулевого цикла сооружений различного назначения.
Повышение эффективности фундаментостроения, т.е. снижение материальных и трудовых затрат, уменьшение сроков строительства, минимизация экологического ущерба окружающей среде требуют применения новых конструктивных форм и современных материалов.
Перспективным в этом плане является использование в качестве фундаментов зданий и сооружений оболочечных конструкций.
Одним из вариантов такого конструктивного решения является пологая железобетонная оболочка, имеющая выпуклость ввевх и сопвягаемая
4/2008
ВЕСТНИК
_МГСУ
на концах с загружаемыми опорными лентами или с ленточным фундаментом (рис. 1).
Рис.1. Фундамент с использованием оболочечной конструкции 1) оболочка 2) ленточный фундамент
В общем случае оболочка может работать на изгиб и растяжение, в статье рассматривается только ее поперечный изгиб, реализуемый при малых перемещениях.
оболочки и ленточного фундамента
С учетом симметрии задачи (рис.2) уравнение изгиба правой части оболочки в системе координат ШОХ имеет вид:
й ■ ^ + к (х) ■ = 0, 0 < х < а, (1)
ВЕСТНИК 4/2008
при следующих краевых условиях:
И (0) - и/11 (0), йи/1 (а) = К И (а), (2) Ьк и(а) - йи/"(а) = Р, где
и( л) — перемещение точки нейтральной линии в сечении с координатой х;
й — изгибная жесткость оболочки с толщиной 8 ;
к(х), кгр — коэффициенты постели под подошвами оболочки и ленточного фундамента с шириной Ь, загруженного погонной нагрузкой Р ;
К — коэффициент податливости оболочки в узле сопряжения с фундаментом, связывающий между собой изгибающий момент
М (а) и изменение угла (р(в) между касательной к нейтральной линии и осью
ОХ
в точке х = а.
Система уравнений (1) и (2) справедлива при следующих ограничениях на уравнения начальной Фн (х) и конечной ФК (х) нейтральной линии (учет пологости оболочки и ее малых перемещений):
Ф'„ (х) << 1; Ф'к (х) = Ф'н (х) + и/(х) << 1. (3)
С учетом сильных неравенств (3) значения углов (рн (а) и (рк (а) равняются:
Ф„ (а) = ФИ' (а); Фк (а) = ФИ' (а) + и/( а), (4)
что используется в третьем краевом условии. Диапазон изменения экспериментально вычисляемого параметра К определяется двумя предельными значениями, характеризующими конструктивное сопряжение оболочки с фундаментом:
|К = 0 или М(а) = 0 - шарнирное соединение; [К^да или ш'(а) = 0- жесткое закрепление.
Считая показатель гибкости оболочки ? > 10, примем следующее распределение коэффициента постели к(х), полученное из формулы для относительного перемещения абсолютно гибкой полосы [1]:
-( х) =-,---^-:-:-—, 0 < < а ■ (6)
1 -1|„
2
г х2Л
1" 5
V а У
1х
+ —
2а
|„
- х I-1„
'1 + х
где —0 - величина коэффициента постели под центром оболочки.
а
а
4/2008_М|ВЕСТНИК
Экспериментальные исследования взаимодействия конструкции «ленточный фундамент - оболочка» с грунтовым основанием, сложенным суглинками различной консистенции, проводились в полевых условиях.
Нагрузка передавалась на ленточные фундаменты статически с помощью грузов. Измерения осадок и контактных давлений под оболочкой производились с помощью прогибомеров 6ПАО и мессдоз мембранного типа.
Ниже приводятся графические результаты расчетов (рис.3, 4) при следующих исходных данных:
2а = 1,5м; Ь = 0,4м; 5 = 0,05м; О = 238кН • м; Р = 82,5кН / м
Коэффициент постели кгр определялся по замеренной средней осадке
№ = 43,3мм ленточного фундамента в отсутствии оболочки:
кгр = рЬ■ итах = 4,76(МН / м3). Оценочное значение среднего модуля деформации грунтового основания, найденное методом послойного суммирования [2] и соответствующее кгр, равняется Егр = 2,5МПа .
При нахождении величины ко исследовалась совместная работа оболочки и загруженного нагрузкой Р ленточного фундамента, что позволило найти реактивный отпор Щгр (0) = 5,49кПа грунта под центром оболочки и его (центра) перемещение 1^(0) = 2,5мм .
Вычисленное значение к0 = Щгр (0)/ 1/1(0) = 2,68МН(м3) позволило конкретизировать численный вид зависимости (6).
а) б)
Рис.3. Изгиб оболочки при переменном (а) и постоянном (б) коэффициентах
постели к (х) ;
линия с кружками соответствует К = 245000 , сплошная линия построена
при К = 0.
ВЕСТНИК МГСУ
4/2008
Найденное значение коэффициента податливости К = 245000 соответствует прохождению кривой прогиба и( х) через точку минимума с координатами X = 0 и и(0) = 2,05ММ .
Для сравнения выполнены расчеты при постоянном коэффициенте постели кСр — 3,59МН / М3 , полученным путем усреднения аналитической зависимости (6) по координате X (рис.36 и 46).
а)
б)
\ /
Л /
V
>
у/
\ /
/
\ /
Л
Рис.4. Распределение реактивного отпора грунта под оболочкой при переменном (а) и постоянном (б) коэффициентах постели.
Необходимость сравнения вызвана тем обстоятельством, что гибкость оболочки с модулем деформации Е = 23000МПа равняется [1]:
^ -3 ОС Гп -7Г\3
I«10
гр
Е
а-=10 • 2,5
83 2,3 104
V
0,75 0,05
= 3,66, (7)
у
что меньше минимального значения ?т|„ = 10, начиная с которого оболочка может считаться абсолютно гибкой.
Таким образом, зависимость (6) должна быть уточнена, в предельном случае может рассматриваться постоянное значение коэффициента посте-
ли
к гр = 1,39к0 = 3,59МН /
м
Как следует из рис.3-а) и 3-6) вид зависимости к(х) практически не влияет на осадку оболочки с К = 0 ив пределах 8% меняет величину осадки оболочки с К = 245000.
Что касается контактных напряжений, то влияние вида распределения коэффициента постели на характер отпора грунта становиться более заметным (рис.4а и 46).
-и,н
4/2008_М|ВЕС"ТНИК
Анализ выполненных исследований показывает, что шарнирное соединение оболочки с фундаментом (К = 0) имеет следующее преимущества по сравнению с соединением с К Ф 0:
- оболочка садится более равномерно, при этом максимальная осадка на концах, равная осадке фундамента, меньше;
- распределение реактивного отпора грунта также является более плавным, тем самым больше вовлекая в работу грунт под оболочкой.
Тем не менее, шарнирное соединение оболочки с фундаментом наталкивает на конструктивные трудности устройства узла сопряжения. Выход из этого затруднения может быть найден путем создания бинарной оболочки, состоящей из двух частей. Верхняя часть, выполненная из стойкого к коррозии волокнистого неметаллического материала с высоким модулем деформации на растяжение, обеспечивает шарнирную связь с фундаментом, нижняя часть из бетона, не имеющая связи с фундаментом, работает на изгиб, сохраняя одновременно нужную форму верхней составляющей.
Литература
1. Горбунов - Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиздат, 1984 - 679 с.
2. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство фундаментов зданий и сооружений. М.:ФГУП ЦПП, 2005 - 130 с.
№аойу 1баапдааёа1а Ейааёоё111й1 тааоп «Аапо1ёёа I АЫО».
