Прогноз осадок фундаментов при нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями в грунтах оснований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Никитина, Надежда Сергеевна

• Никитина, Надежда Сергеевна
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никитина, Надежда Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ОСНОВАНИЯХ.

1.1. Применение решений теории линейно-деформируемой среды

1.2. Нелинейные решения применительно к расчетам оснований

1.3. Постановка задачи и исходные зависимости

1.4. Граничные условия, размеры массива и программа решения задачи, учет собственного веса грунта

1.5. Сопоставление нелинейных решений с решениями теории упругости

1.6. Результаты проведенного расчета, их оценка и анализ

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВЯЗИ МЕЖДУ НАПРЯЖЕНИЯМИ И ДЕФОРМАЦИЯМИ В ГРУНТАХ

2.1. Характеристики сжимаемости грунтов и методы их определения

2.2. Необходимые для расчетов оснований траектории нагрунения и их исследование

2.3. Грунт, который исследовался в опытах, и его физические свойства

2.4. Принципиальная схема и конструкция прибора, использованного для испытаний

2.5. Программа экспериментальных исследований и их результаты

Глава 3. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ОСНОВАНИЙ

3.1. Краткий обзор существующих методов расчета

3.2. Несущая способность однородного основания, определяемая по схеме двух пересекающихся плоскостей

3.3. Несущая способность двухслойного основания

3.4. Расчетная формула для определения несущей способности основания по коэффициентам

3.5. Несущая способность многослойного основания

3.6. Рекомендуемый порядок расчета несущей способности двухслойного и многослойного оснований

3.7. Примеры расчета

Глава 4. ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ОСАДКИ ФУНДАМЕНТОВ НА НЕЛИНЕЙНО ДЕФОРМИРУЕМОМ СЛОИСТОМ ОСНОВАНИИ

4.1. Деформационные характеристики грунтов и общие положения

4.2. Определение деформационных характеристик грунтов слоистых оснований

4.3. Об определении толщины слоя, в пределах которого грунты следует считать деформирующимися

4.4. Метод расчета осадки фундамента на однородном основании

4.5. Рекомендующийся метод расчета осадки многослойного основания

4.6. Пример расчета осадки фундамента на двухслойном основании

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогноз осадок фундаментов при нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями в грунтах оснований»

В решениях ХХУ1 съезда КПСС по основным нацравлениям экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 года предусматривается дальнейшее повышение эффективности и качества важнейшей отрасли народного хозяйства - строительства. Одним из направлении строительной науки является совершенствование существующих методов расчета естественных оснований.

В современной практике цроектирования оснований обычно выполняются расчеты, базирующиеся на применении решений теорий упругости (теории линейно-деформируемой среды) и предельного равновесия.

Основной задачей при расчетах грунтовых оснований является оценка деформаций, которые ожидаются, и сравнение их с теми, которые допускаются для фундаментов проектируемого сооружения при действии различных сочетаний внешних нагрузок. С этой целью необходимо знать зависимости, связывающие напряжения и деформации, которые позволят дать научно обоснованный прогноз напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований.

К настоящему времени для многих разновидностей грунтов экспериментально установлена сложная и часто неоднозначная взаимосвязь между напряжениями, деформациями и видом траектории нагружения грунта. Отмечающееся в ряде случаев несоответствие между расчетными и действительными значениями осадок грунтов оснований в значительной степени может быть отнесено за счет недостаточно всестороннего учета особенностей деформационных свойств грунтов.

Одним из путей решения указанной задачи, то есть сближения результатов расчета осадок грунтовых оснований и их фактических величин являются разработка и применение в расчетной практике нелинейных зависимостей между напряжениями и деформациями. Отметим, что в данной работе будут рассматриваться методы расчета только конечных, стабилизированных осадок, поскольку развитие деформаций во времени представляет самостоятельную большую задачу механики грунтов.

Методика расчета по предельным состояниям, предложенная впервые Н.С.Стрелецким, Б.М.Келдышем, А.А.Гвоздевым, является сейчас общепринятой и обязательной, поскольку включена в нормы . Как для расчета конструкций, так и для расчета естественных оснований используются две группы предельных состояний: первая - по несущей способности и вторая - по деформациям: [42. ] . Основным для фундаментов мелкого заложения является расчет по второй группе цредельных деформаций. Б п.п.2.2 сказано, что "основания рассчитываются по деформациям во всех случаях, если они сложены нескальными грунтами .". По несущей способности расчет ведется лишь при наличии особых обстоятельств (наличие сдвигающих фундамент усилий, фундамент расположен на откосе, незавершенность процесса фильтрационной консолидации, скальные породы в основании).

Первая группа предельных состояний определяет предел, при достижении которого проявляется непригодность к дальнейшей эксплуатации зданий или сооружений, а вторая группа определяет возможность нормальной их эксплуатации. Методы расчета по предельным состояниям должны "не допускать нарушения предельных состояний при эксплуатации в течение всего срока службы здания или сооружения, а также при их возведении" j . Далее в этой же главе СНиП говорится, что требования норм заключаются в том, чтобы величины усилий и деформаций не превышали бы цредельных значений; основными параметрами механических свойств грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации,являются нормативные значения прочностных (угла внутреннего трения, удельного сцепления) и деформационных (модуля деформации) характеристик грунтов.

Отметим, что нормативные значения характеристик грунтов устанавливаются на основе непосредственных определений и являются среднестатистическими значениями, а расчетные значения получаются из нормативных путем деления на коэффициент безопасности по грунту. Таким образом, первое и второе цредельные состояния являются обычно как бы не связанными друг с другом, причем в основаниях сначала определяющим является второе предельное состояние, а затем уже при значительно больших нагрузках наступает первое предельное состояние .

Совершенно естественным является желание рассмотреть развитие этих предельных состояний последовательно с ростом нагрузки.

Если обратиться к кривой, характеризующей связь мезду нагрузкой, передаваемой на штамп, и его осадкой, то, следуя Н.М. Герсеванову uj можно выделить три фазы (рис0.1). При первой фазе деформирования практически мы имеем линейный участок графика и, поскольку преобладающими являются деформации уплотнения грунта, то для установления напряженно-деформированного состояния представляется возможным использовать решения теории линейно-деформируемой среды, то есть теории упругости. Вторая фаза - это фаза значительного развития деформаций сдвига в грунте, когда происходит выдавливание грунта в сторону из-под штампа-фундамента, тем больше, чем больше становится нагрузка на него. В этой фазе деформирования график имеет криволинейный характер и для установления напряженно-деформированного состояния можно использовать либо нелинейную теорию упругости, либо решение упруго-пластической задачи. Третья фаза - фаза преобладания разрушения грунта в основании и полного выпирания; вследствие этого штамп резко проваливается в основание. Имеется утверждение, что резкого раздела между второй и третьей фазами не наблюдается и поэтому делается цредпо-ложение об их объединении в одну .

- ч

Р, Ра

Р* й!* р,МПа

III фаза

РисСЦ. Зависимость между осадкой S и нагрузкой Р

Рисй2.График осадка-нагрузка для равномерно распредвгj ленной полосовой нагрузки в случае упругопластического основания( в безразмерных координатах) Кд-коэффициент увеличения осадки развитиип областей пластических деформаций.

- £

Как следует из рис.1, величина , соответствующая второму предельному состоянию, обычно отвечает нагрузкам, которые больше чем существующие в нормах ^^ ограничения по давлениям. Такое ограничение введено в нормах в связи с несовершенством применяемых расчетных методов по определению напряженно-деформированного состояния оснований и отсутствия практически приемлемых решений, основанных на нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями. Это связано с тем, что при переходе в нелинейную фазу деформирования происходит перераспределение напряжений по сравнению с решениями для линейно-деформируемой среды. Кроме того, грунтовая толща в основании, как правило, неоднородна по своим деформационным и прочностным свойствам, а получение в замкнутом виде решений для слоистых сред представляется сложной задачей, хотя и сильно упростившейся с применением ЭВМ. Задача определения деформаций тесно связана с задачей об определении напряженного состояния оснований. Если напряженное состояние известно, то переходя с помощью зависимостей, аналогичных зависимостям закона Гука, к деформациям, после интегрирования получаем величины перемещений. Такой путь решения использован в ряде практических методов. В то же время при решении задач в нелинейной постановке, выполняемся численными методами, решение ведется только в перемещениях, то есть используются уравнения, являющиеся в определенной степени аналогом уравнений Ламэ в теории уцругости. При этом предполагается непрерывность во всей рассматриваемой области, хотя в основаниях с ростом напряжений возможно образование разрывов в поле нацряжений. Естественно, что задача значительно усложняется, если необходимо учесть неоднородность грунтов оснований.

Данная работа имеет целью дать практический и несложный метод расчета осадки фундамента за пределом линейной зависимости между напряжениями и деформациями. Этот метод должен учитывать возможную слоистость грунтов основания с различными прочностными и деформационными характеристиками. Вопрос определения прочностных и деформационных свойств грунтов здесь не рассматривается, так как это представляет собой самостоятельную задачу. В последнее время экспериментальным путем установлена связь между деформированием грунтов и траекторией нагружения; нами проведено специальное исследование в этом направлении. Результаты описаны в главе В нормах обычно рекомендуется отдавать цредпочтение полевым методам оцределения характеристик, однако следует учитывать, что в лабораторных опытах мы можем воспроизвести поведение "элемента", находящегося близко к однородному напряженно-деформированному состоянию, в то время как цри полевых испытаниях мы получаем характеристики грунта, отвечающие значительно менее однородному напряженно-деформированному состоянию.

В случае, когда есть распределение деформаций (о^. по глубине (ось 3: считаем направленной вниз по вертикали), то осадка, то есть перемещение поверхности основания при = 0 выражается формулой

I.I) где - деформация в вертикальном направлении, которая в общем случае является функцией координат точки ос , у- , ; h~Q/ff - толщина сжимающегося слоя, который в основном формирует осадку.

