Исследование несущей способности оснований фундаментов глубокого заложения

Актуальность темы

диссертации. Исследование процесса образования и развития областей пластических деформаций (ОПД) в основании заглубленного фундамента является весьма важным с точки зрения определения его несущей способности. Известная формула Н. П. Пузыревского для определения начального критического давления на грунт, с введением в нее коэффициентов условий работы, положена в основу формулы СНиП для определения величины расчетного сопротивления грунта основания Я. О важности этого вопроса говорит и дискуссия на страницах журнала «Основания, фундаменты и механика грунтов», проходившая в 1996 — 1998 г.г.

Поэтому задача об определении размеров областей пластических деформаций в основании фундамента глубокого заложения вследствие изменения физико-механических свойств грунта и величины интенсивности внешнего воздействия является весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является выявление закономерностей процесса образования и развития областей пластических деформаций в однородном и изотропном основании ленточного фундамента глубокого заложения вследствие изменения физико-механических свойств грунта и величины интенсивности внешнего воздействияразработка на их основе компьютерной программы, позволяющей вычислять глубину развития областей пластических деформаций для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего воздействия.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. обоснована необходимость решения задачи о развитии областей пластических деформаций в основании фундамента глубокого заложения;

2. определены и обоснованы пределы изменения параметров, влияющих на процесс образования и развития областей пластических деформаций;

3. показаны преимущества применения методов теории функций комплексного переменного для достижения поставленной цели;

4. определены коэффициенты отображающей функции, совершающей конформное отображение нижней полуплоскости на полуплоскость с трапециевидным вырезом, имеющей различные значения отношения глубины выреза к его ширине. Составлены и отработаны расчетные схемы;

5. на основе компьютерного моделирования процесса образования и развития областей пластических деформаций получены графоаналитические зависимости глубины проникновения ОГТД под фундамент от численного значения величины интенсивности внешней равномерно распределенной нагрузки для рассмотренных в работе сочетаний реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего воздействия. Эти зависимости составили базу данных при разработке компьютерной программы;

6. разработана и апробирована компьютерная программа, позволяющая вычислять глубину развития областей пластических деформаций для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего воздействия, рассмотренных в настоящей работе;

7. проведено сопоставление результатов компьютерного моделирования с результатами исследований, выполненных сторонними авторами;

8. результаты исследований внедрены при проведении учебного процесса в ВолгГАСУ и решении прикладных задач.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлены: теоретическими предпосылками, опирающимися на фундаментальные положения методов теории функций комплексного переменного, теории упругости, пластичности, механики грунтов и инженерной геологииудовлетворительной сходимостью результатов моделирования процессов разрушения оснований моделей фундаментов с результатами теоретических исследований при различных значениях параметров внешней нагрузки и физико-механических свойств эквивалентного материаласходимостью результатов теоретических исследований с данными натурных наблюдений и опытов, проведенных независимо от нас другими авторами.

Отметим, что наиболее адекватно условия работы основания заглубленного фундамента отражают методы, основанные на решениях соответствующих задач методами теории функций комплексного переменного. Эти методы применительно к механике грунтов, по-видимому, впервые нашли свое отражение в работах Н. А. Цытовича, 3. Г. Тер-Мартиросяна, Д. М. Ахпателова и Г. Е. Шалимова [19, 98 — 102- 114 — 116], В. А. Лыткина и Н. Н. Фотиевой [70], В. К. Цветкова [111 — 113], А. Н. Богомолова [2, 22 — 41] и продолжают использоваться для решения различных задач геомеханики.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. установлено, что между величиной интенсивности внешнего воздействия и глубиной развития областей пластических деформаций не всегда существует линейная зависимость, как это следует из формулы Н. П. Пузыревского;

2. процесс роста ОПД проходит в несколько этапов, с различными на каждом из них скоростями, а соответствующие графические зависимости могут быть аппроксимированы полиномом пятой степени;

3. разработан инженерный метод расчета глубины развития областей пластических деформации в основании фундамента глубокого заложения, который формализован в компьютерную программу.

Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проводимых на кафедре «Информатика и вычислительная математика» ВолгГАСУ в 1997 — 2005 гг.

Полученные в процессе компьютерного моделирования графоаналитические зависимости и построенная на их базе компьютерная программа могут быть использованы для:

1. расчета глубины развития областей пластических деформаций в основании фундамента глубокого заложения;

2. прогноза поведения основания сооружения вследствие резкого изменения физико-механических свойств грунтов, обусловленного различными природными явлениями;

3. проверки надежности основания сооружения при проведении его ремонта и реконструкции (увеличение этажности, полезных нагрузок, реконструкция и усиление фундаментов и оснований и т. д.);

4. проведения учебного процесса (курсового и дипломного проектирования) на соответствующих кафедрах строительных вузов.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах ежегодных научно-технических конференций ВолгГАСУ (1997 — 2004 гг.), III и IV Международных научно-технических конференциях «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований сооружений» (Волгоград, 2003, 2004 гг.), II и III Международных научных конференциях «Городские агломерации на оползневых территориях» (Волгоград, 2003, 2005 гг.), Каспийской Международной конференции по геоэкологии и геотехнике (Баку, 2003 г.), Международной научно-технической конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Пермь, 2004 г.).

Личный вклад автора заключается в:

1. использовании метода «плавающих точек» проф. В. К. Цветкова для определения коэффициентов отображающей функции в случае отображения односвязной полубесконечной области на полубесконечную область;

2. отработке и обосновании выбора расчетных схем;

3. проведении компьютерного моделирования процесса образования и развития областей пластических деформаций, анализе и обработке их результатов, получении аппроксимирующих зависимостей;

4. разработке алгоритма расчета глубины развития областей пластических деформаций в основаниях фундаментов глубокого заложения в зависимости от всех рассмотренных в настоящей работе факторовформализации этого алгоритма в компьютерную программу;

5. проведении экспериментальных исследований на моделях, сопоставительных расчетах и обработке результатов, полученных другими авторами, что позволило сделать вывод о достоверности результатов настоящей диссертационной работы.

На защиту выносятся:

1. результаты компьютерного моделирования процесса образования и развития областей пластических деформаций в основании ленточного фундамента глубокого заложения и построенные на их основе графоаналитические зависимости;

2. вновь выявленные закономерности процесса развития областей пластических деформаций в основании фундамента глубокого заложения;

3. база данных и компьютерная программа, позволяющая вычислять глубину развития областей пластических деформаций для любого сочетания реальных значений физико-механических свойств грунта основания, геометрических параметров фундаментов и интенсивности внешнего воздействия, рассмотренных в настоящей работе;

4. результаты внедрения рекомендаций диссертационной работы в практику строительства.

Результаты научных исследований внедрены:

1. в учебном процессе на кафедре «Строительные конструкции, основания и надежность сооружений» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета при изучении курса «Механика грунтов», курсовом и дипломном проектировании, научно-исследовательской работе аспирантов;

2. ООО «Сталт» при проектировании и возведении фундаментов под Храм св. Иоанна Крондштатского и при проведении проектно-изыскательских и строительных работ по возведению фундамента под склады клинкера и мельницы № 13 ОАО «Себряковцемент».

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа выполнена на 144 листах, состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы из 117 наименований, включает 55 рисунков и 78 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ методов определения размеров, положения и формы областей пластических деформаций в основаниях фундаментов глубокого заложения позволяет сделать вывод о том, что наиболее адекватно условия работы оснований этих фундаментов отражают те, что основаны на решениях соответствующих задач методами теории функций комплексного переменного. Для проведения исследований в качестве расчетного предлагается использовать метод, изложенный в п. 1.1.3, и разработанные на его основе компьютерные программы, так как результаты, получаемые на их основе, с достаточной степенью точности соответствуют результатам расчетов при £о=1, основанных на использовании СНиП 2.02.01−83 «Основания зданий и сооружений».

2. Получены графо-аналитические зависимости геометрических параметров выреза на границе полуплоскости от численных значений коэффициентов отображающей функции, которые позволят проводить изучение напряженно-деформированного состояния и устойчивости оснований заглубленных фундаментов при любых значениях величины отношения 2Ь/И, рассматриваемых в настоящей работе. Установлено, что предлагаемая нами расчетная схема позволяет получать результаты, наиболее адекватно отвечающие действительности. Показано, что использование разработанной расчетной схемы по сравнению с тривиальной, влечет за собой следующую разницу численных значений напряжений в соответствующих точках основания: а—15−40%- <7^-50−70%, а г^-10−20%, а численные значения величины Ы2Ь, вычисленные для 2 и 3 расчетных схем, всегда больше соответствующих значений, полученных для расчетной схемы, применяемой при расчете на основе использования методов теории функций комплексного переменного. Причем, эти отличия колеблются в пределах от 14 до 76%.

3. Увеличение глубины проникновения областей пластических деформаций ниже подошвы фундамента происходит по сложному закону. На этот процесс оказывают влияние прочностные и деформационные свойства грунта основания, геометрические параметры фундамента и другие факторы. Составлены таблицы и получены расчетные формулы, позволяющие определить глубину развития ОПД для любого интересующего нас момента нагру-жения фундамента.

4. Получены графоаналитические зависимости, позволяющие определять величину интенсивности внешней равномерно распределенной нагрузки в момент смыкания областей пластических деформаций под подошвой фундамента для всех рассмотренных в диссертационной работе возможных сочетаниях численных значений переменных расчетных параметров.

5. Скорость увеличения ОПД в процессе их развития так же меняется весьма сложным образом. Причем, при бесконечно большом росте величины интенсивности внешней нагрузки скорость этого процесса асимптотически приближается к нулю. Это объясняется тем, что на больших расстояниях от фундамента напряжения от внешней нагрузки, сколь большой она ни была бы, затухают и не создают условий для дальнейшего роста ОПД. Однако, в этом случае, пластическая область имеет уже огромный размер и основание фундамента, естественно, уже потеряло устойчивость. Установлено, что максимальную скорость процесс развития областей пластических деформаций приобретает в момент их смыкания под фундаментом.

6. Наиболее подходящим по своим физическим свойствам материалом для проведения экспериментальных исследований оказался желатино-гель ХС, который широко применяется при изучении напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов и массивов горных пород. Численные значения интенсивности внешней равномерно распределенной нагрузки, при которой происходит зарождение областей пластических деформаций в основании ленточного фундамента глубокого заложения, полученные на основе эксперимента и теоретическим путем, отличаются для рассмотренных в настоящей работе моделей не более, чем на 12%. Поэтому инженерный метод определения критических нагрузок на основание ленточного фундамента глубокого заложения может быть рекомендован к применению.