Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Экспериментально-теоретическая оценка прочности грунта в основании прямоугольных фундаментов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По совокупности приведенных показате-лей изученных свойств можно считать, что лучшие показатели характерны для цементов ОАО «Искитимцемент» и цементов ОАО «Топкинский цемент».

На основе клинкеров этих заводов при незначительной корректировке состава могут

производиться особые виды портландцемен-та, прежде всего, сульфатостойкий и тампо-нажный, а также возможно производство бы-стротвердеющего портландцемента. Цемен-ты заводов Сибири по сравнению с импорт-ными цементами могут обеспечить более вы-сокую долговечность получаемым бетонам.

УДК 624.154.001.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ГРУНТА В ОСНОВАНИИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

К.В. Королев, В.В. Бессонов

В работе приводится краткое описание экспериментов по оценке прочности грунта в основании прямоугольных штампов. Даны результаты экспериментов в виде графиков за-висимости предельного давления по подошве штампов от соотношения их сторон. Приве-дено сравнение экспериментальных данных с теоретическими исследованиями по различ-ным методикам.

Ключевые слова: теория предельного равновесия грунтов, грунтовое основание, экспе-римент, прямоугольный штамп, транспортные сооружения, Приобское плато.

Теория предельного равновесия грунтов (ТПРГ) является надежной расчётной базой для оценки несущей способности грунтовых оснований. На сегодняшний день достаточно хорошо разработан аппарат ТПРГ в отноше-нии плоской и осесимметричной задач. Среди пространственных решений большое распро-странение получили приближенные методы, в том числе, основанные на использовании результатов плоских и осесимметричных ре-шений. Так при рассмотрении одной из важ-нейших, с практической точки зрения, задач -задачи о несущей способности грунтового основания штампов с прямоугольной формой подошвы - широко используется схема Мей-ергофа.

Согласно этой схеме работа грунта в ос-новании средней часть прямоугольного фун-дамента описывается решением плоской за-дачи, а для концевых участков применяются результаты, полученные при условиях осевой симметрии.

С теоретической точки зрения использо-вание схемы Мейергофа осложнялось отсут-ствием строгих статических решений плоской и осесимметричной задач ТПРГ. Окончатель-ное решение задач о несущей способности грунтовых оснований ленточного и круглого штампов были получены сравнительно не-давно [1,2]. Без этих результатов схема Мей-

ергофа не давала устойчивых решений для всего диапазона изменений исходных дан-ных, в частности, прочностных свойств грунта – уг-ла внутреннего трения f и удельного сцепления с. Таким образом, возникла необ-ходимость повторить решение в рамках дан-ной схемы, но с применением указанных вы-ше строгих решений, что и было выполнено авторами [3, 4].

Эти решения были приведены к стан-дартному виду

p пр g bN g g + qNq x q + cNc x c, (1) где xg, x q, x с – коэффициенты формы подошвы фундамента, предложенные в [3, 4]:

x =1+ æ N gк× 1−1 1; è gл ø

(2)

x q =1+ è Nq л−1 h;

ç ÷

N h

x =1+ æ Nс к−1 1. è с л ø

Важно, что коэффициенты формы, рас-считываемые по предложенным формулам зависят не только от соотношения сторон фундамента, как в действующем СНиПе 2.02.01-83* «Основание зданий и сооруже-ний» [5], но и еще от угла внутреннего тре-

КОРОЛЕВ К.В., БЕССОНОВ В.В.

ния. Заметим, что коэффициенты формы ис-пользовали в этой задаче многие исследова-тели. Некоторые из них, такие как, например, Бринч-Хансен и Де Беер, также учитывали влияние прочности грунта на величину этих коэффициентов. Однако предлагаемая мето-дика базируется, как уже говорилось, на стро-гих решениях плоской и осесимметричной задачах, что можно считать её достоинством.

Сравнивая коэффициенты формы [4] с тем, что предложено в [5] видим, что по ко-эффициенту xgсуществует серьезное разно-чтение. В частности, для непригруженного сыпучего основания удельная несущая спо-собность по СНиП возрастает при переходе от квадратного штампа к прямоугольному (ленточному), в то время как в предлагаемой методике наблюдается обратная картина.

Среди экспериментальных исследова-ний этого вопроса, также нет единого мнения. Например, известны опыты Л.М. Тимофеевой [6], согласно которым прочность грунтового основания увеличивается при переходе от штампа с квадратной формой подошвы к прямоугольному (ленточному) штампу, и опы-ты Домбровского [7], получившего обратный результат. С целью проверки, как предло-женных коэффициентов формы, так и кон-кретно вопроса о соотношении между проч-ностью грунта под квадратным и ленточным штампами, нами были запланированы и вы-полнены 4 серии опытов. Эксперименты про-водились на грунтовых основаниях с разными характеристиками прочности и штампах раз-ной ширины [8,9]. Дадим здесь их краткое описание.

Первая серия. Полевые опыты на штампах шириной 30 см и соотношением сторон 1:1, 1:3, 1:4, 1:5. В геоморфологиче-ском отношении экспериментальная площад-ка находилась в пределах Приобского плато, которое занимает почти всю юго-восточную половину Новосибирской области. Данная территория представляет собой денудацион-но-аккумулятивную приподнятую полого-увалистую равнину с абсолютными отметка-ми от 150 до 210 м, расчлененную широкой долиной р. Обь на право- и левобережную части, которые в свою очередь прорезаны речными долинами Обского бассейна, много-численными балками и оврагами, дренирую-щие водоносные горизонты. На правом бере-гу, где и располагалась опытная площадка, территория плато имеет холмисто-увалистый или холмистый рельеф с довольно густой овражно-балочной сетью.

Грунты площадки представляли собой нижнесреднечетвертичные субаэральные

отложения (краснодубровская свита saQ I-II krd), представляющие собой лёссовые супе-си и суглинки, чередующихся с пачками пес-ков и горизонтами погребенных почв. Харак-теристики грунтов даны в таблице 1.

Вторая серия. Полевые опыты на штампах шириной 14 см и соотношением сторон 1:1, 1:3. В геоморфологическом отно-шении опытная площадка находилась в до-лине р. Ини в пределах Колывань-Томской складчатой зоны, которая является продол-жением горной системы Салаира.

Бассейн р. Ини представляет собой де-нудационно-аккумулятивную равнину с близ-ким залеганием складчатого основания. Рав-нина расчленена речными долинами р. Ини и ее притоками глубоко врезанными и вскры-вающими в своих бортах не только рыхлые четвертичные покровы, но и породы палео-зоя. В связи с широким распространением покрова четвертичных отложений переходы от склонов долин к водоразделам имеют плавное очертание.

Водораздельное пространство по лево-бережью реки имеет слаборасчлененный рельеф с пологими склонами. Здесь развита густая сеть притоков, например, Крутиха, Шебаниха.

Широкая долина р. Ини хорошо разрабо-тана, ассиметрична; в пределах геолагеря с крутым обрывистым глубокорасчлененным левым склоном.

В пределах долины четко выделяются поверхности аккумулятивных террас – пойма, первая и вторая надпойменные террасы.

Вторую надпойменную террасу, в пре-делах которой и проходили эксперименты, по строению цокольную, можно наблюдать в ос-новном по левому берегу в виде уступа высо-той 15-18 м. Данная терраса перекрыта со-временными верхнечетвертичными отложе-ниями, которые можно отнести к отложениям позднего плейстоцена. Таким образом, верх-няя часть террасы сложена лёссовидными супесями и суглинками мощностью до 5 м. Характеристики грунтов даны в таблице 1.

Третья серия. Лотковые опыты на штампах шириной 14 см и соотношением сторон 1:1, 1:6. Эксперименты проводились в большом пространственном лотке на базе кафедры «Геология, основания и фундамен-ты» Сибирского государственного универси-тета путей сообщения. При проведении опы-тов в качестве основания был использован песок тонкозернистый, отобранный в долине р. Ини в пределах второй надпойменной тер-расы. По минералогическому составу порода полиминеральная, состоящая из кварца, по-

ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2011

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ГРУНТА В ОСНОВАНИИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

левых шпатов, роговой обманки и слюды. Ха-рактеристики грунтов даны в таблице 1.

Четвёртая серия. Лотковые опыты на штампах шириной 7 см и соотношением сто-рон 1:1, 1:2, 1:3, 1:5. Эксперименты проводи-

лись в малом пространственном лотке на ба-зе кафедры «Геология, основания и фунда-менты» Сибирского государственного уни-верситета путей сообщения.

Таблица 1 – Характеристики грунтов в основании

№ серии	g, кН/м3	g, кН/м3	w	e	Sr	wL	wp	с, кПа	f, град.	Наименование грунта
	19,0	26,9	0,250	-	-	0,270	0,210			Супесь пластичная
	18,2	26,0	0,200	-	-	0,310	0,240			Супесь твердая
	17,5	26,7	0,03	0,57	0,14	-	-	1,0		Песок средней крупности, средней плотности, мало-влажный
	17,8	26,7	0,055	0,58	0,25	-	-			Песок средней крупности, средней плотности, мало-влажный

В качестве грунтового основания приме-нялся тот же песок, что и для третьей серии опытов, но с большим углом внутреннего трения за счет способа приготовления осно-вания. Характеристики грунтов даны в табли-це 1.

Результаты экспериментов представим в виде графиков зависимости предельного давления по подошве штампов от соотноше-ния их сторон. На этих графиках также при-ведено сравнение экспериментальных дан-ных с нашими теоретическими исследова-ниями и результатами других авторов, таких как Л.М. Тимофеева, Й. Бринч-Хансен, а так-же по методу СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений».

Рассмотрим первую серию опытов. На рисунке 1 приведены сопоставительные гра-фики, построенные по результатам полевых экспериментов и теоретических исследова-ний, вышеупомянутых авторов.

Из рисунка 1 видно, что увеличение ве-личины предельной нагрузки на глинистое основание в зависимости от формы штампа согласно нашим теоретическим и экспери-ментальным данным происходит при перехо-де от прямоугольного (ленточного) штампа к квадратному. Аналогичная картина наблюда-ется и в решении Бринч-Хансена, но здесь несущая способность основания штампов несколько ниже, чем по предлагаемой мето-дике. Что касается способа Л.М. Тимофее-вой, основанного также на схеме Мейергофа, то здесь ситуация принципиально отличается от той, которая складывается в отношении предлагаемого метода и других рассматри-ваемых методов расчётов. Увеличение пре-

ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2011

дельного давления по подошве фундамента по способу Л.М. Тимофеевой происходит при переходе от квадратного штампа к ленточно-му [6].

Из рисунка 1 также видно, что при ко-эффициенте h = 5 предлагаемая методика даёт наибольшую сходимость с опытными данными. При этом наши опытные данные несколько меньше теоретических данных по Тимофеевой. При коэффициентах h = 3, h = 4 теоретические данные практически одинако-вые, за исключением методики Бринч-Хансена, но несколько меньше наших экспе-риментальных данных.

0.240 p, МПа0.220

0.200

0.180

0.160

0.140 ø

1 2 3 4 5

pопн, МПа pн, МПа pТим, МПа pБХ, МПа

Примечание: ропн– наши экспериментальные дан-ные, полученные в полевых условиях; pн– резуль-таты расчётов по предлагаемому методу; pТим– то же по методике Л.М. Тимофеевой; рБХ– расчётные данные по методу Й. Бринч-Хансена.

Рисунок 1 – Изменение предельного давле-ния на основание в зависимости от соотно-шения сторон прямоугольного штампа (по-левые опыты, ширина штампов 30 см)

КОРОЛЕВ К.В., БЕССОНОВ В.В.

В случае квадратного штампа (h = 1) оценки предельного давления у разных авто-ров не коррелируют с опытными данными и разнятся между собой. Предлагаемая мето-дика дает наилучшую сходимость с опытны-ми данными.

Перейдем к рассмотрению второй серии опытов. На рисунке 2 приведены также со-поставительные графики, построенные по результатам полевых экспериментов и тео-ретических исследований, выше упомянутых авторов.

p, МПа 0.200

0.150

0.100

0.050

0.000 ¨

1 3 5 7

pопн, МПа pн, МПа pТим, МПа pСНиП, МПа

pБХ, МПа

Рисунок 2 – Изменение предельного давле-ния на грунтовое основание в зависимости от соотношения сторон прямоугольного штампа (полевые опыты, ширина штампов 14 см)

Из рисунка 2 становится ясным, что, как и в предыдущем случае, большей несущей способностью, согласно предлагаемым тео-ретическим и экспериментальным данным, обладает глинистое основание под штампом с квадратной формой подошвы, при этом увеличение прочности грунтового основания происходит при переходе от ленты к квадрат-ному штампу. Методика Бринч-Хансена даёт такой же качественный результат. Выводы, сделанные согласно способу Л.М. Тимофее-вой, вновь противоречат нашим как теорети-ческим, так и опытным данным, в том числе и данным по Бринч-Хансену. Предельное дав-ление, полученное по предлагаемой методи-ке удовлетворяет сходимости с эксперимен-тальными данными.

При коэффициенте h = 1 (квадратный штамп) теоретические данные, полученные нами, наиболее соответствуют опытам. В других случаях (по Тимофеевой и Бринч-Хансену) теоретические расчёты дают мень-шие значения величин давлений по отноше-нию к нашим опытным данным.

На рисунке 3 приведены сопоставитель-ные графики, построенные по результатам лотковых экспериментов из третьей серии и

теоретических исследований. В данном слу-чае лучший результат был получен при опре-делении предельной прочности песчаного основания по предлагаемой методике. Спо-соб Тимофеевой снова предполагает увели-чение несущей способности основания в за-висимости от формы подошвы фундамента при переходе от квадратной формы к прямо-угольной. Согласно СНиП и Бринч-Хансену изменений прочности основания не наблюда-ется.

p, МПа 0.200

0.150

0.100

0.050

0.000 ¨

1 3 5 7

pопн, МПа pн, МПа pТим, МПа pСНиП, МПа

pБХ, МПа

Рисунок 3 – Изменение предельного давле-ния на основание в зависимости от соотно-шения сторон прямоугольного штампа в ла-бораторных условиях (большой лоток)

При коэффициенте h = 6 несущая спо-собность основания, определённая по мето-дике Тимофеевой, наиболее соответствует нашим опытным данным, но, как было сказа-но выше, качественная картина изменения предельного давления при переходе от квад-рата к ленте отличается от результатов экс-периментальных данных.

0.25 p, МПа

0.2

0.15

0.1

0.05

0 ¨

1 2 3 4 5

pопнл, МПа pопнп, МПа

pопТим, МПа

Рисунок 4 – Изменение предельного давле-ния на основание в зависимости от соотно-шения сторон прямоугольного штампа в ла-бораторных условиях (малый лоток)

ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2011

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ГРУНТА В ОСНОВАНИИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

0.25 p,МПа

0.2

0.15

0.1

0.05

1 2 3

pопнл, МПа

pопТим, МПа

4 5

pопнп, МПа

вых экспериментов на малых штампах совпа-дают с результатами экспериментов по Ти-мофеевой, что качественно противоречит результатам полевых опытов. Здесь пре-дельное давление уменьшается при перехо-де от квадратного фундамента к прямоуголь-ному (ленточному). Это еще раз доказывает, что проводить эксперименты на малых штам-пах таких размеров (шириной до 100 мм) не рекомендуется из-за влияния на несущую способность ряда факторов, о которых мы говорили выше.

ропнл– наши экспериментальные данные, получен-ные в лотковых условиях; ропнп– наши экспери-ментальные данные, полученные в полевых усло-виях; pопТим– опытные данные Л.М. Тимофеевой.

Рисунок 5 – Качественное сопоставление экспериментальных данных

При коэффициенте h = 1, то есть в слу-чае квадратного штампа, теоретические дан-ные плавно уменьшаются по сравнению с опытными данными по следующей схеме «предлагаемые данные»-«по Тимофеевой»-«по СНиПу»-«по Бринч-Хансену». То есть наибольшая сходимость отмечается с ре-зультатами наших расчётов.

Согласно 4 серии опытов, результаты которой представлены на рисунке 4, при ис-пытаниях песчаных оснований штампами ма-лых размеров нарушается определённая за-кономерность изменения предельного давле-ния на песчаное основание в зависимости от формы штампа. Грунтовое основание под штампом с квадратной в плане формой по-дошвы обладает меньшей несущей способ-ностью по сравнению с основанием прямо-угольного штампа. Этот эффект можно объ-яснить, по-видимому, влиянием трещин на несущую способность песчаного основания. При увеличении размеров штампа соотноше-ние длины трещины к его ширине стабилизи-руется. Это говорит о том, что эффект влия-ния трещин пропадает при больших размерах опытных штампов. Согласно теоретическим прогнозам по методике авторов для штампов любых размеров увеличение несущей спо-собности песчаного основания также должно происходить при переходе от ленты к квадра-ту.

Далее на рисунке 5 приводится качест-венное сопоставление наших опытных дан-ных, полученных в полевых условиях на больших штампах и в лабораторных условиях на малых штампах с опытными данными Л.М. Тимофеевой [16]. Из рисунка 5 видно, что ка-чественно экспериментальные данные лотко-

ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2011

ВЫВОДЫ

Согласно теоретическим и эксперимен-тальным исследованиям, прочность грунтово-го основания прямоугольных фундаментов зависит не только от соотношения сторон фундамента, но и от угла внутреннего тер-ния, который должен учитываться в коэффи-циентах формы. Установлено, что величина предельного давления на глинистые и песча-ные основания увеличивается при переходе от прямоугольного (ленточного) штампа к квадратному.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соловьев Ю.И. Несущая способность предельно напряженного основания под ленточным фунда-ментом // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1979. - №4. - С. 21-23.

2. Караулов А.М. Несущая способность оснований осесимметричных фундаментов. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2002. - 104 с.

3. Королёв К.В., Безсонов В.В. К вопросу опреде-ления коэффициентов формы при оценке несущей способности оснований прямоугольных фундамен-тов /К. В. Королев, В. В. Безсонов // Известия ву-зов. Строительство. - 2006. - № 11/12. - С. 91-95.

4. Королёв К.В., Бессонов В.В. Уточненные значе-ния коэффициентов формы при определении не-сущей способности оснований прямоугольных фундаментов/ Королев К.В., Бессонов В.В.// Про-мышленное и гражданское строительство. – 2008.-№4 -С. 29-30

5. СНиП 2.02.01-83* «Основание зданий и соору-жений».

6. Гольдштейн Л.М. О приближенном решении задачи пространственного предельного равнове-сия грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1969. - №5. – С. 12-15.

7. Домбровский В.Н. К вопросу разрушения песча-ного основания прямоугольными штампами // Тр. НИИОСПа, Вып. 74. – 1984. с. 9-15.

8. Безсонов В.В. Исследование несущей способ-ности песчаных оснований прямоугольных штам-пов малых размеров/ Безсонов В.В.//Сборник те-зисов докладов 64-ой научно-технической конфе-ренции. – Новосибирск: НГАСУ, 2007. – С. 87

КОРОЛЕВ К.В., БЕССОНОВ В.В.

9. Безсонов В.В. Экспериментальные исследова-ния несущей способности оснований прямоуголь-ных штампов /Безсонов В.В.// Инженерная геоло-

гия, механика грунтов, основания и фундаменты: сб. научн. ст. – Новосибирск: СГУПС, 2007. – С. 85-95.

УДК 624.154.001.4

Воспользуйтесь поиском по сайту: