авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Деформирование и несущая способность горизонтально нагруженных моносвайных опор в нелинейной повреждаемо-упрочняющейся среде

На правах рукописи

Бакулина Александра Александровна

ДЕФОРМИРОВАНИЕ И НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ГОРИЗОНТАЛЬНО

НАГРУЖЕННЫХ МОНОСВАЙНЫХ ОПОР В НЕЛИНЕЙНОЙ

ПОВРЕЖДАЕМО-УПРОЧНЯЮЩЕЙСЯ СРЕДЕ

Специальность: 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

2 Москва – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. В.С. Черномырдина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Буслов Анатолий Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, зав.

кафедрой «Инженерная и компьютерная графика»

ФБОУ ВПО «МГОУ им. В.С. Черномырдина», Пирадов Константин Александрович кандидат технических наук, доцент зав. лабораторией «Основания и фундаменты на слабых грунтах»

НИИОСП им. Н.М. Герсеванова - структурное подразделение ОАО "НИЦ "Строительство", Зехниев Фаршед Фарходович

Ведущая организация – ООО «Проектный институт Промгражданпроект», г. Рязань

Защита состоится 30.01.2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.137.02 при ФГБОУ ВПО «Московском государственном открытом университете им. В.С. Черномырдина» по адресу: 107996, г. Москва, ул.

П.Корчагина, д. e-mail msou@msou.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета им. В.С. Черномырдина.

Автореферат разослан «» декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Н.В. Лукашина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Фундаменты одностоечных горизонтально нагруженных опор имеют широкое распространение в практике строительства таких отдельно стоящих сооружений, как опоры линий электропередач, опоры контактных линий подвижного состава, ветровые электростанции и т.п. В настоящее время в связи с глобальным изменением климата участились случаи экстремальных природных воздействий на сооружения в виде нерегулярных предельных снеговых и ветровых нагрузок, обледенения проводов опор линий электропередач и контактных сетей и т.д., что вызывает необходимость повышенных требований к их деформационно несущей способности.

При деформировании одностоечной опоры под действием горизонтальных сил и моментов наиболее нагруженной оказывается зона у дневной поверхности грунта, в связи с чем, в ней возникают пластические деформации в виде местного выпора.

Для повышения деформационно-прочностной устойчивости горизонтально нагруженных одностоечных опор на практике применяются различного рода лежневые конструкции в виде отдельных балок, брусов и т.п., устраиваемых со стороны, противоположной действующей нагрузке или моменту. Наряду с положительным эффектом одним из недостатков таких конструктивных элементов является то, что они воспринимают односторонне направленные нагрузки и моменты.

В случае действия на моносвайные опоры знакопеременных горизонтальных нагрузок и моментов наиболее эффективным будет являться применение конструктивных элементов в виде кольцевых либо прямоугольных плитных уширений в зоне грунта у дневной поверхности.

Наряду с имеющимися в научной и нормативной литературе многочисленными методами расчета фундаментных опор на горизонтальную нагрузку, практически остается неизученным вопрос о влиянии плитного уширения вообще и кольцевого, в частности, на работу горизонтально нагруженных свай. Отсутствуют достаточно обоснованные методы расчета горизонтально нагруженных моносвайных опор с кольцевыми уширениями по двум группам предельных состояний с учетом повреждаемости и нелинейной деформируемости грунтовой среды при действии возрастающих нагрузок.

Следует также отметить, что в существующих теоретических моделях повреждаемости среды при возрастающих нагрузках не учитывается возможность одновременного ее упрочнения, особенно характерное для дисперсных грунтовых сред при штамповом нагружении.

В связи с этим проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований по определению эффективности влияния кольцевых уширений на несущую способность и деформирование горизонтально нагруженных опор и разработка методов их расчета во взаимодействии с нелинейной повреждаемо упрочняющейся средой представляет собой актуальную проблему, имеющую прикладной и теоретический интерес.

Целью работы является:

- разработка аналитических методов расчета по двум группам предельных состояний горизонтально нагруженной сваи с кольцевым уширением;

- определение эффективных геометрических параметров кольцевых уширений в зависимости от высоты приложения горизонтальной нагрузки на моносвайную опору;

- сопоставление аналитических исследований с данными проведенных экспериментальных исследований моделей горизонтально нагруженных свай с уширениями и анализ характера нелинейного деформирования грунтового основания;

- разработка модели нелинейной повреждаемо-упрочняющейся грунтовой среды;

- применение модели нелинейной повреждаемо-упрочняющейся грунтовой среды в решении новых, актуальных прикладных задач расчета горизонтально нагруженных моносвайных опор с эффективными кольцевыми уширениями.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:



- разработан теоретический метод расчета по двум группам предельных состояний - несущей способности и деформациям горизонтально нагруженных свай с кольцевым уширением, учитывающий взаимодействие плитно-свайного фундамента с нелинейным повреждаемо- упрочняющимся под нагрузкой основанием;

- экспериментально подтверждена эффективность применения кольцевых уширений, заключающаяся в повышении несущей способности и уменьшении деформаций горизонтально нагруженных свай при нелинейности опытных кривых «нагрузка – перемещения» на всем диапазоне нагрузок вплоть до предельных значений;

- показано, что нелинейность полученных опытных кривых зависимости «нагрузка - перемещения» с позиций механики разрушения есть результат увеличивающейся по мере увеличения нагрузки области поврежденности и уменьшения при этом области сплошности грунтового основания горизонтально нагруженной опоры;

- экспериментально установлено, что за счет синергетического эффекта происходит определенное замедление деформаций повреждаемого основания, поскольку наряду с его ослаблением происходит и консолидация, т.е. упрочнение грунта, завершающееся при приближении нагрузки к критическому значению;

- показано, что поврежденность можно рассматривать как безразмерную силовую характеристику степени приближения повреждающей нагрузки к пределу сопротивления (повреждаемости) материала основания;

сплошность при этом впервые представлена как безразмерная физическая характеристика, отражающая степень снижения «отпорности» основания по мере его поврежденности;

- предложена модель нелинейной повреждаемости среды с упрочнением, в которой роль повреждающего и упрочняющего фактора, создающего синергетический эффект повышенной сопротивляемости, играет уровень нагружения основания.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется применением основных положений и моделей классической механики деформируемого твердого тела, механики разрушения, строительной механики балок на упругом основании и данными экспериментальных исследований на моделях горизонтально нагруженных свай с кольцевыми уширениями.

Практическая ценность и внедрение результатов. Разработанные теоретические методы по расчету горизонтально нагруженных моносвайных опор с кольцевыми уширениями доведены до уровня практического их применения. В диссертации приведены многочисленные примеры расчетов по ним и сопоставление их результатов с данными экспериментальных исследований.

Результаты исследований используются в учебном процессе Московского государственного открытого университета им. В.С. Черномырдина при чтении спецкурса «Возведение зданий и сооружений в сложных условиях», а также внедрены при строительстве ряда отдельно стоящих сооружений следующими организациями:

1. ОАО «Рязаньжилстрой».

2. ООО «ИНЭ» Импульсная наноэлектроника, г. Рязань.

3. Некомерческая организация «Союз строителей Рязанской области».

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

- разработанный метод расчета несущей способности (устойчивости) горизонтально нагруженных моносвайных опор с кольцевыми уширениями;

- разработанный метод расчета деформаций горизонтально нагруженных моносвайных опор с кольцевыми уширениями в нелинейно деформируемой среде с учетом ее повреждения и упрочнения под нагрузкой;

- рекомендации по назначению оптимальных геометрических размеров кольцевых уширений, исходя из наиболее эффективного их влияния на несущую способность и деформирование горизонтально нагруженных одностоечных опор;

- результаты впервые проведенных экспериментальных исследований работы горизонтально нагруженных свай с уширениями;

- предложенная модель нелинейной повреждаемости с упрочнением грунтовой среды, в которой впервые в качестве повреждающего и упрочняющего фактора, создающего синергетический эффект повышенной сопротивляемости, используется уровень нагружения основания.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: 1. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи. «Актуальные проблемы развития нано – микро - и оптоэлектроники». Рязань, 24-25 ноября 2010. 2.

Международная научно-техническая конференция. «Промышленное и гражданское строительство в современных условиях». Москва, 2011. 3. I-ая Всероссийская заочная (с международным участием) научно-практическая конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. «Современные проблемы освоения недр». – Белгород, БелГУ, 2011. 4. II Международная Интеллектуальная Ассамблея.

Чебоксары, 2011. 5. Восьмая межвузовская научно-техническая конференции студентов, молодых ученых и специалистов. Рязань, 2010. 6. Девятая межвузовская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов.

Рязань, 2011. 7. Международная научно-практическая конференция «Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК», посвященной 150-летию со дня рождения основоположника высшего гидротехнического и мелиоративного образования в России В.В. Подарева – Москва, 2012. 8. X межвузовская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Новые технологии в учебном процессе и производстве», РИ(ф)МГОУ имени В.С.Черномырдина, 2012г. 9. «14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering», Moscow, 2012. 10. Координационный совет по вопросам научно-технической и инновационной деятельности в Рязанской области. Рязань, 2012г. 11. Международная молодежная конференция «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе новых технологий», Москва, 2012г. 12.

Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ им. В.С. Черномырдина, Москва, 2012 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ. Из них работ, отражающие основные научные результаты диссертации, опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ и приравненных к ним материалах всероссийских и международных конференциях в соответствии с постановлением Правительства № 227, п. 11 от 20 апреля 2006 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и по главам, списка использованных источников и двух приложений, где представлены иллюстрации по проведенным экспериментам и акты внедрения.





Диссертационная работа изложена на 191 странице машинописного текста, включающего 48 рисунков, 49 таблиц, списка использованных источников из наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация посвящена вопросам повышения деформационно-несущей способности горизонтально нагруженных моносвайных опор за счет применения эффективных конструктивных элементов и разработке методов их расчета в нелинейной повреждаемо-упрочняющейся среде.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе выполнен литературный обзор, дан краткий анализ методов расчета свай на горизонтальную нагрузку, способы увеличения несущей способности горизонтально нагруженных фундаментов за счет применения лежней.

Изучению работы горизонтально нагруженных свай посвящены многочисленные работы российских и зарубежных ученых. Обзор только основной части из их мог бы представлять собой самостоятельно исследование, имеющее значение в историографии строительной науки.

В основе практически всех методов расчета свай на горизонтальную нагрузку лежит теория взаимодействия упругого стержня с упругим полупространством.

Отличие методов друг от друга заключается в вариациях моделей основания, учитывающих реальные свойства грунтов, таких как, сжимаемость, пластичность, ползучесть, дискретность, связность и внутреннее трение, а также их сочетание;

параметры жесткости – гибкости свай, характер и условия их загружения и т.д.

Кроме того, методы расчета разделяются на аналитические и графоаналитические, численные с применением ЭВМ, эмпирические и полуэмпирические.

Наиболее известны в этой области работы: Ангельского Д.В., Архангельского М. М., Березанцева В. Г., Буслова А.С., Глушкова Г.И., Голубкова В.Н., Готмана А.

Л., Григорян А.А., Жемочкина Б.Н., Зарецкого Ю. К., Знаменского В.В., Зурабова Г.

Г., Казарновского B.C., Кудрина С.М., Лалетина Н.В., Ограновича А. Б., Разоренова И.Ф., Снитко Н.К., Тер-Мартиросяна З.Г., Урбан И.В., Хаяси К., Шахирева В. Б., Broms B. B., Matlock Reese, Miche R., Palmer L.A. and Thompson J.B., Feagin L.B., Hetennyi M., и ряда других.

В последние годы в связи с развитием численных методов расчета с применением ЭВМ появились достаточно интересные работы по исследованию и расчету горизонтально нагруженных свай на основе использования метода конечных элементов. За рубежом получили известность исследования Trochanis и др. (1991), Yang и Jeremiae (2005), Johnson (2006), Tahghighi и Kongai (2007), использовавших метод конечного элемента (МКЭ) для численных исследований работы горизонтально нагруженных свай. Влияние вертикальной нагрузки на работу горизонтально нагруженной сваи изучал с помощью МКЭ Karthigeyan с соавторами (2006). Типичный анализ горизонтально нагруженной сваи с помощью программы PLAXIS 3D FOUNDATION можно встретить в работе M.R. Taha и др., (2009).

Метод расчета горизонтально нагруженных свай с применением различного рода лежневые конструкций в виде отдельных балок, брусов и т.п., устраиваемых со стороны противоположной действующей нагрузке или моменту, приведен в ряде отечественных нормативных документах. В то же время работа горизонтально нагруженных свай с лежнями в виде плиты квадратной или круглой формы практически не изучена. Имеются лишь отдельные публикации об опыте эффективного их применения при расчете горизонтально нагруженных свай по деформациям (Матус Н. Ю., Украина).

Для выявления характерных особенностей работы горизонтально нагруженной свайной опоры с кольцевым уширением и постановки задач дальнейших исследований был проведен предварительный анализ методом конечных элементов (МКЭ) влияния кольцевого уширения на характер напряженно-деформированного и силового взаимодействия фундамента с идеализированной моделью основания упругим полупространством. Нелинейность деформируемого полупространства грунтового основания на этом этапе исследований не рассматривалась, чтобы не смешивать два разных влияния.

Влияние кольцевого уширения изучалось на основе сравнения полей напряжений и деформаций для условного примера фундаментной опоры без уширения и с кольцевым уширением в верхней горизонтально сжимаемой зоне.

Моделирование и сравнительный анализ полученных результатов для конструкции одиночной свайной опоры с дополнительным устройством выполнялось в программном комплексе ЛИРА 9.6 в трехмерной и двухмерной постановках.

На рис. 1 показан один из типичных фрагментов исследуемых изополей перемещений грунта для сваи без уширения и с уширением, длиной L при приложении горизонтальной нагрузки на уровне Н=1,5L.

Численный анализ МКЭ горизонтально нагруженных опор с кольцевым уширением, взаимодействующих с упругим полупространством, показал, что боковое давление упругой среды и ее деформации по торцу кольцевого уширения при равных величинах действующей горизонтальной нагрузки на аналогичных глубинах меньше, чем у сваи без уширения.

а) б) Рис. 1. Изополя деформаций грунта при действии горизонтальной нагрузки на уровне дневной поверхности при приложении нагрузи на высоте Н=1,5L:

а) без уширения, б) с уширением.

Следовательно, пассивный отпор, развивающийся по торцу уширения, оказывает дополнительно разгружающее действие для горизонтально нагруженной сваи.

По нижней поверхности (подошве) кольцевого уширения, соприкасающегося с упругой средой, возникают нормальные напряжения, создающие, по сравнению со сваей без плиты, дополнительное сопротивление действующему на сваю моменту. По той же поверхности возникают касательные напряжения, создающие дополнительное сопротивление сдвигу горизонтально нагруженной опоры. Полученные результаты свидетельствует о реальном повышении деформационной устойчивости опоры при устройстве в верхней зоне упругого полупространства кольцевого уширения.

При определенных достоинствах анализа методом конечного элемента с использованием стандартной программы ЛИРА 9.6, он имеет и ряд недостатков. Так, при использовании модели упругого полупространства грунтовая среда наделяется способностью воспринимать растягивающие напряжения, что не соответствует реальной картине. Существующие на настоящий период расчетные комплексы, построенные на использовании МКЭ, не позволяют производить расчеты горизонтально нагруженных свай по прочности (устойчивости) и нелинейные деформации с учетом повреждаемости упругопластической среды. Это направление численных методов расчета требует своего самостоятельного изучения и развития.

Наряду с численными методами в практике проектирования подземных сооружений и фундаментов широко используются аналитические, как строгие, так и инженерные, методы расчета. Основанные на базовых теоретических зависимостях механики деформируемого твердого тела, связанной с ней механикой грунтов и строительной механикой эти методы при подкреплении их данными экспериментальных исследований достаточно эффективны и в ряде случаев более удобны для практического использования.

Все это предопределило цель и задачи дальнейших исследований, сформулированных в заключение первой главы диссертации.

Во второй главе излагается разработанный автором аналитический метод расчета критической нагрузки для горизонтально нагруженной сваи с кольцевым уширением, а также приводятся результаты проведенных на его основе аналитических исследований влияния кольцевого уширения на несущую способность горизонтально нагруженной сваи.

Расчетная схема представлена на рис. 2. Сопротивление сваи с глубиной погружения в грунт L и горизонтальной нагрузкой Рг, приложенной на высоте Н, складывается из отпора грунта кр по боковой поверхности сваи и основанию кольцевого уширения, а также сил трения грунта fтр, возникающих на контакте с бетонным уширением и основанием сваи.

Критическая нагрузка на сваю определялась на основе составления уравнений равновесия моментов и горизонтальных сил относительно точки «k».

Для предельного сопротивления горизонтально нагруженной на высоте Н сваи получены следующие две равнозначные зависимости (1) и (2):

L кр d ( Z 0 L Z 02 + A) 1.. (1) Ркр = г H +L Здесь:

d 2 d b2 А = b( L )( 1) + ((1 + ( 2 1)( 2 1)) + ( 2 1)( L b) ;

=D/d;

2 12 4 d f [ ] = тр B = b( 1) + 4 Z 0 = Н 2 + 0,5С Н С = L2 + 2 H ( L B ) 2 LB + 2 A ;

;

;

кр.

Ркр = кр d [ 2 Z 0 L + B ].

г 2. (2) Геометрические размеры, входящие в приведенные зависимости, указаны на рис 2.

В формулы для расчета критической нагрузки горизонтально нагруженной сваи входит один из важнейших параметров - предельное сопротивление грунта при боковом давлении кр. От точности его определения напрямую зависит точность последующих теоретических расчетов.

Рис.2. Расчетная схема горизонтально нагруженной сваи с кольцевым уширением у поверхности грунта.

Существуют многочисленные методы для прогнозирования величины предельного бокового сопротивления сваи в грунтах. Однако результаты расчетов по этим метода часто значительно отличаются между собой. Это затрудняет задачу выбора эффективного метода при расчете бокового сопротивления свай в грунте. В связи с этим в данной работе проведен анализ наиболее известных в зарубежной и отечественной литературе методов с целью выбора из них наиболее простого и оптимального решения.

Были рассмотрены результаты расчетов величин кр с использованием зависимостей, рекомендованных для горизонтально нагруженных свай такими исследователями, как Бринч Хансен (1961), Б. Бромс (1964), Л. Риз (1974), Боргард Мэтлок (1980), Поулос и Дэвис (1980), Смит (1987) и др.

Кроме того, рассматривались существующие в отечественной литературе зависимости для определения критической нагрузки на грунт при вдавливании штампов на предмет возможности их использования для расчета свай на горизонтальную нагрузку. На данном этапе исследований была принята зависимость, рекомендованная А.С. Бусловым и др. (2004) для связных грунтов, дающая наиболее близкие результаты с имеющимися опытными данными и теоретическим решением Прандтля, в виде кр = c0 tg 3 (45 0 + ).

(3) На основе разработанных теоретических зависимостей были проведены исследования влияния геометрических параметров кольцевого уширения на несущую способность горизонтально нагруженных свай в сочетании с различными схемами их загружения.

На рис. 3 показан график зависимости относительного увеличения несущей способности горизонтально нагруженной сваи Ркр,i/Ркр,=1 от отношения диаметров кольца и сваи =D/d. Видно, что эта зависимость носит нелинейно возрастающий характер. Это свидетельствует о влиянии на общую величину несущей способности сваи отпора грунта, действующего по подошве кольцевого уширения по мере увеличения его диаметра. Так, например, несущая способность опоры при радиусе уширения, равном 2,5d, почти на 70% выше, чем у опоры без уширения.

Экономическая эффективность свай с кольцевым уширением может быть оценена по величине расхода бетона на ее устройство в сравнении с объемом материала на сваю единого по всей длине диаметра и с той же несущей способностью. Сопоставительные расчеты показали, что сваи с уширением значительно экономичней (свыше 40% при =2,5) по расходу материала по сравнению со сваями постоянного сечения при равных значениях их несущих способностей.

Рис.3. Влияние увеличения диаметра D кольцевого уширения на повышение несущей способности в величинах Ркр,i/Pкр,1 горизонтально нагруженной сваи диаметром d.

Эффективность влияния утолщения кольца на повышение несущей способности сваи при этом носит регрессивный характер, поэтому параметры диаметра и толщины кольцевого уширения сваи необходимо назначать с точки зрения оптимального сочетания ее несущей способности и расхода бетона на опору.

В работе также изучалась эффективность использования кольцевых уширений при переменных высотах приложения горизонтальной нагрузки на свайную опору.

На графиках (рис. 4) показано изменение несущей способности сваи в величинах Р/Р=1 в зависимости от высоты приложения горизонтальной нагрузки при различных значениях относительного уширения =D/d.

Видно, что с увеличением плеча приложения нагрузки несущая способность горизонтально нагруженной сваи снижается. Такое же действие будет оказывать и моментная нагрузка, приложенная к свайной опоре. При этом относительное снижение несущей способности для свай с уширением, т.е. с переменным диаметром, практически не отличается от сваи с одинаковым по всей длине диаметром. Это свидетельствует о том, что по расходу бетона свая с уширением экономичнее свай постоянного поперечного сечения.

Рис. 4. Графики изменения несущей способности сваи в величинах Р/Р=1 в зависимости от высоты Н приложения горизонтальной нагрузки при различных значениях относительного уширения =D/d.

Третья глава посвящена разработке метода расчета горизонтально нагруженных свай с уширениями по второй группе предельных состояний и аналитическим исследованиям влияния кольцевого уширения на их деформирование в линейно деформируемой среде.

Расчетная схема для определения деформаций горизонтально нагруженных свай с кольцевым уширением представлена на рис. 5.

Как отмечалось выше, нелинейность деформируемого полупространства грунтового основания на данном этапе исследований деформаций горизонтально нагруженных опор с кольцевым уширением не учитывается, чтобы не смешивать одно влияние (уширение) с другим (нелинейность деформируемого полупространства).

Принимается, что горизонтальные деформации сваи с жестко соединенной с ней опорой, являются результатом суммирования (рис. 5а): плоско - параллельного перемещения сваи г под действием горизонтальной нагрузки Рг (рис. 5б), Р приложенной в точке центра тяжести «С» эпюры бокового давления на сваю, и ее поворота на угол в грунте вокруг этой точки от моментной нагрузки М (рис. 5в).

Рис. 5. Схема для определения деформирования горизонтально нагруженной сваи: а – суммарное деформирование сваи в месте приложения нагрузки Рг на высоте Н;

б – плоскопараллельное перемещение сваи под действием Рг, приложенной в центре тяжести «С» эпюры бокового отпора грунта;

в - поворот сваи под действием МС, приложенного в центре тяжести эпюры бокового отпора грунта.

Боковой отпор грунта, возникающий при повороте сваи в грунте под действием горизонтальной нагрузки, приложенной на высоте Н, представлен как сумма отпоров от силы Р (рис. 6а) и моментной нагрузки М (рис. 6б), приложенных в центре тяжести эпюр.

Рис. 6. Расчетная схема для определения эпюр отпора грунта горизонтально нагруженной сваи с уширением: а – эпюра бокового отпора по длине сваи от действия приложенной в центре тяжести «С» горизонтальной нагрузки Р, б – эпюра бокового отпора от действия моментной нагрузки М;

в - эпюры вертикального отпора грунта по подошве кольцевого уширения и основания сваи и возникающие при этом моменты М к. у и М осн.

Кроме того, учитывается отрицательный момент, возникающий от отпора грунта по подошве кольцевого уширения и основания сваи (рис.6в).

Расчеты конструкций по второй группе предельных состояний (по деформациям) основываются на той или иной деформационной модели материала, из которого выполнена данная конструкция. В полной мере это положение относится к грунтовым основаниям, взаимодействующим с подземными сооружениями.

В качестве деформационной модели грунта в расчетах горизонтально нагруженных свай нами принимается модель Фусса-Винклера. На основе этой модели решаются многие инженерные задачи расчета балок и плит на упругом основании, в том числе и свай на горизонтальную нагрузку. Деформационной характеристикой в этой модели является коэффициент постели. В общем случае для различных видов грунтов коэффициент постели зависит как от величины и вида действующей нагрузки, так и от формы и размеров загружаемой площади. В связи с этим многие исследователи, применяя метод коэффициента постели, предлагают определять его значения через модуль общей деформации грунта на основе зависимости Шлейхера для осадки штампа на упругом полупространстве, наделяя тем самым модель Винклера некоторой распределительной способностью линейно деформируемой среды.

В диссертации на основании решений Шлейхера-Буссинеску и К.Е.Егорова приводятся формулы, выражающие коэффициент постели через модуль общей деформации для случаев нагружения штампа прямоугольной и круглой формы сосредоточенной силой и моментом.

В соответствии с расчетной схемой (рис 6) суммарные горизонтальные перемещения опоры г на высоте Н равны (рис. 6а):

г = Рг + М, (4) г Итоговая формула для определения в линейной постановке перемещений моносвайной опоры на высоте Н от поверхности грунта имеет вид:

d 2 Р г m кр Р = + C P [ L + b( 1)] г [(Z C b)( 2 1) + ( L Z C ] d Pг ( H + Z C ) m кр (5) + ( H + Z С ).

2 3 C P ( L Z C ) + 1 d 3 Здесь:

балка круг f тр = 6 b ;

1 = С М = 32 ;

;

= СМ b 2 ( 1) + L =D/d;

=, ZС = кр L 2b( 1) + 2 L СР СР Рг m=, Ркр E CP = (1 µ 02 ) - «отпорность» основания при вдавливании штампа, принимаемая где 6 E0 b равной С Р = kd ;

k - коэффициент постели;

С М = (1 µ 2 ) L - «отпорность» при бака Е повороте прямоугольного фундамента»;

С круг = 32 «отпорность» при M 6 (1 µ 0 ) повороте круглого фундамента».

Геометрические размеры даны на рис. 5 и 6.

Анализ экспериментальных данных, имеющихся в литературе, показывает, что силы трения по боковым поверхностям сваи для различных грунтов составляют fтр=(0,1 … 0,3) кр. Большее влияние сил трения отмечаются в начальной стадии нагружения сваи до их срыва. Меньшее влияние сил трения соответственно наблюдаются при достижении сваей предельной несущей способности, когда происходит срыв этих сил. Для практических расчетов осредненно можно принимать =0,15.

Полученная зависимость (5) дала возможность провести исследования влияния геометрических параметров кольцевого уширения на перемещения и крен горизонтально нагруженных свай в сочетании с различными схемами их загружения. В основу исследований положены сопоставительные расчеты горизонтально нагруженных свайных опор с различными исходными данными и сравнение получаемых результатов в безразмерных параметрах, что позволяет делать определенные обобщения.

Как видно из рис. 7, кольцевое уширение оказывает значительное влияние на деформирование горизонтально нагруженных свай. Так, при увеличении диаметра уширения в 2,5 раза по сравнению с диаметром сваи деформации горизонтально нагруженной у поверхности грунта сваи уменьшаются в 4,6 раза. При этом зависимость горизонтальных перемещений от диаметра уширения носит нелинейный характер.

Рис. 7. График влияния диаметра уширения на деформирование сваи при действии горизонтальной нагрузки на уровне дневной поверхности (Н=0).

Аналогичная зависимость прослеживается и для вариантов приложения горизонтальной нагрузки на высоте Н0. Так, при увеличении диаметра уширения в 2,5 раза по сравнению с диаметром сваи d деформации горизонтально нагруженной сваи на высоте Н=0,1L при Рг=10кН уменьшаются в 5,4, а соответственно на высоте Н=1,5L в 8,1 раза.

С увеличением высоты приложения одинаковой по величине нагрузки деформации горизонтально нагруженных свай увеличиваются. В то же время на деформации свай с приложенной к ней моментной нагрузкой оказывает влияет и размер диаметра уширения сваи (рис. 8).

Сопоставительные расчеты деформаций моносвайной горизонтально нагруженной опоры с уширениями различной толщины показывают, что увеличение толщины кольца дает определенный эффект уменьшения горизонтальных перемещений опоры. В то же время установлено, что с повышением уровня приложения горизонтальной нагрузки над дневной поверхностью, что равнозначно увеличению моментной нагрузки, эффективность утолщения кольца снижается. На основании проведенных аналитических исследований установлено, что в целях уменьшения деформаций горизонтально нагруженных моносвайных опор наиболее целесообразным является увеличение диаметра кольцевого уширения.

Хотя утолщение кольца дает дополнительный эффект в этом направлении, однако его размер будет определяться, в основном, величиной изгибающего момента, возникающего от действия реакции грунта по подошве уширения.

Рис. 8. Зависимости деформаций г горизонтально нагруженных свай L=200см, d=40см, b=20см, Pг =10кН при изменении высоты Н приложения нагрузки и диаметра D кольцевого уширения.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований на моделях влияния кольцевого уширения на устойчивость и деформирование горизонтально нагруженных свай.

Для проведения испытаний на моделях был изготовлен лоток, оснащенный индикаторами часового типа и системой передачи горизонтальной нагрузки посредством тяги, прикрепленной к опоре, и подвешиваемого через блок груза (рис.

9).

Для моделирования взаимодействия горизонтально нагруженных свай с грунтом приняты безразмерные геометрические параметры в виде =D/d, H = H / L, b = b / L. Механическое подобие двух упругих систем, какими являются сваи, взаимодействующими с упругим основанием, моделировалось в соответствии с теорией балок на упругом основании безразмерным параметром показателя гибкости.

Рис. 9. Схема лотка для модельных испытаний свайных опор с кольцевыми уширениями на горизонтальную нагрузку.

С учетом этого, геометрические размеры модельных свай приняты с коэффициентом подобия 1/10 по отношению к расчетным вариантам. На основании соответствующих расчетов принята длина модельных свай 200 мм, диаметр 40 мм.

Материал свай – полая металлическая труба, а кольцевых уширений – многослойная прочная фанера.

Особое внимание было уделено подготовке грунтовой среды. В качестве грунта был подобран однородный суглинок, из которого готовилась перемятая грунтовая масса.

С целью сохранения влажности грунтовой массы внутренняя часть лотка была покрыта полиэтиленовой пленкой. Она также применялась для покрытия наружной поверхности грунтовой среды (рис. 10).

В результате подбора грунтовой массы, отвечающей критериям подобия, для последующих испытаний использовалась упругопластическая среда со следующими 3 p L характеристиками: =18,2кН/м ;

W=0,32;

W =0,24;

W =0,36;

е=0,95;

=13,5 ;

к с=0,0145МПа, Е =6,0МПа.

Проведенные модельные испытания, с одной стороны, подтвердили выводы аналитических исследований о характере влияния кольцевого уширения на устойчивость и перемещения горизонтально нагруженных свай, а с другой стороны, показали на необходимость при расчетах ответственных сооружений с большими знакопеременными нагрузками учета нелинейного характера зависимости «нагрузка – перемещения».

Рис. 10. Лоток с испытываемой сваей.

Зависимость «нагрузка – перемещения», в общем, как для свай без уширений, так и свай с кольцевыми уширениями в верхней сжимаемой зоне, имеет нелинейный характер. Условно линейной эту зависимость можно рассматривать только в начале кр загружения сваи, в пределах до (0,2…0,3) Р.

Пятая глава посвящена разработке метода расчета деформаций горизонтально нагруженных свай с кольцевыми уширениями в нелинейно деформируемой среде.

Изменение под нагрузкой деформационно-механических свойств материалов имеет различную природу. Однако феноменологически, эти процессы нередко можно интерпретировать в том или ином смысле как некоторые процессы накопления повреждений, различных дефектов, микропор, трещин. Когда повреждения достигают опасного уровня, происходит разрушение. В простейшем варианте функцию нарушения сплошности от поврежденности можно описать некоторым скаляром 10 (Л.М. Качанов). В начальном состоянии, при =1 ;

с увеличением поврежденности m функция отсутствии поврежденности убывает. Функция, по сути дела, интерпретируется как «сплошность». Тогда =1-m. (6) На рис. 11 полученный на основании опытных испытаний график зависимости «отпорность основания – нагрузка» представлен в безразмерных величинах m=Рг/Ркр (уровень нагружения) и =СРперем/СРнач.

Кривая 1 построена по данным опытных испытаний модельной сваи d=4см;

L=20см;

=1 при изменении высоты приложения горизонтальной нагрузки от H= до H=1,5L. Кривая 2 построена на основании зависимости Л.М. Качанова.

Подобная картина характерна для всех проведенных испытаний моделей горизонтально нагруженных свай, в том числе с кольцевыми уширениями.

Для того чтобы сблизить теоретическую и опытную кривые (рис. 11), необходимо в зависимость Л.М. Качанова ввести параметр, замедляющий развитие нарушения сплошности при увеличении уровня нагружения m свайной опоры.

Из рис. 11 следует, что теоретическая (по Л.М. Качанову) и опытная (наши исследования) кривые сходятся в точках при m=0 и m=1. Это условие соблюдается, если в степень m возвести уравнение (6):

=(1-m)m. (7) При m=0 =1;

при m=1 =0, то есть опытная и теоретические кривые в этих точках совпадают. Для иных уровней нагрузки в пределах 0 ‹ m ‹ 1 показатель сплошности 0 ‹ ‹ 1. Возведение функции в степень m ‹ 1 в соответствии с формулой (7) приводит к увеличению значений по сравнению с формулой Л.М.

Качанова (6). Таким образом, введение в формулу повреждаемости степени m=Рг/Ркр позволяет сблизить теоретическую зависимость с опытной кривой.

Рис. 11. Зависимость «отпорность – нагрузка» в безразмерных величинах =СРперем/СРнач и m=Рг/Ркр: 1- по данным опытных испытаний;

2 - зависимость Л.М.

Качанова.

В соответствии с зависимостью (7) для переменной отпорности основания имеем:

СРперем=СРнач(1-m)m, (8) где m=Рг/Ркр.

Зависимость (8) фактически является уравнением нелинейной повреждаемости основания с упрочнением. В соответствии с ней при увеличении уровня нагрузки m=Рг/Ркр (повреждающего фактора) увеличивается нарушение сплошности – «отпорности» основания. При этом поврежденность m в предлагаемой нами зависимости в отличие от модели Л.М. Качанова является фактором, влияющим как на расслабление, так и упрочнение грунта. Таким образом, в зависимости (5) объединяются модели разрушения Ю.Н. Работнова, Л.М. Качанова, модель упругопластических деформаций С.С. Вялова и модель нелинейного деформирования с упрочнением Баха.

С учетом (8) полученная нами зависимость (5) для расчета линейных перемещений горизонтально нагруженной сваи с уширением в случае нелинейной повреждаемо-упрочняющейся под нагрузкой среды приобретает вид:

d 2 Рг m кр г = + Р C P (1 m) m [ L + b( 1)] [(Z C b)( 2 1) + ( L Z C ] d Pг ( H + Z C ) m кр (9) + ( H + Z С ).

2 3 C P (1 m) ( L Z C ) + 1 d m 3 На рис. 12 выборочно представлены графики деформаций горизонтально нагруженной сваи для Н=0 с разными значениями =D/d, построенные в соответствии с зависимостью (9), и сравнение их с опытными данными испытаний моделей свай с кольцевыми уширениями и без них.

Видно, что теоретическая кривая (форм. 9), реально описывая нелинейный характер зависимости «нагрузка – перемещения», достаточно близко совпадает с опытными точками. Подобная картина характерна для всех проведенных испытаний моделей горизонтально нагруженных свай, как без уширений, так и с кольцевыми уширениями.

Рис. 12. Графики деформирования горизонтально нагруженной сваи при Н=0 (сила приложена у поверхности грунта) и разных значениях =D/d: — - теоретическая кривая (форм. 9);

– опытные значения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ По результатам выполненных исследований получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Разработаны аналитические методы расчета горизонтально нагруженных моносвайных опор по двум группам предельных состояний - несущей способности и деформациям в нелинейно повреждаемо-упрочняющейся грунтовой среде, впервые учитывающие дополнительное разгружающее воздействие отпора грунта за счет применения кольцевого уширения.

2. Установлено, что использование оптимальных соотношений размеров кольцевых уширений и высоты приложения горизонтальной нагрузки приводит к существенному повышению несущей способности (до 40%) и снижению деформации (в 4,6 раз), а по расходу бетона моносвайная опора с кольцевым уширением экономичнее по сравнению со сваей постоянного сечения.

3. Показано, что наибольший эффект в повышении деформационно прочностной устойчивости горизонтально нагруженных моносвайных опор наблюдается при увеличении размеров диаметра кольцевого уширения, при незначительном влиянии утолщения кольца.

4. Теоретически обоснована методика экспериментальных исследований с моделями горизонтально нагруженных свай. В качестве критерия геометрического моделирования в ней впервые принят безразмерный параметр в виде показателя гибкости сваи, позволяющий адекватно учесть переход от модели к натуре.

5. Экспериментально установлено, что снижение деформаций повреждаемого основания горизонтально нагруженной опоры происходит за счет синергетического эффекта, обусловленного упрочнением грунта на всем диапазоне действующей нагрузки вплоть до критического ее значения.

6. Показано, что поврежденность грунтового основания можно рассматривать как безразмерную силовую характеристику степени близости горизонтальной нагрузки на опору к пределу ее сопротивления по грунту;

сплошность при этом впервые представлена как безразмерная физическая характеристика, отражающая степень снижения «отпорности» основания по мере его поврежденности.

7. Впервые предложена модель нелинейной повреждаемости среды с упрочнением, в которой в отличие от известной модели Л.М. Качанова уровень нагружения играет роль не только повреждающего, но и упрочняющего фактора, создающего в итоге синергетический эффект повышенной сопротивляемости грунта основания.

8. Практическое применение разработанных в диссертации методов расчета, учитывающих взаимодействие плитно-свайного фундамента с нелинейным повреждаемо-упрочняющимся под нагрузкой основанием, позволяет повысить деформационно-прочностную устойчивость моносвайных фундаментов отдельно стоящих сооружений с возможностью восприятия ими знакопеременных горизонтальных нагрузок за счет применения кольцевых уширений в верхней сжимаемой зоне грунтового основания.

Публикации по теме диссертации 1. Буслов А.С., Бакулина А.А. Влияние кольцевого уширения на несущую способность горизонтально нагруженной моносвайной опоры. Вестник МГСУ. Научно-технический журнал. 2012. №4, М., ФГБОУ ВПО «МГСУ». С.

63-69 (перечень ВАК РФ).

2. Буслов А.С., Бакулина А.А. Уравнения нелинейной повреждаемости основания по данным испытаний моделей горизонтально нагруженных свай.

Вестник МГСУ. Научно-технический журнал. 2012. №11, М., ФГБОУ ВПО «МГСУ». С. 67-74 (перечень ВАК РФ).

3. Буслов А.С., Бакулина А.А. Расчет перемещений горизонтально нагруженных свай с кольцевыми уширениями в пределах линейных деформаций основания.

Вестник МГСУ. Научно-технический журнал. 2012. №12, М., ФГБОУ ВПО «МГСУ». С. 78-85 (перечень ВАК РФ).

4. Бакулина А.А. Повышение несущей способности одиночной сваи. «МГОУ XXI-Новые технологии» № 5. Научно-технический журнал М.: Изд-во МГОУ., рег. № ПИ №77-1883, 2010. С. 37-39.

5. Бакулина А.А. Исследование несущей способности одностоечных опор с укреплением верхнего слоя грунта при горизонтальных нагрузках.

«Актуальные проблемы развития нано – микро - и оптоэлектроники». Труды Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи.

Научн. изд. Рязань: Ред.- изд. центр РГРТУ., 24-25 ноября 2010. С. 171-174.

6. Бакулина А.А., Буслов А.С. Исследование МКЭ напряженно деформированного и силового взаимодействия фундаментов одностоечных горизонтально нагруженных опор с упругим полупространством.

«Промышленное и гражданское строительство в современных условиях».

Сборник научных трудов Института строительства и архитектуры. Материалы Международной научно-технической конференции – Москва: Ред.- изд. отдел МГСУ, 2011. С. 135-137.

7. Бакулина А.А., Буслов А.С. Моделирование одностоечных опор в программном комплексе при горизонтальных нагрузках с укреплением верхнего слоя грунта (текст доклада). Современные проблемы освоения недр.

Материалы I Всероссийской заочной (с международным участием) научно практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Белгород: ИПК НИУ «БелГУ», 2011. С.5-9.

8. Бакулина А.А., Буслов А.С. Исследование фундаментов одностоечных опор особой конструкции в программном комплексе при горизонтальных нагрузках (статья). II Международная Интеллектуальная Ассамблея: сборник научно исследовательских работ/ Науч. ред. М.В.Волкова - Чебоксары: НИИ педагогики и психологии, 2011. С. 124-128.

9. Бакулина А.А., Новак Д.М. Исследование деформации одиночной сваи с применением программных комплексов (тезисы доклада). «Новые технологии в учебном процессе и производстве»: Материалы восьмой межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов;

материалы научно-методической конференции преподавателей РИ (ф) МГОУ. – Рязань: Рязанский ин-т МГОУ, 2011. С. 96-98.

10. Бакулина А.А., Петренко Ф.И. Анализ работы свай различного продольного сечения. «Новые технологии в учебном процессе и производстве»:

Материалы восьмой межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов;

материалы научно-методической конференции преподавателей РИ (ф) МГОУ. – Рязань: Рязанский ин-т МГОУ, 2011. С. 99-102.

11. Бакулина А.А., Шешенев Н.В.Расчет и анализ осадки ленточного фундамента с применением программного комплекса осадка 1.2. Новые технологии в учебном процессе и производстве: Материалы девятой межвузовской научно технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов;

материалы научно-методической конференции преподавателей РИ (ф) МГОУ – Рязань: Рязанский институт МГОУ, 2011. С. 102-105.

12. Бакулина А.А. Исследование несущей способности одностоечных опор с укреплением верхнего слоя грунта при горизонтальных нагрузках (итоговый отчет НИОКР). Результаты аккредитованного мероприятия №105 второго регионального итогового конкурса У.М.Н.И.К. 2010. Итоговый отчет НИОКР:

Рязань, РГРТУ, 2011. С. 12.

13. Бакулина А.А. Использование компьютерных технологий при изучении дисциплины «Основания и фундаменты». Разработка и внедрение инновационных компьютерных технологий в учебный процесс Рязанского института (филиала) МГОУ. Отчет о научно-исследовательской работе: М., МГОУ, 2012.

14. Бакулина А.А. Разработка конструкции одиночных свай при воздействии горизонтальных нагрузок и моментов. Каталог инновационных проектов и научно-технических разработок РИ(ф)МГОУ: М., МГОУ, 2012.

15. Бакулина А.А. Проведение исследований по изучение работы одиночной сваи при горизонтальной нагрузке (статья). Сборник научных трудов Института строительства и архитектуры МГСУ (Выпуск 4): научные труды Международной молодежной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий» – М. МГСУ, 2012. – С. 96-97.

16. Bakulina A.A., Buslov A.S. FEM Analysis of the Laterally Loaded Pile with Rigid Plate. «14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering». 2012.

Подписано в печать 20.11.2012.

Формат 60х84 1/16. Бумага типографская.

Печать офсетная.

Усл. печ. л. 1, Тираж 100 экз. Заказ № Рязанский институт (филиал) МГОУ 390000, г.Рязань, ул.Право-Лыбедская, 26/

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.