Разработка инженерного метода расчета несущей способности основания заглубленного фундамента на основе анализа напряженно-деформированного состояния

Расчет основания любого здания и сооружения проводится по двум группам предельных состояний: несупдей способности (устойчивости) и допустимым осадкам.

Расчет по первому из этих предельных состояний особенно необходим тогда, когда здание или сооружение располагается в непосредственной близости или на самом грунтовом массиве, где протекают склоновые процессы.

В основу формул, приводимых в СНиП [70- 71], положена известная расчетная схема, когда невесомая однородная полуплоскость нагружается равномерно распределенной нагрузкой конечной ширины и полубесконечными боковыми пригрузками, которые имитируют соответственно нагрузку от самого здания и вес грунта, находяп]-егося выше подошвы фундамента (обратной засыпки).

Такая расчетная схема наделена большим количеством недостатков, что во многих случаях определяет получение не вполне достоверного результата расчета [77]. К основным недостаткам данной расчетной схемы относятся:

— не учитывается собственный вес грунта, находяш-егося как выше, так и ниже подошвы фундамента;

— в расчетные формулы (на стадии их вывода) не входит величина коэффициента бокового давления Ао;

— боковые полубесконечные пригрузки лишь приближенно имитируют поле вертикальных напряжений от собственного веса грунта обратной засыпки на уровне подошвы фундамента, а горизонтальные и касательные напряжения здесь полностью игнорируются;

— величина предельно допустимой нагрузки на основание определяется из условия, будто оно целиком «перешло» в предельное состояние;

— формулы СНиП могут быть использованы только тогда, когда нагрузка от сооружения является равномерно распределенной;

— в подавляющем больщинстве расчетных методов используется гипотеза об уплотненном грунтовом ядре треугольной формы, образующемся под фундаментом.

Данные обстоятельства определяют необходимость проведения научных исследований, целью которых была бы разработка инженерного метода расчета несущей способности оснований сооружений, где, в той или иной степени, были бы устранены все перечисленные ранее недостатки.

При решении задач о несущей способности оснований фундаментов используются модели линейной теории упругости, теории пластичности и, так называемые, нелинейные и смешанные модели.

Если подходить формально к вопросу о выборе расчетной модели, то следует отметить, что модель линейной теории упругости можно применять лишь при такой интенсивности внешних нагрузок, когда все основание сооружения работает как упруго деформируемое тело. Аппарат теории пластичности, напротив, позволяет определить такую интенсивность внешнего воздействия, когда все основание «перешло» в пластическое состояние и произошло его разрушение. Экспериментальные и теоретические данные говорят о том, что при всех прочих равных условиях интенсивность внешней нагрузки Лзар, при которой происходит зарождение в основании сооружения областей предельного состояния грунта, в 6−10 раз меньше предельно допустимой (Зпред, Т. е. той, когда основание полностью разрушается [31]. Это обстоятельство убедительно говорит о том, что при решении задач о несущей способности оснований сооружений следует использовать модели нелинейной теории упругости или смешанной задачи Теории упругости и теории пластичности грунта, которые в последнее время активно развиваются как отечественными, так и зарубежными учеными.

Вопросам использования нелинейной теории упругости применительно к задачам о несущей способности оснований сооружений посвящены работы С. С. Вялова [25−27], Ю. К. Зарецкого [27], М. В. Малышева [52−53], Ю. Н. Мурзенко [61], В. И. Соломина и В. Н. Широкова [74] и других.

Модель смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунта успешно применяют в своих исследованиях А. Н. Богомолов [3−24], А. К. Бугров [2], С. С. Голушкевич [28], М.И.Горбунов-Посадов [31−33], М. В. Малышев [53], Ю. Н. Мурзенко [61], В. В. Соколовский [72−74], И. В. Федоров [82−83], В. К. Цветков [88−91] и многие другие российские ученые.

Следует отметить и зарубежных исследователей, внесших весомый вклад в решение задач о несущей способности оснований в нелинейной постановке. Это K. Akai [94], R. Hilscher [96], Н. Lundgren и К. Mortensen [98], G. Tschebatariof [101], R.F. Scott [100], Z. Mroz [99], A. Barbas и R. Frank [95] и многие другие.

Тем не менее, большое количество задач, связанных с расчетами оснований сооружений по несущей способности (устойчивости), остается еще очень далеко от окончательного решения.

Одной из таких задач является разработка инженерного метода расчета несущей способности оснований заглубленных фундаментов, построенного на решении смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунта и методов теории функций комплексного переменного, что и является целью настоящей работы.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1) определить коэффициенты отображающей функции, чтобы можно было отображать полубесконечные области с трапециевидными вырезами на их горизонтальной границе при различных отношениях ширины выреза к его глубине Ib/h].

2) провести анализ трансформации напряженно-деформированного состояния однородного весомого основания при использовании различных расчетных схем;

3) провести численное моделирование процессов разрушения грунтовых оснований заглубленных в грунт фундаментов;

4) на основе анализа результатов численного моделирования разработать инженерный метод расчета несущей способности оснований, включающий удобные для применения формулы и графики и формализовать его в соответствующую компьютерную программу;

5) провести экспериментальные исследования для обоснования возможности практического применения предлагаемого инженерного метода.

Научная новизна работы состоит в том, что для решения поставленной задачи впервые использованы: аналитическое решение задачи теории упругости для весомой однородной полуплоскости с криволинейной границей, полученное на основе применения методов теории функций комплексного переменногоприближенное решение соответствующей смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунта, методика построения наиболее вероятной поверхности выпора грунта из основания сооружения и определения коэффициента устойчивости основания при упругопластическом распределении напряжений в грунтовом массиве. Разработана и апробирована схема для расчета несущей способности основания заглубленных фундаментов. Проведен анализ изменения напряженно-деформированного состояния основания фундамента при использовании расчетной схемы Фламана и схемы, предлагаемой нами. Установлено, что положение точки зарождения наиболее вероятной поверхности выпора грунта при всех прочих равных условиях зависит от величины отношения 2Ык и не зависит от величины интенсивности прикладываемой нагрузки. Получены графоаналитические зависимости для вычисления несущей способности основания заглубленных фундаментов при условии образования и развития областей пластических деформаций (условия смешанной задачи).

На защиту выносятся:

1) Графо-аналитические зависимости, позволяющие определять коэффициенты отображающей функции, при заранее заданных численных значениях величины ширины выреза (2ЛЛ) и угла наклона боковой стороны выреза к горизонту Д.

2) результаты анализа трансформации поля напряжений в однородном основании заглубленного фундамента в зависимости от вида используемой при расчете схемы;

3) инженерный метод расчета несущей способности однородного основания заглубленного фундамента;

4) формулы и графики, дающие возможность реализовать защищаемый инженерный метод;

5) компьютерная программа для расчета величины несущей способности заглубленного фундамента;

6) практические рекомендации о возможности применения защищаемого инженерного расчетного метода и границах его использования.

Достоверность результатов исследований и рекомендаций диссертационной работы обусловлена: теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения теории упругости, теории пластичности, механики грунтов и инженерной геологииудовлетворительной сходимостью результатов лабораторного моделирования процессов потери устойчивости основаниями фундаментов с результатами теоретических расчетов при различных значениях интенсивности внешней нагрузки и физико-механических свойств материала модели;

— сходимостью результатов расчетов несущей способности оснований предлагаемым инженерным методом с поведением реальных объектов в натурных условиях.

Практическая ценность работы заключается в возможности применения ее результатов для.

1) расчета несущей способности однородных оснований заглубленных в грунт фундаментов;

2) исследования напряженного состояния оснований заглубленных фундаментов при различных величинах значений интенсивности внешней нагрузки ц и отношения 2Ь/к.

3) отслеживания процесса развития областей пластических деформаций в основаниях заглубленных фундаментов при различных значениях д, 2Ь/к и физико-механических свойств грунтов.

Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедрах «Строительные конструкции, основания и надежность сооружений» ВолгГАСА и «Городское строительство и хозяйство» Волжского инженерно-строительного института филиала ВолгГАСА при изучении курса «Механика грунтов, основания и фундаменты», курсовом и дипломном проектировании и Управлением капитального строительства администрации г. Волжского.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и опубликованы в трудах Региональной конференции «Крупные города на пороге XXI века: проблемы, перспективы» (Волгоград, 1999 г), международного семинара по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям (Пермь, 2000 г.), международных конференциях: «Проблемы экологии в строительстве» (Греция, Ираклион, 2000 г.), «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2000 г.), «Современные проблемы фундаментостроения» Волгоград, 2001 г.), научно-технических конференциях Пермского государственного технического университета. Волгоградской государственной.

11 архитектурно-строительной академии и Волжского инженерно-строительного института (1997;2001гг.), заседаниях научно-технических советов Волгоградского филиала АООТ «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» и управления капитального строительства администрации г. Волжского Волгоградской области.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Результаты анализа недостатков некоторых существующих методов расчета несущей способности оснований заглубленных фундаментов в смешанной постановке, проведенного в диссертационной работе, говорят о необходимости совершенствования этих методов. Поэтому задача о разработке инженерного расчетного метода, свободного от большинства из упомянутых в главе 1 недостатков, является актуальной.

2. Для реализации данной задачи автор впервые использовал решение, построенное на основе применения методов теории функций комплексного переменного. В рамках проведенных нами исследований получены графоаналитические зависимости геометрических параметров выреза на границе полуплоскости и численных значений коэффициентов отображающей функции, которые совместно с использованием приема «частично снимаемой нагрузки» позволяют проводить изучение напряженно-деформированного состояния и определение коэффициентов устойчивости оснований заглубленных фундаментов при всех рассматриваемых в диссертационной работе значениях величины отношения 2Ь/к.

3. Показано, что использование принятой расчетной схемы, по сравнению с расчетной схемой Фламана, влечет за собой следующую разницу в численных значениях напряжений в соответствующих точках основания: ак-15−40%- о, — 50 — 70%, а тА, — 10−20%. Величина коэффициента устойчивости основания заглубленного фундамента (при всех прочих равных условиях) увеличивается на 5 — 40%.

4. Установлено, что с увеличением отношения 2Ь/к точка зарождения наиболее вероятной поверхности выпора грунта смещается от оси симметрии расчетной схемы. Причем, величина этого смещения зависит только от отношения 2Ь/к и не зависит от интенсивности приложенной нагрузки д.

5. В результате компьютерного моделирования процесса потери устойчивости основаниями заглубленных фундаментов (всего проведено 2304 вычисления) разработан инженерный метод расчета их несущей способности, включающий графоаналитические зависимости, позволяющие быстро и достоверно определять величину коэффициента устойчивости, величины допустимой и предельно допускаемой нагрузок на основание.

6. Сопоставление результатов, получаемых на основе применения широко апробированных расчетных методов, результатов экспериментов, проведенных другими авторами, и поведением реально существующих объектов в действительности, с результатами расчетов, проводимых на основе использования предлагаемого расчетного метода, показывают их удовлетворительную сходимость. Это, в свою очередь, позволяет рекомендовать разработанный в диссертационной работе инженерный метод расчета несущей способности основания заглубленных фундаментов для практического использования.

7. Инженерный метод формализован в виде компьютерной программы, которая широко используется в учебном процессе, при проведении научных исследований и решении прикладных задач.

8. Результаты диссертационной работы внедрены и использованы проектными отделами Управления капитального строительства администрации г. Волжского Волгоградской области, при расчетах несущей способности фундаментов зданий типа КУБ-3. При этом удалось получить расчетные значения допустимой нагрузки на 8 — 10% больше, чем при использовании традиционных методов расчета, это позволило без дополнительных расходов строительных материалов на изготовление фундаментов повысить несущую нагрузку на основание в среднем на 12%.