При этом сжатием грунта в нижерасположенной толще при ^ hew мы цренебрегаем.

Рассмотрим основные способы определения осадки сооружений. В.А.Флорин Jjtt] выделяет три группы:

1) основанные на послойном суммирований деформаций;

2) на непосредственном применении решений теории упругости для оцределения вертикальных перемещений поверхности полуцространства;

3) другие методы.

К первой группе относится широко распространенный и рекомендованный нормами метод послойного суммирования. В основе этого метода лежат следующие предпосылки: распределение напряжений вдоль оси принимается из решения теории упругости при загрузке поверхности в пределах прямоугольника равномерно распределенной нагрузкой, ось Й расположена в центре этого прямоугольника; деформации вычисляются с помщью закона Гука; бокового расширения рассматриваемый "столб" не испытывает; расчет деформаций производится только от дополнительного давления, равного разности давлений на поверхности:вызывающего деформации и величины предварительного обжатия весом слоя удаленного грунта; суммирование деформаций происходит в пределах сжимаемой толщи, которая определяется тем, что дополнительные напряжения от внешней нагрузки на ее границе составляют 20% от нацряжений, вызываемых собственным весом грунта (или 10$ в случае слабых грунтов). Б этом методе, с одной стороны, осадки завышаются за счет того, что напряжения берутся по оси, проходящей через центр прямоугольника, то есть максимальные значения, а с другой стороны, занижаются, так как не допускается боковое расширение грунта, которое имеется в действительности.

Этот метод достаточно прост и имеет следующие достоинства: учитывает различную деформируемость отдельных слоев грунта, находящихся в пределах сжимаемой толщи; приводит к нелинейной зависимости межцу осадкой и нагрузкой, так как с ростом нагрузки увеличиваются не только сжимающие напряжения, но и сжимаемая толща; возможно учитывать влияние расположенных рядом фундаментов. Недостатками метода являются невозможность учета эксцентриситета внешней нагрузки, негоризонтальную границу между слоями и др. Это инженерный метод, но достаточно апробированный на практике. В нем принимается расцределение напряжений по глубине как в однородном полупространстве без учета возможной концентрации напряжений, имеющей место в двухслойном основании, когда нижний слой более жесткий, чем верхний. Условностью является установление положения границы сжимаемой толщи, по существу не зависящее от свойств грунтов (кроме наличия слабого грунта), а также и то, что эпюра напряжений в пределах "столба" грунта, имеющего в поперечном сечении конфигурацию подошвы фундамента, в горизонтальном сечении представляется прямоугольной, без уменьшения ординат, к краям.

Вторым способом расчета, основанном на использовании теории упругости,является также включенный в нормы способ, в котором основание представлено в виде линейно-деформируемого слоя конечной толщины, предложенный К.Е.Егоровым. Ограничением применения этого способа является модуль деформации, который должен быть более ЮОМПа; если модуль более ЮШа, то ширина фундамента должна быть более 10 м. Этот способ также требует суммирования по слоям значений коэффициентов, включенных в таблицу, составленную для одного из значений коэффициента Пуассона грунта, наиболее характерного .

В этом способе учтено влияние боковых напряжений, а также принято среднее значение вертикальных перемещений между центральным и крайними. Осадка каздого слоя вычисляется как разность осадок на его верхней и нижней границах. При вычислении каждого перемещения считается, что основание однородно и обладает теми характеристиками деформируемости, которыми обладает весь слой. При вычислении дополнительных осадок от влияния соседних фундаментов используется способ угловых точек.

В теории упругости для однородного полупространства получена формула для вычисления перемещений точек поверхности при действующей равномерной нагрузке в пределах прямоугольника или жесткого штампа Ur . Эта формула проста и носит название формулы Шлей-хера, который цривел входящие в нее значения коэффициента Эта формула имеет вид

JUs - коэффициент Пуассона, £ - модуль деформации грунта основания.

Коэффициент Кг зависит от соотношения сторон в плане прямоугольного фундамента, его жесткости, а также той осадки, которая отыскивается (максимальная под центром, средняя, угловых точек, жесткого штампа). Эта формула выведена для полупространства, являющегося однородным и, следовательно, суммирует деформации от безграничного по глубине слоя. Несмотря на это обстоятельство данная формула рекомендуется для применения в практических задачах в зарубежной технической и учебной литературе Г8&1 , а коэффициент

14г не претерпел изменений. .Естественно, что осадка, вычисленная по формуле (а.2), цри прочих равных условиях будет больше, чем по методам, где сжимаемая толща ограничивается по глубине и не равна бесконечности. В случае двухслойных оснований вводится поправочный коэффициент, зависящий от отношения толщины верхнего слоя к ширине фундамента и отношения модулей деформации верхнего и нижнего слоев [ QitJ . В основу этой таблицы положен метод К.Е. Егорова, развитый далее Бурмейстером.

Особо выделим метод эквивалентного слоя, предложенный Н.А.Цы-товичем .В этом методе рассматривается осадка слоя грунта под постоянной нагрузкой, простирающейся в ширину до бесконечности, когда эпюра давлений по глубине является прямоугольной и осадка поверхности полупространства при действии на прямоугольном

0.2) где Р - величина давления,

4 - ширина фундамента, участке в плане равномерно распределенной нагрузки той же интенсивности. Эти осадки приравниваются и из этого условия находится толщина эквивалентного полупространству по осадке слоя. Затем прямоугольную эпюру напряжений заменяем треугольной, беря при этом новый слой в два раза более мощный, чтобы прямоугольная и треугольная эпюры были бы равновеликими. Таким образом, осадка такого двойного по отношению к первому по толщине слоя равна осадке полуцространства при действии нагрузки той же интенсивности. Этот способ используется при вычислении осадки разнородного грунта, для чего вычисляется осредненное значение коэффициента сжимаемости или для расчета осадки.во времени по теории фильтрационной консолидации. Осадка, определенная способом эквивалентного слоя получается обычно несколько большей, чем при вычислении ее значения способом послойного суммирования, так как в первом случае "суммирование "ведется в пределах всего полупространства, а во втором только в пределах сжимаемой толщи, а нижерасположенная часть полупространства считается условно несжимаемой.

Из методов, в которых учитывается нелинейная деформируемость, укажем на метод, описанный Б.А.Флориным 7-J , где деформируемость определяется компрессионной кривой. Однако его целесообразно применять к достаточно широким в плане сооружениям, как, например, гидротехническим. В.А.Флорин выдвигает предложение об ограничении толщины сжимаемой зоны, основанное на величине допускаемой погрешности в определении осадки.

Большой интерес представляют методы расчета, в которых рассматриваются свойства нелинейной деформируемости грунта, влияющие на расцределение напряжений. Решение таких задач стало возможным только благодаря применению ЭВМ и составлению сложных программ. К этому же кругу задач относится и решение упруго-пластических задач, в которых в упругой области может иметь место и линейная деформируемость грунта, но пластическая зона, возникающая под краями фундамента, с ростом нагрузки расширяется и влияет на распределение напряжений в упругой области.

Одним из первых появилось решение, полученное В.Н.Широковым , а затем решение, данное В.С.Копейкиным • Следует отметить решение А.К.Бугрова, полученное для упруго-пластической задачи . Характерным в этих решениях является, несмотря на нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями, получение почти до самых предельных значений нагрузок линейной зависимости мезэду осадкой и давлением на штамп. Это можно объяснить тем, что с ростом нагрузки увеличивается среднее давление в грунте, а рост среднего давления увеличивает модуль сдвига грунта практически линейно. Поэтому получались незначительные искривления в графике "осадка-нагрузка" лишь при подходе к предельной нагрузке, а иногда и значительно превосходя ее (имеется в виду предельная нагрузка, определяемая с помощью решений предельного-рднжгвесия). Таким образом, в этих решениях не получено "стыкование" теорий линейной упругости и предельного равновесия, которое должно было бы иметь место.

Для двухслойной среды численное решение задачи о напряженно-Деформированном состоянии оснований с учетом нелинейной деформируемости грунта было получено В.М.Демкиным j4gj . В этой работе исследовалось влияние слоистости оснований, принималась дробно-линейная зависимость между деформацией сдвига и октаэдрическим сдвигающим напряжением и линейные зависимости деформации сжатия-от среднего напряжения. Сделан вывод о том, что при соотношении модулей деформации слоев порядка 10 и менее распределение напряжений в двухслойном и однослойном основаниях практически одинаково, однако степень этого влияния зависит от глубины заложения слабого слоя грунта. С уменьшением глубины заложения слабого слоя грунта различие в распределении напряжений по сравнению с однородным основанием увеличивается - растет концентрация реактивных вертикальных давлений под краями штампа, возрастают величины осадок.

Б способах расчета, предложенных Б.Г.Березанцевым , М.Н.

Гольдштейном , А.К.Бугровым J , учитывается влияние развития областей пластических деформаций.

В.Г.Березанцев рассматривает осадку как сумму двух слагаемых, величины которых определяются по формуле Шлейхера (0L2), причем в первом слагаемом величина нагрузки изменяется от природного давления, соответствующего цринятой глубине залажения подошвы фундамента до "предела пропорциональности" между нагрузкой и осадкой. Когда нагрузка достигла этого предела пропорциональности появляется второе слагаемое, причем действуют уже другие значения модуля деформации и коэффициента Пуассона грунта, соответствующие фазе сдвигов. Благодаря этому диаграмма "осадка-нагрузка", которая приведена на рис01, состоит из двух прямолинейных участков.

В методе М.Н.Гольдштейна и С.Г.Кушнера также используется для определения осадки двухчленная формула. Применение упрощенной схемы Терцаги и "метода несущего столба" позволило им определить оба слагаемых - одно учитывающее только сжатие этого столба, а другое - поперечное его расширение, приводящее к уплотнению окружающего несущий столб грунта и вызывающее дополнительную осадку. Для установления величины второго слагаемого используется приравнивание объемов грунта - выжимаемого из под фундамента и входящего во внешнюю кольцевую область. Задача решена применительно к круглым фундаментам. Авторы получают криволинейную зависимость между осадкой и нагрузкой, причем указывают, что обязательной является проверка несущей способности основания с коэффициентом устойчивости 1,0-2,0 для песков и 2,5 для глин. Таким образом, вводится ограничение предложенного расчета по нагрузкам. Предлагается также рассчитывать этим способом слоистые основания, используя осредненные значения прочностных и деформационных характеристик, а также удельного веса грунта, но не сказано каким образом следует производить их осреднение.

А.К.Бугров совместно с А.А.Зархи [б] провели решение численным методом упруго-пластической задачи по расчету как однослойного, так и двухслойного оснований для ряда значений параметров. Ими дан график, построенный для различных значений угла внутреннего трения грунта от 0° до 30° и значений коэффициента Кп ^ I, на который следует умножить величину "уцругой" осадки S1^ , чтобы получить величину осадки п , соответствующей упруго-пластическому поведению грунта в основании, то есть

0.3)

Расчеты были выполнены методом конечных элементов. Этот график построен для случая плоской задачи. Второй координатой графика является отношение нагрузок - действующей к той, цри которой возникает область пластической деформации глубиной, равной 0,25 ширины подошвы фундамента. Эта область определяется по теории линейно-деформируемой среды. Дается рекомендация использовать непосредственные значения ординат из графика (рисО.2) при ширине фундамента до Юм и относительном заглублении его менее двух, а при % ^ I увеличивать значения Кп на 10-15$. Авторы J цриводят также расчеты для двухслойных оснований с целью установления влияния слабого слоя и проверки рекомендаций СНиП в этой части. Отмечается, что решение смешанной упруго-пластической задачи для двухслойного основания выявило возможность повышения давления по сравнению с рекомендациями, изложенными в нормах. В частности, указывается, что цри толщине верхнего слоя более прочного грунта больше половины ширины фундамента зависимость осадка-нагрузка близка к жнейной в большом диапазоне нагрузок. В то же время в [?2. ] отмечается, что "степень разработанности решений большинства упруго-пластических задач еще далека от возможности их непосредственного использования в проектной практике".

Из предлагаемого обзора вытекает следующее:

1. Основания, как правило, слагаются различными грунтами, причем слоистость может быть разной, выдержанной в горизонтальном направлении и невыдержанной, могут иметь место включения линз другого грунта и т.д.

2. Расчетные схемы, разработанные применительно к однородным грунтам, могут быть применены к разнородным грунтам только если указан способ осреднения характеристик грунтов как по прочности, так и по деформируемости. Использование средних арифметических значений и средневвзвешенных значений характеристик не всегда может привести к правильному результату.

3. Для практических расчетов целесообразно применение инженерных методов, позволяющих учесть различные факторы, влияющие на величину осадки и несущую способность оснований.

4. В небольших пределах изменения нагрузки зависимость "осадка-нагрузка" может считаться линейной. С развитием областей пластических деформаций эта зависимость перестает быть линейной из-за увеличения областей, где превалируют деформации сдвига, убыстряющие осадки.

5. Метод расчета осадки, позволяющий учитывать развитие областей пластических деформаций, должен приводить к результатам, совпадающим с тем, что мы получаем из решения теории линейно-деформируемой среды, если нагрузки малы и эти области отсутствуют, но с другой стороны приводить к резкоцу провальному нарастанию осадки, когда эти области достигли максимально возможных размеров. Инженерный метод должен, с одной стороны, удовлетворять решению теории упругости, а с другой стороны - решению теории предельного равновесия.

6. Инженерный метод должен отражать результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния оснований и учитывать результаты, получаемые из "точных" решений, основанных на модели нелинейной теории упругости или на уцруто-пласти-ческих решениях.

7. Инженерный метод должен давать решения, являющиеся безопасными, то есть не занижающими величины прогнозируемых осадок и не завышающими несущую способность оснований, то есть соответствовать положениям математической логики, указанной Н.М.Герсевановым['2

В соответствии с указанным выше была выполнена настоящая работа.

Цель и задачи диссертационной работы заключаются в разработке инженерного метода расчета осадки фундаментов мелкого заложения с учетом нелинейной деформируемости и слоистого напластования грунтов основания.

Практическое значение состоит в том, что предлагаемый метод позволяет достаточно быстро получить данные по прогнозу осадки фундаментов мелкого заложения на многослойном основании с учетом нелинейной деформируемости грунтов и увязать расчеты по первому и второму предельному состояниям. Метод позволяет прогнозировать одновременно с осадкой несущую способность многослойного основания.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан метод расчета несущей способности многослойных оснований с любым числом слоев по коэффициентам несущей способности.

2. Предложен способ определения осредненных значений характеристик сжимаемости многослойных оснований с использованием обобценного метода эквивалентного слоя.

3. Проведены исследования траекторий нагружения, имеющих место в грунте основания под фундаментом и испытания грунтов в лабораторных условиях по этим траекториям.

