CC BY
10
В.А. Козионов УДК 624.131:624.1
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова О.В.тарасова
ТОО НПФ «Севказэнергоремонт», г. Павлодар
конечноэлементный анализ осадок фундаментов на глинистых грунтах с крупнообломочными включениями
Ацыргы элементтер adiciH сандъщ модельдеу нэтижеci бойынша тозшацды-балшъщты топырацтагы уй цалыптарын анъщтау кезтде оныц тек цана влшемi мен цурамын гана емес, уй цалыптары мен цузды циыршыцтыц твменгi цабатыныц влшемi арасындагы цатынас квлгмт де есепке алу цажеттт де берiледi.
According to the results of numerical simulation of FEM it is revealed that while evaluating the foundation settlement on powder-argillaceous soils with boulder-blocky inclusions it is strongly recommended to take into account not only the size and the content of inclusions but also the correlation between the bottom of foundation and rocky debris
Строительство современных высотных зданий и сооружений часто связано с использованием в качестве их оснований крупнообломочных грунтов с заполнителем или разнообразных пылевато-глинистых грунтах с крупнообломочными включениями. При расчетах осадок фундаментов на таких грунтах необходимо учитывать в соответствии с рекомендациями СНиП РК 5.01-01-2002 размер и содержание имеющихся в них крупнообломочных включений (валуны, глыбы) из скальных пород. Главным образом это относится к установлению глубины сжимаемой толщи грунтов под фундаментом. В тоже время специфика крупнообломочных грунтов с заполнителем как композитов природного образования, обусловливает необходимость учета в расчетах осадок фундаментов и ряда других параметров, таких как отношения: размеров включений d к представительному объему образца грунта h; размера расчетной области основания Л к величин h; размеров подошвы фундаментов b к величинам d, h, Л и др. Численные значения подобных параметров для задач механики композитов приведены в работе [1]. Применительно к задачам фундаментостроения в работе [2] приведена геомеханическая модель основания из крупнообломочных грунтов с заполнителем, позволяющая учитывать изложенные выше особенности расчетов, а также требования механики композитных материалов.
Целью данной работы, является исследование влияния ряда структурно-фазовых особенностей пылевато-глинистых грунтов с крупнообломочными включениями на осадку ленточных фундаментов различной ширины с применением указанной геомеханической модели основания. Решение этих задач осуществлялась путем математического модели-
рования взаимодействия фундамента с крупнообломочным основанием. Численные расчеты проводились методом конечных элементов (МКЭ) по лицензионной программе SCAD.
Методика исследований. В качестве основания рассматривался неоднородный грунт, механические свойства которого приведены в таблице 1 [3].
Таблица 1
Механические характеристики грунтов
Механические Компоненты модели Эффективные (осреднгнные)
характеристики параметры
Мергель Суглинок n = 0,2 n = 0,4
Модуль сдвига G, КПа 86436 2148 4831 6079
Модуль деформации Е, КПа 195000 5800 13430 16780
Коэффициент Пуассона V 0,128 0,35 0,39 0,38
Сцепление, КПа 600 46 45 50
Угол внутреннего трения, град. 29 32 27 33
Механические характеристики включений и заполнителя описывались моделью бездилатансионной упругоидеальнопластической среды. Условие прочности описывалось критерием Кулона - Мора. Сетка разбивки содержала до 410 конечных элементов.
Математическое моделирование проводилось на трех типах расчетных моделей основания, представленных на рисунке 1.
а)
71
в)
а - квазиоднородное основание (схема А); б - дискретно-неоднородное основание с соотношением С/Ъ=1,0...3,0 (схема Б); в - дискретно-континуальное основание с соотношением с1/Ъ=0,1.. .0,3 (схема В)
Рисунок 1 - Расчетные схемы оснований из глинистых грунтов с крупнообломочными включениями
Схема А - квазиоднородное основание для расчета осадок фундаментов по механическим свойствам заполнителя и осреднгнным параметрам включений мергеля и заполнителя из суглинка (рисунок 1а, таблица 1).
Схема Б - дискретно-нэоднородное основание с отношением размеров включений к ширине подошвы ленточного фундамента С/Ъ=1,0...3,0 (рисунок 1б).
Схема В - дискретно-континуальное основание (наличие на макроуровне зон неоднородности и квазиоднородности) при С/Ъ=0,1.. .0,3 (рисунок 1в).
Все расчеты МКЭ проводились для вариантов содержания включений п = 0%, 20% и 40% при размерах ширины подошвы фундамента Ъ = 1, 2, 3 и 4 м.
Анализ результатов численных экспериментов. Рассмотрим, первоначально, особенности осадок фундаментов для оснований, моделируемых квазиоднородной средой (рисунок 1а - схема А). Зависимости осадок фундаментов S от среднего давления по их подошве Р, т.е. 5 = f (Р), приведены на рисунке 2.
72
а) - п = 0; б) - п = 0,2; в) - п = 0,4; 1 - Ь = 1 м; 2 - Ь = 2 м; 3 - Ь = 3 м; 4 - Ь = 4 м Рисунок 2 - Графики S = f (Р) для квазиоднородных оснований по схеме А
Из рисунка 2 следует, что графики 5 = f (Р) имеют нелинейный характер и существенно зависят как от содержания включений, так и ширины подошвы фундамента. Учет крупнообломочных включений может уменьшить расчетную осадку фундамента до 56%. Для аппроксимации графиков 5 = f (Р) использована формула [4]
5= (1-У2)ю-6р1/т
4'" ,
где Аг и т - коэффициент деформируемости и параметр упрочнения; Ш - коэффициент формы и жесткости фундамента; п - коэффициент относительной поперечной деформации грунта.
(1)
Определение параметров А2 и т осуществлялось по компьютерной программе. Результаты их вычислений для схемы А приведены в таблице 2.
Таблица 2
Параметры нелинейного деформирования основания
Показатели А
Значения параметров ^ и
Ь = 1 м Ь = 2 м
Схема А Схема Б Схема В Схема А | Схема Б Схема В
п=0,0
А7 0,186 0,186 0,186 0,470 0,470 0,470
т 1,21 1,21 1,21 1,23 1,23 1,23
п=0,2
а7 0,156 0,212 0,195 0,413 0,474 0,432
т 1,27 1,06 1,09 1,27 1,09 1,18
п=0,4
а7 0,158 0,218 0,192 0,414 0,467 0,432
т 1,26 1,01 1,07 1,27 1,02 1,11
Анализ таблицы 2 показывает, что для исследованных квазиоднородных схем крупнообломочных оснований параметр упрочнения т несущественно зависит от ширины подошвы фундамента и содержания включений, тогда как различие в коэффициентах А2 для фундаментов шириной Ь=1 м и Ь=2 м достигает 60,4%.
Рассмотрим далее особенности расчетных осадок фундаментов, полученных путем учета дискретности строения оснований в соответствии со схемами, приведенными на рисунках 1б (схема Б) и 1в (схема В). Характерные результаты вычислений, представленные в форме графиков 5 = f (Р) , приведены на рисунке 3.
73
а, в - для п = 0,2; б, г - для п = 0,4; 1 - неоднородная среда Ь=1м; 2 - неоднородная среда Ь=2м; 3 - квазиоднородная среда Ь=1м; 4 - квазиоднородная среда Ь=2м
Рисунок 3 - Графики S = f (Р) для неоднородных оснований по схемам Б и В
Результаты вычислений параметров нелинейного деформирования Аг и т для схем оснований Б и В приведены в таблице 2.
Обобщенный анализ полученных результатов показывает, что учет крупнообломочных включений в основании фундаментов снижает их осадку для всех рассмотренных расчетных схем. Зависимость параметров Аг и т от содержания включений ширины фундамента, расчетной схемы основания имеет сложный характер. Для однотипных схем при одинаковой ширине подошвы фундамента величины Аг и т несущественно зависят от содержания включений в интервале п=0,2.. .0,4. Вариации параметра т независимо от использованных величин Ь и п для схем Б и В составляют 1,01.1,18. Изменения параметра Аг при фиксированной ширине фундамента для схем оснований Б и В в интервале п=0,2...0,4 также не столь значительны. В то же время, параметр Аг существенно зависит от ширины подошвы фундамента.
Рассмотрим соотношения между осадками фундаментов, рассчитанных для рассмотренных выше моделей оснований на примере фундамента шириной Ь = 2 м при значении п = 0,4. Данные вычислений приведены в таблице 3.
74
Таблица 3
Осадки фундаментов для различных моделей основания
Ступень давления Р, кПа Осадки фундаментов, м для моделей основания
однородное по заполнителю осредненное по схеме А неоднородное по схеме Б неоднородное по схеме В
100 0,0404 0,0160 0,0208 0,0137
200 0,0754 0,0326 0,0424 0,0280
300 0,1210 0,0486 0,0640 0,0423
400 0,1628 0,0678 0,0856 0,0573
600 0,2680 0,1188 0,1274 0,0970
Из таблицы 3 следует, что адекватности осадок не наблюдается ни для одной из рассмотренных моделей оснований. Например, при нагрузке на фундамент Р=400 кПа
различие в осадках составляет 15,5___33,1%. При этом важно отметить, что наименьшее
различие в осадках фундаментов наблюдается для моделей оснований в виде осред-ненной (рисунок 1а) и дискретно-континуальной (рисунок 1в) сред. Это подтверждает положение о том, что с увеличением отношения ЬЛ5 (Ь - ширина фундамента, d - размер неоднородности основания) расчет осадок фундаментов с использованием осредненной модели основания будет лучше соответствовать их фактическим значениям.
При определении осадок фундаментов на пылевато-глинистых грунтах с крупнообломочными включениями необходимо учитывать не только размер и содержание включений, но и величину соотношения между размерами подошвы фундамента и скальных обломков. Учет данного требования можно осуществить путем использования для указанных типов грунтов, рассмотренной дискретно-континуальной модели основания и формулы (1).
ЛИТЕРАТУРА
1. Болотин В.В. Механика композитных материалов и конструкций из них //В кн. Строительная механика. Современное состояние и перспективы развития. - М. : Стройиздат, 1972. - 191 с.
2. Козионов В.А. Расчетная модель взаимодействия фундаментов с дискретно-неоднородным основанием // Материалы научно-практической конференции «Социально-экономические и исторические предпосылки и приоритеты развития Павлодарского Прииртышья». - Том 3. - Павлодар : ПГУ им. С. Торайгырова, 2008. - С. 70 - 76.
3. Козионов В.А., Тарасова О.В. Расчетная оценка влияния формы и содержания включений на механические свойства обломочно-глинистых грунтов // Материалы международной научной конференции «VII Сатпаевские чтения». Т.6, Ч. 1. - Павлодар : ПГУ им. С. Торайгырова, 2009. - С. 120 - 126.
4. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М. : Высшая школа, 1978. - 447 с.
75
