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

Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

В отличие от жестких фундаментов в конструкциях и сооружениях конечной жесткости в результате взаимодействия со сжимаемым основанием возникают прогибы, которые соизмеримы с прогибами контактирующей поверхности грунта. В таких случаях возникает необходимость определить величины этих прогибов в сооружениях конечной жесткости и сравнить их с допустимыми прогибами данной конструкции. Кроме того, возникает необходимость определения эпюр моментов и поперечных сил для подбора процента армирования гибкой конструкции, а также для оценки возможности трещинообразования.
Поэтому определение эпюры контактных напряжений при взаимодействии гибких конструкций и сооружений является основной задачей. Сложность решения такой задачи заключается в том, что на характер формирования и трансформации эпюры контактных напряжений существенное влияние оказывают многочисленные факторы:
- гибкость конструкции, ее формы и размеры в плане;
- размеры и форма расчетной области основания, глубина и ширина котлована, толщина слоя и его ширина, наличие наклонных пластов и др.;
- характер производства работ.
Учет этих и других факторов в расчете балок и плит конечной жесткости в настоящее время стал возможным благодаря численным методам МКЭ, MKP и МГЭ. Отметим лишь, что наиболее слабым местом в этих методах расчета контактных напряжений является выбор расчетной модели основания и выбор расчетной модели грунтов основания. Это обусловлено тем, что разработчиками программ численного моделирования являются инженеры машин и оборудования различного направления, конструкторы, имеющие дело в основном с конструкционными материалами (сталь, бетон, пластмасса, дерево и т.д.), механические свойства которых существенно отличаются от механических свойств грунтовых сред. Поэтому чаще всего в этих программах основания моделируются эквивалентной жесткостью пружин, что может привести к ошибочным результатам.
В последнее десятилетие появились программы, которые позволяют при численном моделировании НДС гибких конструкций включить в расчетную область и массив грунта с его нелинейными свойствами. Однако, методика определения парам нелинейных уравнений, описывающих нелинейные свойства деформирования грунтов, несовершенна и не соответствует уровню численных расчетов.
В таких случаях часто приходится использовать метод численного моделирования НДС массива, варьируя в определенных пределах значения парам механической модели грунта. Это позволяет оценить НДС рассматриваемого массива грунта в определенных пределах, т.е. даст оценку снизу и сверху, что также важно при разработке конструкций конечной жесткости.
Расчетные модели основания

Из вышеизложенного следует, что одним из основных факторов, влияющих на характер распределения контактных напряжений между массивом грунта и конструкциями конечной жесткости, является расчетная модель массива (основания) грунта. К ним относятся:
- полупространство или полуплоскость,
- слой ограниченной толщины,
- слой ограниченной толщины и ширины,
- анизотропное полупространство или полуплоскость,
- полупространство с изменяющимися характеристиками по глубине,
- модель местных упругих деформаций,
- модель местных упругих деформаций сжатия и сдвига.
Эти модели совершенно по-разному распределяют приложенные напряжения и тем самым совершенно по-разному влияют на контактные напряжения.
Очевидно, что в рамках этих же моделей массива (основания) следует также уточнить и механическую модель грунтов, слагающих рассматриваемый массив.
Так, например, в модели полупространства или полуплоскости в зависимости от модели грунта (линейная, нелинейная, реологическая и др.) можно получить существенно разные результаты расчета контактных напряжений.
Часто путают понятия модели основания с моделью грунта, что приводит к ошибочным результатам.
В каждом конкретном случае, очевидно, следует выбрать и геомеханическую модель основания и механическую модель грунтов основания в соответствии с инженерно-геологическими условиями строительной площадки и конструктивными особенностями фундаментов. Решение этой сложной задачи требует привлечения инженеров геологов, инженеров геомехаников и инженеров конструкторов, которые не всегда осознают важность выбора геомеханической модели основания, требующей большего количества инженерно-геологических изысканий.
Поэтому подавляющее большинство специалистов предпочитают использовать при расчете конструкций конечной жесткости модели местных деформаций с одной характеристикой основания - коэффициента постели. Тем более, что в этом случае расчет плитного фундамента значительно упрощается, становится возможным решать не плоский разрез плиты, а плиту в целом и т.д. Вместе с тем модель местных деформаций не может быть использована при расчете плитного фундамента, сооружаемого вблизи с существующими фундаментами старой постройки, т.к. она не может оценить влияние плитного фундамента на окружающий массив грунта.
Использование геомеханической модели основания в виде полупространства или массива ограниченных размеров и включение его в расчетную область при взаимодействии с плитными фундаментами решает много вопросов, в том числе влияние на окружающие здания. Кроме того, в этом случае появляется возможность смоделировать НДС основания, начиная с исходного природного состояния и последующего строительства нулевого цикла, в том числе технологические особенности устройства ограждающих конструкций, поэтапность выемки грунта из котлована, поэтапность укладки бетона в плите, поэтапность строительства стилабатной и высотной частей здания и т.п.
При возможности выбора геомеханической модели основания следует предпочтение отдавать модели массива грунта ограниченных размеров (глубины, ширины, длины), которые подбираются или назначаются в зависимости от размеров проектируемого сооружения в плане, от глубины котлована, от величины нагрузки, от наличия в ближайшем окружении существующих зданий и от инженерно - геологических условий строительной площадки. Такой подход ближе отвечает условиям при решении такого рода масштабных задач взаимодействия сооружения основания и окружающей геологической среды. Геомеханическую модель основания иногда целесообразно искусственно преобразовать путем изменения жесткости основания по глубине и по простиранию. Для этого достаточно использовать известные инженерные методы изменения строительных свойств оснований, в том числе конструктивные методы, методы уплотнения и закрепления грунтов по специальной программе. Так, например, если под абсолютно жестким штампом в центральной его части создавать уплотненное ядро, то контактные напряжения будут иметь параболический характер вместо обычного седлообразного. Вариантов преобразования геомеханической модели оснований можно перечислить много, т.к. в настоящее время методы преобразования свойств грунтов по глубине и по ширине вполне доступны, благодаря многочисленным технологическим решениям.
В заключение остановимся на конструкции плитно-свайного фундамента.
Выбор такой конструкции фундамента, как правило, обусловлен необходимостью прорезки им верхних слабых слоев грунтов и передачи нагрузок от сооружения на глубоко лежащие пласты с более высоким параметром деформируемости и прочности. В таких случаях возникает сложная проблема оценки взаимодействия плиты (ростверка), свай и грунтов в основании свай и межевайном пространстве. Для подключения грунтов межевайного пространства во взаимодействие с плитой расстояние между сваями должно быть не менее 6-7 диаметра свай.
Для расчета осадок и прогибов плитно-свайного фундамента рекомендуется использовать различные методы, в том числе традиционный метод условного фундамента с включением свайно-грунтового массива в целом в активную нагрузку. Согласно этой схеме сваи рассматриваются как упругопластические элементы с предельным сопротивлением.
Главным недостатком такого подхода является то, что используется традиционная расчетная схема условного фундамента. Такое возможно при соотношении ширины ростверка (плиты) к длине сваи не более 0,5. При большей ширине ростверка (плиты) включение массы свайно-плитного массива в расчетную нагрузку осадки основания свайного фундамента представляется нецелесообразным. Для расчетов следует использовать численные методы с более сложными нелинейными моделями грунтовой среды. Это в первую очередь относится к случаям, когда верхние слабые слои грунта не играют существенную роль в распределении нагрузки между сваями и плитой. Контактные напряжения под плитой можно регулировать, распределяя сваи неравномерно по площади плиты. Известно, что при равномерном распределении свай по площади плиты более нагруженными являются сваи в периферийной зоне. Изменяя расстояния между сваями, можно управлять контактными напряжениями. Так, например, если в центральной части плиты расстояния между сваями уменьшить, то произойдет перераспределение контактных напряжений и можно добиться распределения контактных напряжений под плитой.
Методы расчета контактных напряжений массива грунта с конструкциями сооружений конечной жесткости

К конструкциям конечной жесткости следует отнести сваи, плиты, ограждающие конструкции (шпунт, стена в грунте), подземную часть сооружения вместе с фундаментной плитой, шлюзовые камеры и др. В отличие от жестких фундаментов, в гибких конструкциях сооружений возникают значительные деформации и прогибы, которые существенно отражаются на эпюре контактных напряжений и которые вызывают дополнительные напряжения в конструкциях сооружений. В таких случаях возникает необходимость определения НДС в массиве грунта. Задача в значительной степени осложняется и может быть решена только численными методами.
Достоверность и точность полученных результатов существенно зависят от принятой геомеханической модели массива, механической модели грунтов, слагающих массив грунта. Учет этих факторов особенно важен для случаев крупномасштабного и высотного строительства, когда в расчетную область вовлекаются огромные массивы грунтов. Традиционные методы расчета в таких конструкциях неприменимы.
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

Рассмотрим основы расчета простейших контактных задач для гибких конструкций сооружений.
Если пренебречь трением на контакте конструкции (балки) и основания, что идет в запас прочности, дифференциальное уравнение изгиба балки можно представить в виде
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

где EI - жесткость балки, z(x) - прогиб балки, f(x) - интенсивность нагрузки на балку, р(х) - реактивное давление.
Уравнение (9.16) содержит жесткость балки, что требует предварительного назначения размеров его сечения. Для этого исходят из схемы линейного распределения реактивных усилий, принимая равномерное или трапецеидальное распределение контактного давления по подошве балки, т.е.
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

где N - суммарная нормальная нагрузка на балку, M0 - момент всех сил относительно центра тяжести балки; А - площадь подошвы балки, равная lxb.
По известным значениям прямолинейной эпюры р1 и р2 и внешней нагрузки f(x) строится эпюра изгибающих моментов М(х). Определив М(х), находим по условию прочности момент сопротивления балки W(х), а по нему подбираем предварительные размеры балки bxh и устанавливаем жесткость EI.
Расчет балки по методу местных упругих деформаций позволяет записать связь между р(х) и z, т.е р(х) = Cz, z где Cz - коэффициент постели (кН/м3).
Подставляя эту зависимость в (9.16), получим:
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

Решение этого уравнения имеет вид:
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

где α = 4√Сz*b/(4EI) [М-1], b - ширина балки.
Коэффициент а является линейной характеристикой балки на упругом основании. При α*l ≤ 0,75 (l - длина балки в м) балки рассматриваются как короткие жесткие, деформациями изгиба которых можно пренебречь; при 0,75 ≤ α*l ≤ 3 - как короткие гибкие, при α*l ≥ 3 - как длинные гибкие.
Постоянные интегрирования Ci определяются из начальных условий деформирования, которые зависят от гибкости балки. Для короткой жесткой балки, загруженной в центре сосредоточенной силой, одним из начальных условий будет z = const, а в случае длинной гибкой балки при той же нагрузке начальным условием деформирования будет отсутствие прогиба на ее концах, т.е z = 0 при х = ± 1/2.
Последовательное дифференцирование (9.19) дает М(х) и Q(x), что позволяет определить уточненные размеры балки. Если уточненные балки значительно меняют ее жесткость, то расчет повторяется.
Расчет по методу упругого полупространства.
В случае местной задачи за исходное уравнение деформации поверхности основания принимается уравнение Фламана:
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

А в случае пространственной задачи - уравнение Буссинеска:
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

где х - координаты точки поверхности, для которой определяется осадка; ξ - координата точки приложения силы Р, D- постоянная интегрирования, С = E/(1-v2) - коэффициент жесткости основания (кПа); R - расстояние от точки приложения силы P до точки, в которой определяется z(x).
Решения (9.16) которые совместно с (9.20) и (9.21) рассматриваются в специальной литературе, позволяют определить эпюры реактивного давления р(х) изгибающих моментов М(х), поперечных сил Q(x). Для различных случаев нагружения и гибкости балки составлены таблицы, что в значительной степени упрощает расчеты балки и плиты для условий плоской задачи. Относительная гибкость характеризуется показателем гибкости
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

а в случае пространственной задачи:
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

где E0 - модуль деформации основания, м0 - коэффициент Пуассона грунтов основания, Eк - модуль упругости материала балки, l, b, h -полудлина, полуширина и высота балки соответственно.
При t≤1 в случае плоской и t≤0,5 - пространственной задачи балки рассматриваются как абсолютно жесткие. В остальных случаях балки рассматриваются как гибкие.
Расчет ограждающих конструкций конечной жесткости.
Производится по 1 группе предельных состояний на основе теории предельного равновесия. Однако при строительстве в стесненных условиях городской территории возникает необходимость расчета по 2 группе предельных состояний для оценки влияния стенки котлована на близрасположенные существующие здания. Это влияние обусловлено изменением НДС грунтов за ограждающей конструкцией на расстоянии не менее 2H, где H - глубина котлована. Напряжения σx и σy уменьшаются от уровня так называемого давления покоя до уровня активного давления, а иногда еще меньше, что обусловлено технологией производства работ по возведению ограждающей конструкции, в том числе способа установки забирки между трубами. В случае установки настоящих шпунтовых ограждений корытного профиля, контакт с грунтом обеспечивается полностью. На производстве применяют различные ограждающие конструкции в зависимости от глубины и ширины котлована, свойств грунтов, уровня подземных вод и сроков эксплуатации конструкции. В зависимости от размеров котлована и грунтовых условий ограждающие конструкции устраивают без креплений (консольные стенки), с распорным или анкерным креплением. Консольные стенки применяют при относительно неглубоких котлованах (до 5 м). Устойчивость такой стенки обеспечивается погружением шпунта (сваи, двутавра) ниже дна котлована на необходимую глубину. Распорные крепления применяют при ширине котлована до 15 м, и в зависимости от глубины котлована устанавливают с одним ярусом или с двумя ярусами.
Расчет устойчивости безанкерных шпунтовых ограждений состоит в определении глубины ее забивки, усилий, действующих в стене, и размеров поперечного сечения шпунта (трубы). Принимается, что под действием активного давления грунта стена со свободным верхним концом поворачивается относительно неподвижной точки. Выше точки «О» с наружной стороны действует пассивное давление, а с внутренней стороны - активное, ниже точки «о» - все наоборот.
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

Устойчивость стенки обеспечивается вследствие уравновешивания моментов относительно точки „0” от активного и пассивного давлений грунта. Заделка шпунтовой стенки в грунт в рассматриваемом случае (рис. 9.5) совпадает с уровнем плитного фундамента.
Дальнейший расчет состоит в определении усилий, действующих в стенке, и подборе ее сечения. Такой расчет не позволяет определить НДС грунтового массива за стенкой, а это необходимо для расчета количественной оценки дополнительных деформаций (неравномерной осадки, кренов) близ расположенных зданий. Опыт строительства и эксплуатации сооружения в котлованах показывает, что влияние котлована распространяется на расстояние L = 2Н и более.
Расчет дополнительных деформаций грунтового массива за ограждающей конструкцией.
Подобный расчет возможно осуществить только численными методами с учетом жесткости самой стенки, условий крепления (анкер, распорка). Предельно допустимые значения разности осадок между соседними фундаментами близ расположенного здания определяются величиной относительной осадки i = ΔS/l ≤ 0,002. Численный расчет НДС грунтового массива за ограждающей конструкцией необходимо осуществить с учетом поэтапности выемки грунта из котлована, установки анкеров или распорок по ярусам и заливки бетона фундаментной плиты. Некоторые программы позволяют проследить весь ход формирования и трансформации НДС массива грунта в основании и бортах котлована подземной части сооружения (нулевого цикла) и, в случае необходимости, во время строительства надземной части сооружения.
В первом приближении неравномерную осадку близ расположенного здания можно оценить, принимая, что НДС в основании близрасположенного здания существенно изменилось. Так, например, принимая, что напряжения σх = 0, можно определить дополнительную деформацию в основании здания методом послойного суммирования по формуле.
Контактные напряжения по подошве конструкций и сооружений конечной жесткости

где σxi, σyi - напряжения в основании здания до выемки грунта из котлована грунта, vi - коэффициент Пуассона в i-м слое, Δhi - толщина i-го слоя.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: