Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Грунтовые основания
Опорные сооружения





















Яндекс.Метрика

Общие положения о контактных задачах механики грунтов

При взаимодействии грунтового массива с конструкциями инженерных сооружений конечной жесткости (фундаментная плита, балка, стена, свая), возникают сложные и неоднородные НДС как в самом массиве грунта, так и в инженерных конструкциях, которые в первую очередь обусловлены характером контактных напряжений. Если известны реактивные напряжения по контактной поверхности грунта и строительной конструкции, которые называются обычно контактными, то без особого труда находят НДС в массиве и в конструкциях, приложив эти реактивные напряжения поочередно на контактные поверхности грунта и строительной конструкции. Поэтому вопрос о распределении контактных напряжений имеет огромное практическое значение, особенно для гибких конструкций, рассчитываемых на изгиб и на прочность (трещинообразование).
Распределение контактных напряжений зависит от многочисленных факторов и в первую очередь от соотношения жесткостей конструкций и грунтового массива. Формирование эпюры контактных напряжений происходит одновременно с формированием НДС в массиве грунта и в конструкционных элементах сооружения. Исследования последних лет показывают, что контактные напряжения под подошвой плитных фундаментов высотных зданий трансформируются по мере роста самого здания, что обусловлено растущей жесткостью сооружения и реологическими свойствами грунтов. В связи с этим возникает необходимость при расчете плитных фундаментов учитывать жесткость подземной части сооружений. Современные программы позволяют численное моделирование НДС грунтового основания и фундаментной плиты с учетом технологии выполнения работ нулевого цикла, т.е. с учетом устройства ограждающих конструкций, поэтапности выемки грунта из котлована, укладки фундаментной плиты, строительства подземной части сооружения и дальнейшего возведения надземной части здания. Сравнения результатов расчета НДС с учетом и без учета поэтапности возведения сооружения показывают, что имеются существенные отличия между ними по форме эпюр контактных напряжений, что существенно отражается на эпюре моментов и поперечных сил в контактирующих элементах, в конструкциях, в том числе в плитном фундаменте, в колоннах, в плитах перекрытия первых трех - пяти этажей. Такой сложный расчет, особенно в пространственной постановке, требует использования современных программ, правильного выбора расчетных парам грунтов и конструкций, а также корректной постановки начальных и граничных условий.
Однако в подавляющем большинстве случаев расчет фундаментной плиты выполняется отдельно от расчета надземной части сооружения. Вместе с тем учет жесткости надземных частей сооружений при определении контактных напряжений может привести к существенному изменению как реактивного давления, так и осадок и прогибов на контактной поверхности.
Как было отмечено выше, характер распределения контактных напряжений зависит от жесткости, формы и размеров контактирующего сооружения (конструкции) и от жесткости грунтового массива.
При взаимодействии сооружения с массивом грунта происходят совместные деформации, которые зависят от жесткости сооружения и податливости основания. Различают три случая распределения контактных напряжений в зависимости от жесткости сооружения: абсолютно жесткие сооружения (массивная опора моста), абсолютно гибкое сооружение (земляная дамба, небольшая плотина), сооружения конечной жесткости (плита, балка).
Критерием оценки жесткости сооружения может служить показатель гибкости по М. И. Горбунову-Посадову
Общие положения о контактных задачах механики грунтов