Внедрение результатов работы:

Предлагаемый расчетный метод определения осадок сооружений включен в Руководство к главе СНиП 2.02.01-83. "Основания зданий и сооружений", часть 2, группа 02.

Проведены расчеты для института "Фундаментпроект" несущей способности основания под ножом опускного колодца.

Включены в Методические указания по учебно-исследовательской работе студентов для специальностей 1202 и 1206 МИСИ им.В.В.Куйбышева.

На защиту выносятся:

1. Исследование траекторий нагружения, имеющих место в грунте основания под фундаментом с ростом приложенной к нему нагрузки и результаты соответствующих экспериментальных исследований.

2. Способ определения несущей способности многослойных оснований по коэффициентам.

3. Способ оцределения осредненных значений характеристик сжимаемости грунтов многослойных оснований црименительно к обобщенному методу эквивалентного слоя.

4. Результаты решения задачи о распределении напряжений в нелинейно-деформируемой полуплоскости и сопоставление с результатами решения этой же задачи для линейно-деформируемой среды.

5. Инженерный способ расчета осадок фундаментов мелкого заложения с учетом нелинейной деформируемости грунтов многослойного основания.

Работа выполнена на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов МИСИ имени В.В.Куйбышева.

Автор глубоко признателен и благодарен своему научному руководителю профессору, доктору технических наук М.В.Малышеву за его постоянное внимание, помощь в работе и пенные советы.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность всем сотрудникам кафедры "Механика грунтов, основания и фундаменты" и лаборатории "Строительство на слабых грунтах" МИСИ им. В.В.Куйбышева за помощь в подготовке и проведении экспериментальных исследований.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Никитина, Надежда Сергеевна

Основные выводы из проведенной работы сводятся к следующему:

I. В настоящее время расчеты оснований по второму и первому предельным состояниям проводятся самостоятельно и не связаны между собой. В работе было поставлено целью связать оба предельных состояния и получить зависимость осадки от нагрузки за пределом пропорциональности между ними для оснований, грунты которых имеют ярко выраженную слоистость напластования. Такая зависимость получена и представлена дробно-линейной функцией, имеющей вертикальную касательную в графике "нагрузка-осадка" при достижении нагрузкой величины, соответствующей несущей способности основания. В то же время способы, основанные на использовании нелинейной теории упругости и требующие численного интегрирования исходной систеш уравнений для песчаных грунтов приводят к возможности приложения нагрузки большей, чем несущая способность основания, определения по теории предельного равновесия сыпучей среды, что противоречит реальности.

2. Для возможности проведения совместных расчетов, объединяющих оба предельных состояния в основании, необходим простой инженерный способ, который гарантировал бы получение незаниженных величин осадок во всем диапазоне изменения нагрузок вплоть до полного исчерпания несущей способности основания. Такой способ предлагается в настоящей работе.

3. Поскольку основания сооружений достаточно часто имеют ярко выраженную слоистость напластования, основное направление настоящей работы заключалось именно в учете этого обстоятельства как при расчетах осадок, так и при расчете несущей способности. Поскольку методы расчета оснований из однородных грунтов были в основном разработаны ранее, нашей главной задачей являлась разработка способов приведения многослойных оснований к однослойным с осредненным значением деформационных и прочностных характеристик. Такое приведение следует проводить путем применения физически обоснованного способа осреднения значений модуля деформации грунта и коэффициентов несущей способности основания, исходящего из конечных результатов расчета.

4. Разработанный способ расчета несущей способности многослойного основания с помощью двух плоскостей скольжения позволяет, благодаря простым конечным формулам, получить величину несущей способности основания по частным значениям коэффициентов несущей способности, величины которых отвечают однородным основаниям и могут быть найдены с использованием достаточно совершенных и апробированных расчетных схем, в том числе тех, которые имеются в нормативных материалах. Таким образом, в работе получены интерполяционше формулы для определения коэффициентов несущей способности оснований, которые в частных случаях однородных оснований дают значения этих коэффициентов,соответствующие им.

5. В работе использован способ цриведения модулей деформации отдельных слоев многослойного основания к осредненному применительно к однослойному основанию значению модуля деформации по эпюре нацряжений с учетом затухания сжимающих напряжений по глубине. При этом широко использовано понятие эквивалентного по осадке слоя и обобщен метод эвивалентного слоя, предложенный ранее Н.А.Цытовичем.

6. Приведенное решение задачи о распределении напряжений с использованием нелинейной теории упругости и численного интегрирования на ЭВМ показало на имеющуюся концентрацию напряжений на оси фундамента по сравнению с решением линейной теории упругости. Получены эпюры вертикальных и горизонтальных нормальных, а также касательных напряжений, и осуществлено их сопоставление с эпюрами, соответствующими линейной теории упругости. Сравнение решений линейной и нелинейной теорий упругости предпочтительнее производить по напряжениям а не по деформациям.

7. Проанализированы траектории нагружения грунта в основании фундаментов на основе как линейного решения теории упругости, так и полученного нами численного решения по нелинейной теории упругости. По этим траекториям нагружения проведены лабораторные исследования на стабилометре песчаного грунта для получения связи между напряжениями и деформациями вплоть до достижения цредельно-го состояния. Эти экспериментальные исследования указали на практическую возможность использования результатов, полученных по общепринятой методике испытаний с помощью нагружения вертикальной нагрузкой цри постоянных значениях боковых напряжений, и выявили диапазон, в котором траектория нагружения практически не влияет на конечные результаты. Расчетные траектории находятся в пределах этого диапазона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никитина, Надежда Сергеевна, 1984 год

1. Белзецкий С.И. Статика сооружений, т. 1. выпуск I, С-Петер-бург, Типография т-ва п.ф. "Электро-Тип. Н.Я.Стойковой",1914.

2. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. Изд-во "Высшая школа", 1968.

3. Березанцев В.Г. Расчет оснований сооружений. Стройиздат, JI., 1970.

4. Боткин А.И. 0 прочности сыпучих и хрупких материалов. Известия НИИГ, т.ХХУ1, I., 1940.

5. Боткин А.И. Исследование напряженного состояния в сыпучих и связных грунтах". Известия НИИ гидротехники", т.24, 1939.

6. Бугров А.К., Зархи А.А. Решение смешанных задач теорий упругости и пластичности грунтов для различных схем оснований. Журнал "Основания, фундаменты и механика грунтов", № 2, 1979.

7. Бугров А.К. Решение смешанной задачи теории упругости и теории пластичности. Журнал "Основания, фундаменты и механика грунтов", № б/1974.

8. Винокуров Е.Ф. Расчеты оснований и фундаментов. Изд-во АН БССР, I960.

9. Вотяков И.Ф. Напряженное состояние оснований и методы расчета осадок близко расположенных фундаментов. Сб.трудов БелИИЖТ, Гомель, 1969.

10. Вотяков И.Ф. Практические методы расчета оснований по деформациям. БелИИЖТ, Гомель, 1973.

11. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. Высшая школа. М., 1978.

12. Герсеванов Н.М. Опыт применения теории упругости к определению допускаемых нагрузок на грунт на основе экспериментальных работ. Собрание сочинений, т.1, Стройвоенмориздат, М., 1948.

13. Герсеванов Н.М. Общий метод теории упругости в приложениях к определению напряжений в грунте при заданной нагрузке на поверхности. Собрание сочинений, т.1. Стройвоенмориздат, М., 1948.

14. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Стройиздат, М., 1973.

15. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Стройиздат, М., 1979.

16. Гольдштейн М.Н., Кушнер М.Г., Шевченко М.И. Расчет осадок и прочности оснований зданий и сооружений. Будивельник, Киев, 1977.

17. Голушкевич С.С. Статика предельных состояний грунтовых масс. Государственное изд-во технико-теоретической литературы, М., 1957.

18. Горбунов-Посадов М.И. Современное состояние научных основ фундаментостроения. Изд-во "Наука", 1967.

19. Горбунов-Посадов М.И. Применение современных фундаментов и расчеты оснований в различных грунтовых условиях. Рига, 1979.

20. Ю.М.Гусев. Определение осадки сооружений при неравномерной нагрузке оснований. "Вища школа", Киев, 1976.

21. Дембицкий Е., Тейхман А. Избранные проблемы фундаментостроения гидротехнических сооружений. "Транспорт", М., 1981.

22. Дохнянский М.П. Экспериментальные исследования сжимаемой толщи в основании круглых жестких фундаментов. НИИ им.Н.М.Герсе-ванова. Труды института, выпуск 72, Основания, фундаменты и подземные сооружения, М., 1980.

23. Друкер Д., Прагер В. Механика грунтов и пластический анализ. Сб. Определяющие законы механики грунтов, № 2. Изд. "Мир", М., 1975.

24. Егоров К.Е. Распределение напряжений и перемещений в основании жесткого ленточного фундамента. Вопросы расчета оснований и фундаментов. Сб. № 9, ГОНТИ, 1938г.

25. Егоров К.Е. Методы расчета конечных осадок фундаментов. В сб. НИИ оснований, вып. 13, М., Минмашстрой, 1949.

26. Егоров К.Е. Вопросы теории и практики расчета оснований конечной толщины. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук (доклад), 1961.

27. Желев Ж. Экспериментальные исследования, проведенные коллективом кафедры механики грунтов, оснований, фундаментов и инженерной геологии. Годишник, XXX, София, 1983.

28. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. Изд-во "Наука", М., 1967.

29. Зарецкий Ю.К., Ломбардо В.Н. Статика и динамика грунтовых плотин. Энергоатомиздат, М., 1983.

30. Захаров М.Н. Некоторые вопросы механики грунтов при слоистом нагружении. "Прикладная механика", т.IX, в.II, 1973.

31. Ильюшин А.А. Пластичность. М., Гостехиздат, 1948.

32. Иванов П.Л. Основания гидротехнических сооружений. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. Стройиздат, М., 1983.

33. Корсунский М.Б. Определение напряжений и перемещений в основании сооружения, создающем на грунт вертикальное равномерное давление по площади круга. Сб. трудов Л» 55, Основания и фундаменты, Стройиздат, М., 1964.

34. Качалов Л.М. Основы теории пластичности. "Наука", М., 1969.

35. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. Стройиздат, М., 1980.

36. Копейкин B.C. Влияние геометрической нелинейности на результаты расчетов напряжений и перемещений в грунтовых основаниях при развитых зонах больших деформаций. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук М., 1980.

37. Копейкин B.C., Соломин В.И. Расчет песчаного основания с помощью физически и геометрически нелинейных уравнений. "Основания, фундаменты и механика грунтов" № I, 1977.

38. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. Стройиздат, Л., 1970.

39. Крижановский А.Л., Чевикин А.С., Куликов О.В. Эффективность расчета оснований с учетом нелинейных деформационных свойств грунтов. "Основания, фундаменты и механика грунтов", № 5,1975.

40. Крыжановский А.Л., Чевикин А.С. Куликов О.В. К вопросу о напряженно-деформированном состоянии песчаного основания в условиях плоской деформации. В сб. "Вопросы механики грунтов, оснований и фундаментов", М., 1977.

41. Кузьмицкий В.А. Исследование мощности активной толщи глинистых оснований с учетом нелинейной деформируемости грунтов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн. наук БПИ, Минск, 1969.

42. Маслов Н.Н. Прикладная механика грунтов. Машетройиздат, М., 1949.

43. Малышев М.В. 0 линиях скольжения и траекториях перемещения частиц в сыпучей среде. Основания, фундаменты и механика грунтов, № 6, 1971.

44. Малышев М.В. 0 прочности песчаного грунта в условиях плоской деформации. Материалы 3-го Всесоюзного совещания, Киев, 1971.

45. Малышев M.B. О влиянии среднего главного напряжения на прочность грунта и о поверхностях скольжения. Основания, фундаменты и механика грунтов, I, 1963.

46. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. Стройиздат, М., 1980.

47. Малышев М.В., Демкин В.М. Напряженно-деформированное состояв ние слоистых оснований. Сб. "Основания и фундаменты", вып. 16. КИСИ, Киев, 1983.

48. Малышев М.В. Теоретическое и экспериментальное исследование несущей способности песчаного основания. ВНИИ В0ДГЕ0, вып. 2, М., 1953.

49. Малышев М.В., Зарецкий Ю.К. и др. О совместной работе жестких фундаментов и нелинейно-деформируемого основания. Труды к УШ Международному конгрессу по механике грунтов и фундаменто-строениго. М., Стройиздат, 1973.

50. Малышев М.В., Никитина Н.С. Напряженное состояние в нелинейно-деформируемой полуплоскости и приближенный способ расчета осадок фундаментов.' Труды УН Европейской конференции по механике грунтов й фундаментостроению, Брайтон, Англия, 1979.

51. Малышев М.В., Никитина Н.С. Расчеты напряженно-деформированного состояния оснований и осадок при нелинейных зависимостях между напряжениями и деформациями. "Зеиосксо. 8c(!ct&lnz£CL" CiuC ёп^пми.^} vbt.lt, J/o&

52. Малышев М.В., Никитина Н.С. Расчет осадок фундаментов при нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями в грунтах. Основания, фундаменты и механика грунтов, А1? 2, 1982.

53. Медков Е.И. Расчет осадки оснований сооружений с учетом фаз сопротивления грунтов. Сб. трудов МИМТ&, вып. 197, М., 1965.

54. Ломизе Г.М. 0 законах деформируемости дисперсных грунтов. Научные доклады высшей школы, вып. 2, 1959.

55. Ламизе Г.М. Закономерности малых пластических деформаций в области упрочнения дисперсного грунта. Доклады АН СССР,т.130, А1? I, I960.

56. Новожилов В.В. Теория упругости. М., Судпромгиз, 1958.

57. Никитина Н.С. Исследование зависимостей между напряжениями и деформациями песчаного грунта при различных траекториях нагружения, возникающих под фундаментом. "Известия вузов. Архитектура и строительство", J6 7, 1983.

58. Новоторцев В.И. Опыт применения теории пластичности к задачам об определении несущей способности оснований сооружений. Известия НИИГ, т.XXII, Л., 1938.

59. Польшин Д.Е. О расчетах оснований сооружений по предельным состояниям. Основания, фундаменты и механика грунтов, № 1,1959.

60. Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений. Стройиздат, 1977.

61. Рыбаков В.И. Осадки фундаментов сооружений. ОНТИ, М., 1937.

62. Сидоров Н.Н., Сипидин В.П. Современные методы определения характеристик механических свойств грунтов. Изд-во литературы по строительству, Л., 1972.

63. Сипидин В.П., Сидоров Н.Н. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. Госстройиздат, 1972.

64. Сидорчук В.Ф. Исследование и усовершенствование прямого метода измерения давлений в грунтах. Диссертация на соискание ученой степени канд.тенн.наук. М., 1971.

65. Соколовский В.В. Теория пластичности. 2-е изд., Гостехиздат,68