CC BY
13УДК 624.151.5
Барыкин Б.Ю., к.т.н., доцент, Дьяков А.И., аспирант
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ ОТДЕЛЬНО СТОЯЩИХ ФУНДАМЕНТОВ ПРИ НАГРУЗКАХ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ НЕДИНАМИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА
Проанализированы результаты предварительных экспериментальных исследований работы отдельно стоящих фундаментов при нагрузках с изменяющейся интенсивностью, проведено планирование дальнейших экспериментальных исследований работы отдельно стоящих фундаментов при повторных загружениях нединамического характера.
Ключевые слова: отдельно стоящие фундаменты, циклические нагрузки, предварительные загружения, эпюра контактных напряжений, продавливание
Введение
Действующие в Украине и других странах СНГ нормы, многие другие современные методики расчета фундаментов не учитывают влияние циклического нединамического изменения эксплуатационных нагрузок на несущую способность фундаментов на продавливание и изгиб. При этом работа грунта основания в силовом взаимодействии системы «фундамент-грунт», как правило, рассматривается лишь в упругой стадии.
В реальных условиях нагрузка на большинство отдельно-стоящих фундаментов носит переменный, циклический характер, что приводит к трансформации силового взаимодействия системы «фундамент-грунт», связанной с возникновением пластических и других остаточных деформаций. Соответственно должен изменяться и максимальный результирующий итог взаимодействия - величина несущей способности фундамента.
Анализ публикаций
Значительный вклад в выявление процесса разрушения фундаментов, поведения грунтового основания внесли [1, 2, 3, 4, 5, 6 и др.]. В настоящее время выявлены многие особенности работы фундаментов и грунтового основания, разработаны различные методики расчета конструкций. Вместе с тем, исследования работы отдельно стоящих фундаментов проводились под действием статических нагрузок с однократным загружением либо динамических нагрузок. Практически нет исследований работы фундаментов под действием нагрузки с нединамически изменяющейся интенсивностью.
Отдельные исследования влияния повторности нагружения на перемещения и несущую способность основания, проведенные в ходе штамповых испытаний и исследований в компрессионном приборе [7, 8] свидетельствуют о том, что многократные действия нагрузок вызывает постоянное накопление остаточных деформаций в грунте, неравномерность осадок сооружения, что нарушает условия эксплуатации зданий. Выявлено, что осадка, крен, горизонтальные перемещения штампов и моделей фундаментов возрастают с увеличением числа циклов, уровня нагрузки, уменьшением коэффициента асимметрии цикла, плотности основания. При этом причиной роста перемещений фундаментов признаны постоянная переориентация частиц, разрушение контактных зацеплений и зерен.
В данных и других исследованиях не изучено влияние повторных нагружений на изменение силового взаимодействия фундамента и грунтового основания, работу железобетонного фундамента, не выявлено изменение несущей способности конструкций после воздействия повторных нагрузок, что вызывает необходимость проведения целенаправленных исследований.
Цель и постановка задачи исследований
Цель статьи - планирование экспериментальных исследований работы отдельно стоящих фундаментов при нагрузках с изменяющейся интенсивностью нединамического характера.
Задачи статьи:
- изучение и анализ результатов предварительных экспериментальных исследований работы отдельно стоящих фундаментов при повторных нагрузках;
- оценка актуальности проведения дальнейших исследований в рассматриваемой области;
- планирование экспериментальных исследований работы отдельно стоящих фундаментов на основе выявленных предварительным экспериментом зависимостей.
Методика исследований
Методы исследований: качественный и количественный анализ экспериментальных исследований, факторный и сравнительный анализ, метод аналогий и сравнений, графический метод, метод рационального планирования (комбинационный квадрат).
Результаты и их анализ
Для предварительной оценки особенностей работы отдельно стоящих фундаментов при нагрузках с изменяющейся интенсивностью была проведена серия экспериментов, которая включала испытание двух образцов фундаментов при однократном загружении и трёх образцов с пятиразовым предварительным загружением нагрузкой интенсивностью 25%, 50%, 75% от расчетной разрушающей нагрузки соответственно. В процессе экспериментов измеряли уровень внешней нагрузки, нормальные контактные напряжения под подошвой фундамента, напряжения в рабочей арматуре.
Рис. 1. Фото подошвы моделей фундаментов Ф-1, Ф-2, Ф-3, Ф-4, Ф-5 после разрушения
Для проведения предварительных экспериментальных исследований было изготовлено пять одинаковых моделей фундаментов размерами в плане 0,5x0,5 м и толщиной плиты 0,05 м, армированных плоскими сетками из арматуры Вр-1. Испытания
проводили в металлическом грунтовом лотке, заполненном кварцевым песком. Нагрузку создавали домкратом ДГ-50-2 в комплекте с автономной насосной станцией высокого давления НСР-400М, оборудованной образцовым манометром на 20 т, класса точности 0,4.
Экспериментальные исследования опытных моделей фундаментов показали, что наличие предварительного загружения конструкций приводит к снижению несущей способности фундамента. Фото разрушения подошвы опытных образцов фундаментов представлено на рис. 1.
Рис.2. Эпюры нормальных контактных напряжений под образцом Ф-1, Ф-2, Ф-3, Ф-4, Ф-5 при 1, 2, 3, 4, 5 и 6-м загружениях
Анализ изменения формы эпюры нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента (рис. 2) показал, что при многократном загружении происходит уплотнение грунта у краевых зон фундамента. При этом эпюры нормальных контактных напряжений после многократных загружений имеет форму в меньшей степени трансформированную в параболическую, чем при однократном загружении. Учитывая, что трансформация эпюры нормальных контактных напряжений от седлообразной к параболической способствует повышению несущей способности фундаментов, снижение уровня трансформации эпюры при повторных загружениях можно рассматривать как одну из основных причин снижения несущей способности фундаментов при нагрузках с изменяющейся интенсивностью. Вместе с тем необходимо исследование процессов, происходящих в теле фундамента при повторных загружениях, создание методики расчета фундаментов на изгиб и продавливание, учитывающей характер нагружений.
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что работа фундаментов на изгиб и продавливание, а так же их силовое взаимодействие с грунтовым основанием при циклически изменяющихся нагрузках нединамического характера не являются достаточно изученными. Требуется проведение дополнительных экспериментов, которые позволят выявить роль таких факторов, как: гибкость и армирование плитной части конструкции, режим нагружений и т.д. Необходима разработка методики расчета фундаментов на изгиб и продавливание, учитывающей как особенности системы фундамент-грунт, так и историю нагружений фундаментов.
Проведенные теоретические и предварительные экспериментальные исследования показали, что на работу отдельно стоящих фундаментов при нагрузках с изменяющейся интенсивностью оказывают существенное влияние следующие факторы: интенсивность предварительных нагружений, количество предварительных нагружений, процент армирования и толщина плитной части фундамента.
Для всех планируемых экспериментальных исследований геометрические размеры моделей фундаментов в плане приняты постоянными, равными 0,5 х 0,5 м., а размеры колонны - 0,1 х 0,1 х 0,1 м. Размеры плитной части фундамента приняты исходя из габаритов экспериментальной установки - грунтового лотка таким образом, чтобы эффект «обоймы» от стен лотка не значительно влиял на распространение напряжений в грунтовом массиве.
На основании анализа экспериментальных и теоретических исследований, целесообразно принять следующую градацию варьируемых параметров:
- уровень предварительных нагружений - 25%, 50%, 75% от предполагаемой разрушающей нагрузки;
- количество предварительных нагружений - 1, 5, 10;
- процент армирования плиты - 0,05%, 0,5%, 1%;
- толщина плиты - 3 см, 5 см, 10 см.
Проведенные испытания показали, что предварительные нагружения малой интенсивности (до 10... 15% от разрушающей нагрузки) не оказывает весомого влияния на несущую способность фундамента и работу грунтового основания. В связи с этим, в исследованиях по определению влияния интенсивности предварительного нагружения на работу отдельно стоящих фундаментов, нижний предел исследуемого параметра принят на уровне 25% от предполагаемой разрушающей нагрузки. Шаг варьируемой интенсивности нагрузки предварительных нагружений в экспериментах установлен в размере 25% от предполагаемой разрушающей нагрузки, что позволяет получить минимальное необходимое количество экспериментов для построения зависимостей.
Теоретические исследования показали, что при многократных предварительных нагружениях фундаментов нагрузкой одной интенсивности, перераспределение эпюры нормальных контактных напряжений и доуплотнение грунтового основания происходит преимущественно при первых десяти нагружениях. Основываясь на этом, количество
предварительных нагружений образца нагрузкой одной интенсивности принято со следующей градацией:
- минимальное количество предварительных загружений - 1;
- максимальное количество предварительных загружений - 10;
- промежуточное значение данного параметра - 5.
В теоретических и экспериментальных исследованиях [4, 5] установлена зависимость несущей способности отдельно стоящих фундаментов от процента армирования плитной части фундамента. Однако данные исследования проводились при однократных статических или динамических загружениях, практически нет исследования влияния процента армирования плиты при нагрузках с нединамически изменяющейся интенсивностью. Таким образом для выявления влияния процента армирования на несущую способность фундаментов после воздействия предварительных загружений необходимо исследовать работу отдельно стоящих фундаментов с минимальным (0,05%), максимальным (1%) и промежуточным процентом армирования.
Отдельно стоящие фундаменты условно принято разделять на гибкие и жесткие. Данное разделение характеризуется отношением толщины плитной части фундамента к её длине. Многочисленные опыты, проведенные [1, 2, 3, 4, 5, 6], показали, что принципиальным отличием в работе гибких отдельно стоящих фундаментов от жестких является степень перераспределения эпюры нормальных контактных напряжений от седлообразной формы в параболическую. Такое перераспределение обеспечивает концентрацию нормальных напряжений под центральной частью фундамента и тем самым повышает его несущую способность. Оно изучено прим однократном загружении конструкций. В связи с этим при планировании эксперимента предусмотрено изучить влияние жесткости фундамента на его работу под действием нагрузок с изменяющейся интенсивностью. В качестве варьируемых параметров, при неизменных размерах плиты в плане (0,5 х 0,5 м), для определения влияния жесткости, принята толщина плитной части фундамента соответствующая следующей градации (где Ь - длина плитной части фундамента, 1 - ширина плитной части фундамента):
- гибкий фундамент с соотношением ЬЛ= 17-3 см;
- гибкий фундамент с промежуточным соотношением ЬЛ= 10-5 см;
- фундамент на границе гибкого и жесткого с соотношением ЬЛ=5 - 10 см.
Таким образом, при различных сочетаниях 4 факторов с 3 вариантами параметров в каждом, для получения осредненных данных с достоверностью 95% с коэффициентом вариации 25%, необходимо провести 324 опыта.
1 5 1аи з а 1 I И шпз
т
1Ш
3 Ь5
1,0
да
5 0,3
0,0.5
10 013
^0
пак Ж
Рис. 3. Комбинационный квадрат
Для оптимизации экспериментальных исследований и получения наиболее достоверных результатов было проведено планирование эксперимента. Анализ существующих методик рационального планирования эксперимента показал, что одним из наиболее оптимальных методов для решения подобных задач является метод построения комбинационных квадратов [9].
С учётом выбранных параметров проведено планирование эксперимента путём составления комбинационного квадрата (рис. 3). Оно показало, что для анализа влияния вышеперечисленных факторов необходимо провести 9 испытаний опытных образцов фундаментов с различным варьированием исследуемых факторов.
Помимо определенных методом рационального планирования опытов предусматривается испытание серии фундаментов с переменной толщиной плиты (3, 5, 10 см) и осредненным процентом армирования (0,5%) при однократном статическом загружении. Данные испытания необходимы для анализа существующих методик расчёта и сопоставления результатов, полученных при однократных и многократных загружениях с нединамически изменяющейся интенсивностью. Испытание фундаментов с различным процентом армирования плитной части при однократных загружениях не предусматривается, т.к. данный фактор достаточно изучен многими исследователями, что даёт возможно учесть его влияние при обработке результатов.
Выводы
- Работа фундаментов при нагрузках с изменяющейся интенсивностью нединамического характера в настоящее время не достаточно изучена;
- Предварительный эксперимент показал, что воздействие на отдельно стоящие фундаменты нагрузок с циклически изменяющейся интенсивностью нединамического характера приводят к снижению несущей способности фундаментов на продавливание и изгиб после повторных нагружений;
- При повторных нагружениях у гибких фундаментов эпюра нормальных контактных напряжений имеет форму менее трансформировавшуюся в параболическую, чем при первичном нагружении. Одной из причиной является то, что зона уплотнения грунта первоначально возникает под центральной частью фундамента и при повторных нагружениях она развивается к краям подошвы конструкции.
- Менее криволинейная эпюра нормальных контактных напряжений при повторных напряжения приводит к более быстрому росту напряжений в нормальных и наклонных сечениях фундамента, что обуславливает снижение его несущей способности на изгиб и продавливание.
- Для разработки методики расчета фундаментов с учетом влияния повторных нагружений целесообразно проведение дальнейших исследований, которые позволят выявить влияние таких факторов, как история нагружений, конструктивные особенности фундамента и др.
- Для запланированных экспериментальных исследований необходимо провести 9 испытаний опытных образцов фундаментов с различным варьированием исследуемых параметров.
список литературы
1. Ривкин С.А., Кузнецов Л.В. Экспериментальные исследования работы одноблочных железобетонных фундаментов под колонны. «Основания, фундаменты и механика грунтов». - 1964. - № 4. - С. 19-22.
2. Мурзенко Ю.Н. Основные закономерности изменения напряженного состояния песчаного основания по контакту поверхности фундаментов при возрастании нагрузок. «Исследования оснований, фундаментов и гидротехнических сооружений». - Новочеркасск: НПИ, 1970.-С. 3-12.
3. Мурзенко Ю.Н. Результаты экспериментальных исследований характера распределения нормальных контактных напряжений по подошве фундаментов на песчаном основании. «Основания, фундаменты и механика грунтов». - 1965. - № 2. - С. 1-4.
4. Тетиор А.Н. Расчет прочности фундаментов по наклонным сечениям. «Плитные фундаменты зданий и сооружений». - Симферополь, 1983. - С. 20-24.
5. Мурзенко Ю.Н., Цесарский A.A. Анализ напряженно-деформированного состояния железобетонной фундаментной плиты и её совместной работы с песчаным основанием. «Исследование напряженно-деформированного состояния оснований и фундаментов». -Новочеркасск : НПИ. - С. 35-41.
6. Цесарский A.A. Экспериментальная проверка условий моделирования силового взаимодействия железобетонных фундаментов и песчаного основания. «Экспериментально-теоретические исследования строительных конструкций, оснований и фундаментов». -Новочеркасск : НПИ, 1974, С. 51-55.
7. Евдокимцев О.В. Влияние повторности нагружения на перемещения и несущую способность основания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Тамбов. : ТГТУ, 2001. - 27 с.
8. Алексеев В.М., Евдокимцев О.В., Леденев В.В. Экспериментальные исследования работы фундаментов при действии центральной и внецентренной многократно повторной нагрузки. ВНИИТПИ, № 11691. - М., 1998. - 25 с.
9. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования экспериментов. -М. : изд-во «Наука», 1970.
УДК624.131.5037
Ефремов A.B., Титаренко В.Н.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства. Пушкарев А.Б.
Крымская астрофизическая обсерватория
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ ОПОЛЗНЕЙ
Рассмотрена динамика оползней за последние пятьдесят лет и тенденция их развития на перспективу, систематизированы основные причины, влияющие на увеличение количества оползней в прибрежных зонах Крыма, отражена роль глобального потепления в образовании и развитии оползней за счет эрозии почвы, увеличения количества паводков, увеличения увлажненных земель и др. Раскрыты причины невысокой эффективности использования методов борьбы с оползневыми явлениями, разработана математическая модель поведения оползня в момент его перехода от устойчивого или неустойчивого положения к активной форме, то есть к катастрофе и посткатастрафическому движению.
Ключевые слова: оползни, прибрежная зона Крыма, методы борьбы с оползнями, математические модели
В период все большего освоения «неудобных земель», новых, пока еще мало использованных территорий, в частности находящихся в зонах оползней, механика грунтов, как теоретическая и прикладная дисциплина приобретает в практике строительства все возрастающее значение. Однако некоторая особенность методов механики грунтов, требующая решения задач на комплексной базе, в известной мере затрудняет полноценное использование ее выводов. Особенно остро этот вопрос стоит применительно к оползневым явлениям на территориях рекреационных зон, которые характеризуются природной специфичностью. Поэтому целью статьи является ознакомление специалистов работающих в области моделирования поведения оползней с подходом авторов к решению указанной проблемы.