где E и En - модули деформации грунта основания и конструкции соответственно, l и h - длина и толщина конструкции. Конструкция сооружения считается жесткой, если t ≤ 1. В первом приближении жесткость конструкции можно оценить исходя из соотношения ее толщины и длины. При h/l ≥ 1/3 конструкция может рассматриваться как абсолютно жесткая. Важным является также соотношение длины и ширины контактирующей конструкции с грунтом. При l/b ≥ 10 распределение контактных напряжений будет соответствовать условиям плоской двумерной деформации, при l/b ≤ 10 - пространственной трехмерной задачи.
При проектировании строительной конструкции на грунтовом основании или в грунтовой среде (трубопровод, тоннель, свая и т.д.) существенную роль играет выбор расчетной модели массива грунта. Расчетная модель массива грунта не обязательно связана с расчетной моделью грунтов, слагающих массив. В связи с этим и разрабатывались различные модели грунтовых оснований для расчетов контактных напряжений. Такие модели иногда называют контактными моделями основания.
Вообще говоря, при правильном выборе геомеханической модели грунтового массива, учитывающем его строение, историю формирования, исходные НДС, его трансформацию в процессе технологии производства работ (выемка грунта из котлована и строительство нулевого цикла под защитой ограждающих конструкций) и правильном выборе расчетной модели грунта нет необходимости разработки и использования контактных моделей грунтов. Кроме того, при правильной постановке контактной задачи, учитывающей все особенности грунтового массива (исходная НДС, нелинейность и т. д.) должны автоматически отбиваться границы активной зоны массива (глубина и ширина), взаимодействующего с конструкциями. Однако не всегда это удается сделать. Кроме того, включение грунтового массива в расчетную область совместно с контактирующими конструкциями на порядок осложняет численные расчеты, особенно в пространственной постановке. Поэтому в настоящее время наибольшее распространение получили контактные модели, в значительной степени упрощающие учет жесткости основания при расчете НДС надземной части сооружения и уменьшающие объем вычислений.
Недостатки и преимущества модели основания можно продемонстрировать на следующем примере (рис. 9.1). Если на поверхности грунтового полупространства действует нагрузка по полосе шириной b, то образуется лунка оседания поверхности различной формы и размеров. На поверхности линейно-деформированного полупространства лунка оседания имеет пологий характер (высокая распределительная способность) и распространяется за пределами полосы нагружения. На определенном расстоянии она выходит на поверхность и пересекает ее (кривая 1 на рис 9.1). На поверхности нелинейно деформированного полупространства образуется лунка оседания более крутым наклоном (кривая 2) и сравнительно равномерным распределением в центральной части. По модели местных упругих деформаций, которая соответствует слою ограниченной толщины h ≤ b, лунка имеет прямоугольный характер (кривая 3), что говорит об отсутствии распределительной способности.
Общие положения о контактных задачах механики грунтов

Аналогичным образом можно получить различные виды прогибов поверхностей, рассматривая различные модели основания. Очевидно, что характер контактных напряжений существенно зависит от формы и размеров прогибов под действием полосовой нагрузки, т.е. от распределительной способности основания. Это также можно показать, рассматривая задачу о вдавливании абсолютно жесткого полосового штампа в грунтовое полупространство (рис. 9.1, б). И в этом случае будут иметь место различные кривые прогибов за пределами штампа в зависимости от модели основания. Характер этих кривых отражается и на характере контактных напряжений, причем существенно (рис. 9.1, б).
Все эти обстоятельства обуславливают необходимость осторожного и тщательного подхода к выбору расчетной модели основания при проектировании гибких фундаментов и других конструкций подземной части сооружения (стены в грунте и другие ограждающие конструкции).
Существенный недостаток модели местных упругих деформаций заключается в том, что она не может учитывать взаимное влияние соседних фундаментов, что особенно важно при проектировании плитных фундаментов. He менее важным недостатком является также методика определения коэффициента постели, имеющей необычную размерность kH/м3 и не имеющей физического смысла. Однако эти и другие существенные недостатки с лихвой компенсируются за счет упрощения и сокращения объемов расчетов при определении контактных напряжений.
Преимуществом линейного или нелинейно-деформируемого основания в виде полупространства или слоя ограниченной ширины является то, что они представляют массивы грунтов, состоящие из различных ИГЭ с реальными физико-механическими свойствами, для определения которых разработаны аппаратура и методики. Кроме того, в формировании контактных напряжений участвует вся расчетная область массива грунта. Недостатками этих моделей является определение размеров контура расчетной области (глубина, ширина) массива в зависимости от размеров (площади фундамента и приложенной нагрузки). Кроме того, включение расчетной области массива в расчетную схему сооружения в целом существенно (на порядок) увеличивает объем и сроки вычислений. Однако созданные в настоящее время мощные программы позволяют значительно сократить объемы и сроки расчетов НДС основания и взаимодействующих с ним гибких фундаментов и фундаментных конструкций.
Поэтому для ответственных сооружений, в том числе высотных зданий при определении контактных напряжений предпочтение следует отдать модели основания в виде массива с реальным геологическим строением, состоящим из отдельных ИГЭ со своими физико-механическими характеристиками. Конечно, при составлении расчетной схемы или геомеханической модели основания неизбежны некоторые упрощения. Кроме того, в этом случае одновременно определяется НДС массива грунта, которое позволяет выделить слабые зоны и внести коррективы в конструкции сооружения.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: