Войти  |  Регистрация
Авторизация

Железобетонные фундаменты



Для дальнейшего совершенствования расчета оснований необходимо экспериментальное изучение напряженно деформированного состояния конструкций фундаментов, работающих совместно с грунтом основания. Указанные исследования были проведены с использованием сборных железобетонных блоков, применяемых при строительстве в Москве.
Эксперименты проводили с опытными блоками, отличающимися от применяемых на практике тем, что они имели длину 1200 мм и по одному ребру жесткости с каждой стороны. Блоки армировали плоскими каркасами из арматуры марки А-III, устанавливаемыми в ребрах жесткости, и сетками, расположенными в плитной части элемента. Испытывали три серии блоков, отличающиеся количеством рабочей арматуры. В блоках серии I площадь рабочей арматуры составляла 60 см2, в серии II — 30 см2 и в серии III — 40 см2. Для измерения напряжений, возникающих в рабочих стержнях при нагружении, на них наклеивали тензометрические датчики. Марка бетона блоков серии I была М300, а остальных серий — М280, Объем блока составлял 1,56 м3, а масса каждого — 4 т.
Кроме указанных блоков, испытывали железобетонные блоки, аналогичные по форме применяемым типовым для ленточных фундаментов. Параметры испытываемых блоков приведены в табл. 2.1.
Железобетонные фундаменты

Ширина b всех блоков была постоянной и равной 1600 мм, а их длина l составляла 1200 мм. Применяли бетон марки М200.
Все блоки испытывали на основании 10 в лотке 1 размером 8x8x8 м (рис. 2.1). Нагрузку на блоки 2 передавали через специальную траверсу или стеновые блоки 7 шириной 0,2; 0,3; 0 4 и 0,8 м.
Для нагружения применяли домкраты в грузоподъемностью 100 т, упираемые в опору 5. Давление контролировали лабораторным манометром, позволяющим обеспечить точность, соответствующую нагрузке на блоке в 19,6 кН. Нагрузка воспринималась рамами и подкосами 9, закрепленными в силовом полу.
Осадку блока замеряли прогибомерами 3, расположенными на реперной системе 8. Основанием блоков служил слой песка толщиной 4,0 м, укладываемый в лоток с послойным уплотнением вибратором до плотности около 1,56 т/м3. Влажность песка была 0,03. В ряде опытов песок сбрасывали с высоты 4 м, что позволило получить более однородное основание с плотностью 1,76 т/м3.
Железобетонные фундаменты
Железобетонные фундаменты

В контактном слое между блоком и основанием устанавливали через 30 см мессдозы 11, позволяющие измерять контактные напряжения в процессе испытаний.
Нагружение осуществляли ступенями, при этом максимальная нагрузка, передаваемая на блоки, не превышала 3130 кН что соответствовало давлению по подошве около 0,7 МПа.
Рассмотрим результаты испытаний ребристых блоков. При небольших нагрузках около 780 кП в блоках визуально не было обнаружено трещин. Первые трещины появились в блоках серии II при нагрузке 780 кН, в блоках серии III — при 980 кН и в блоках серии I — при 1170 кН Эти трещины появились в нижней плоскости сплошной части блока, т. е. в пределах, не выходящих за грань верхней траверсы, передающей нагрузку на элемент. С увеличением нагрузки более 1170 кН резко возросла ширина раскрытия трещин, при этом зависимость между этими величинами имеет нелинейный характер (рис. 2.2). С возрастанием нагрузки возникли новые трещины в средней сплошной части элемента, число которых не превышало двух-трех (рис. 2 3). Кроме того, трещины при повышенных нагрузках появились в плитной части, а при нагрузках около 2350—2550 кН в нижней части ребер. Следует отметить, что полного разрушения блоков при заданных нагрузках достигнуто не было, т. е. не наблюдалось раздробления сжатой зоны бетона или текучести арматуры
Осадка блоков при нагрузке сопровождалась образованием прогиба, при этом стрела прогиба располагалась в нейтральной части элемента Из рис. 2.4 видно, что в начальной стадии загружения для всех блоков наблюдается линейная зависимость прогиба в поперечном направлении от нагрузки. При превышении определенной нагрузки эта зависимость переходит в нелинейную Аналогичный характер имеет зависимость ширины раскрытия трещин от прогиба блока (см рис. 2 2). При малых прогибах ширина раскрытия трещин пропорциональна прогибу, а при возрастании последнего эта зависимость носит нелинейный характер.
Анализ графиков (см рис. 2 2 и 2 3) показывает, что предельная нагрузка, соответствующая линейной зависимости ac и j от P, оказывается тем меньше, чем меньше площадь армирования опытного образца С возрастанием площади армирования возрастает эта нагрузка. Однако проведенные опыты не показали прямой пропорциональной зависимости предельной нагрузки от площади армирования.
Железобетонные фундаменты

В свою очередь прогиб блока зависит от осадки его центральной части: с возрастанием осадки увеличивается прогиб (рис. 2.5). Указанная зависимость носит линейный характер до определенного значения осадки. При превышении этого значения прогиб возрастает быстрее, чем увеличивается осадка. Длина участка линейной зависимости определяется двумя факторами: степенью армирования и плотностью сложения грунта основания. При малом армировании линейная зависимость прослеживается при незначительной осадке. С уменьшением модуля грунта возрастает осадка и увеличивается участок линейной зависимости между этими величинами. Так, при одинаковой площади армирования предельная осадка, соответствующая линейной зависимости, составила для блока серии Iв — 16 мм, серии Iб — 24 мм и блока серии Iа — 30 мм.
Характер изменения напряжения в арматуре, расположенной в поперечном направлении блока, показан на рис 2.6 Из графиков видно, что при всех действующих нагрузках наибольшее напряжение в арматуре возникает в центральной части блока, а по мере удаления от центра оно уменьшается. Из рис. 2 6 видно, что в сечениях, наиболее удаленных от центра блока, эти напряжения линейно возрастают с увеличением нагрузки. В сечениях, расположенных по оси блока и на расстоянии 40 см от нее, в начальной стадии загружения наблюдается линейная зависимость, переходящая в нелинейную при нагрузке на блок более 980 кН для первого сечения и 1170 кН — для второго, что соответствует напряжениям, равным 250 и 215 МПа.
Для сравнения экспериментальных значений напряжении в арматуре с их расчетными значениями построен график (рис 2.7). Как принято в практике проектирования, расчетные значения определяли в предположении, что эпюра реактивных давлении прямоугольная. Из рисунка видно, что во всех сечениях блока и при всех нагрузках фактические напряжения в арматуре оказались ниже, чем расчетные. При этом указанная разница возрастает в сечениях, расположенных на небольшом расстоянии от центра блока, по мере увеличения нагрузки. Исключение составляет сечение, расположенное от центра на расстоянии 160 см, при нагрузке, превышающей 2000 кН.
Полученные экспериментальные зависимости позволяют оценить напряженно-деформированное состояние фундамента, работающего совместно с грунтом основания. В сечениях блока возникают напряжения, линейно возрастающие по мере увеличения нагрузки. При отсутствии жесткой связи между блоком и траверсой, имитирующей фундаментную стену (что отвечает реальным условиям работы фундамента), происходит прогиб железобетонного блока. При этом стрела прогиба расположена в центре блока. Стрела прогиба, так же как и напряжение в арматуре во всех сечениях, увеличивается прямо пропорционально нагрузке. Указанные зависимости справедливы до нагрузок 780—980 кН при их превышении эти зависимости имеют нелинейный характер. При нагрузках до 980 кН первые трещины появляются вблизи оси блока, несмотря на наибольшую жесткость сечений в этом месте При образовании трещин выключается из работы растянутая зона, в результате чего резко уменьшается жесткость сечения. При нагрузках, превышающих нагрузку, при которой образуются первые трещины, резко увеличиваются ширина раскрытия трещин и прогиб блока, так как жесткость сечения последнего снижается. При этом не происходит образования новых трещин, а прогиб, в свою очередь, возрастает.
Нелинейный характер указанных зависимостей и зависимости напряжений от нагрузки подтверждает образование трещин в критическом сечении блока. Интересно отметить, что во всех экспериментах первые трещины образовались в пределах центрального участка блока, не выходящего за наружную грань грузовой площадки передачи внешней нагрузки. Таким образом, критическим сечением, где действует наибольший момент, является сечение, проходящее через центр блока, а не сечение по грани фундаментной стены, для которого в расчетной практике определяют максимальный момент.
Образование в критическом сечении блока в результате появления трещин шарнира обусловливает нелинейную зависимость между деформациями и нагрузками. Однако при образовании шарнира не исключается из работы это сечение, которое воспринимает приращение напряжений в арматуре в пределах прикладываемых нагрузок.
Образование шарнира приводит к тому, что бетон сжатой зоны работает не в упругой стадии, а в пластической. Это обстоятельство, так же как и нелинейная работа арматуры в критическом сечении при повышенных напряжениях, резко изменяет характер действующих усилий на блок, подобно тому, как в статически неопределимой системе образование шарниров приводит к перераспределению усилий в ее элементах. В данном случае наблюдается перераспределение реактивных давлений, действующих на подошву блока, что обусловливает линейный рост моментов и напряжений в критических сечениях (см. рис. 2.6). Из рисунка видно, что в критическом сечении в упругой стадии работы блока напряжения в арматуре при нагрузке 1000 кН составили 245 МПа, при 2000 кН — 345 МПа (приращение 100 МПа), а при нагрузке 3000 кH — 425 МПа (приращение 80 МПа).
Характер изменения реактивного давления можно проследить, используя зависимости, приведенные на рис. 2.7. Как видно, при небольших нагрузках, соответствующих упругой стадии работы железобетона, напряжения, замеренные во всех сечениях блока, практически приближаются к расчетным. Данное обстоятельство указывает на то, что фактическая эпюра реактивных давлений близка к расчетной, т. е, к прямоугольной эпюре. Образование шарнира и увеличение нагрузки приводят к уменьшению фактического напряжения в арматуре по сравнению с расчетным. Это обусловлено трансформацией эпюры реактивных давлений в результате резкой концентрации давлении в центральной части блока и их уменьшением по краям Следует отметить, что при нагрузках более 2500 кН наблюдается резкое изменение коэффициента К в крайних сечениях блока, что можно объяснить изменением эпюры контактных давлений. Указанное изменение обусловлено тем, что при больших нагрузках наблюдается образование трещин в ребре блока, т е. в этих сечениях также образуется шарнир, приводящий к перераспределению усилий. Это, в свою очередь, обусловливает снижение напряжений при дальнейшем возрастании контактных давлений по краям фундамента.
Железобетонные фундаменты

На рис. 2 8, а, б приведены эпюры контактных напряжений для блоков серии ФП при различных средних давлениях. Замеренные контактные напряжения имеют определенный разброс, что объясняется недостаточной точностью установки мессдоз, различной плотностью грунта и другими методическими погрешностями. Однако эти данные позволяют оценить общую тенденцию распределения контактных напряжении.
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы:
- при незначительных нагрузках на блок эпюра контактных напряжений имеет седлообразную форму, приближающуюся к прямолинейной Такая форма эпюры наблюдается вплоть до действия нагрузки трещинообразования. После образования и развития трещин эпюра напряжений трансформируется, приближаясь к параболической эпюре с наибольшими напряжениями в центральной части блока;
- контактные напряжения в различных сечениях блока возрастают неодинакосо. По краям блока с увеличением среднего давления напряжения возрастают незначительно, в то время как в центральной части они увеличиваются интенсивно (рис. 2.9).
Железобетонные фундаменты

Указанные закономерности развития контактных напряжений характерны для всех испытанных блоков, поэтому могут рассматриваться как общие для железобетонных фундаментов. Таким образом, особенности работы железобетонных фундаментов с грунтом основания определяет напряженно-деформированное состояние как фундамента, так и грунта основания Для фундамента это выражается в замедленном росте напряжений в критических сечениях, вследствие чего повышается разрушающая нагрузка; для основания — в трансформации, эпюры контактных напряжений, приводящей к снижению их значений по краям фундамента. Следовательно, при возрастании нагрузки улучшаются условия работы грунта под краями фундамента и исключается возможность образования пластических зон в основании. Такой вывод делает целесообразным пересмотр метода определения расчетного давления, передаваемого на основание, который базируется на ограничении зон пластических деформаций в грунте под краем фундамента.
Рассмотрим характер образования трещин в железобетонных блоках, приведенных в табл. 2.1, а также в блоках, имеющих различное армирование и высоту 0,1; 0,2 и 0,3 м Испытания показали, что трещины образуются в центральной части блока или в пределах площади передачи нагрузки от верхнего прямоугольного блока фундаментной стены. При этом только в малоармированных плитах высотой 10 см шарниры образовывались по граням фундаментной стены.
Таким образом, образование шарниров и последующее разрушение изгибаемых блоков происходят не по краям площади передачи нагрузки, а в месте действия наибольшего момента, если исходить из положения, что последний возникает в местах появления первых трещин. Следует отметить, что непосредственные измерения напряжений, в арматуре показали, что максимальные их значения отмечаются в центральной части блока.
Анализ расчетных и экспериментальных моментов в сечениях блока (рис. 2.10), расположенных на различном расстоянии от центра, позволяет сделать следующие выводы:
- максимальные моменты действуют в сечении, проходящем через середину блока;
- экспериментальные моменты при нагрузках, предшествующих образованию трещин, практически совпадают с расчетными;
- исключение составляет сечение, где экспериментальный момент составляет 0,85—0,95 расчетного;
- с повышением нагрузки при появлении трещин уменьшается отношение экспериментального момента к расчетному;
-экспериментальные моменты в среднем сечении больше расчетных моментов в сечении по внешней грани грузовой площадки.
В настоящее время расчетная схема ленточного сборного фундамента принята следующей. Эпюра реактивного давления грунта считается прямоугольной, сечение, проходящее по внешней грани фундаментного стенового блока, — расчетным (сечение А—А на рис. 2 11), а в пределах стены момент принимается постоянным. Однако возможны и другие расчетные схемы. В частности, можно рассматривать схему, при которой фундаментный блок работает как плита, опертая на две опоры, расположенные по краям стенового блока (см. рис. 211, а). Наконец, возможна схема, при которой нагрузка от стенового блока распределяется равномерно в его пределах. При этом в названных схемах предполагается прямоугольная эпюра реактивного давления грунта.
Железобетонные фундаменты

На рис. 2.11, г приведены расчетные эпюры моментов в сечениях блока, полученные по указанным схемам. На этом рисунке приведена и экспериментальная эпюра момента в пределах грузовой площади передачи нагрузки. Как видно, в среднем сечении блока фактический изгибающий момент оказывается меньше расчетных, полученных по схемам, показанным на рис. 2.11, б и в, но больше, чем полученный по схеме, применяемой на практике.
Проведенные эксперименты позволили сопоставить расчетные давления по подошве фундаментов рс с фактическими давлениями, при которых образуются трещины. С этой целью построена зависимость отношения pe/pc от различных отношений h/b (h — высота блока, b — ширина) (рис. 2.12). Последнее отношение можно рассматривать как величину, характеризующую гeoметрическую жесткость поперечного сечения блока. В самом деле, при h/b =1 блок можно рассматривать как жесткий элемент, в нижней части которого практически исключаются растягивающие напряжения С уменьшением этого отношения в нижней части возникают растягивающие напряжения В связи с этим можно предполагать, что геометрическая жесткость блока может влиять на характер работы блока и на расчетную схему.
Из рис. 2.12 видно, что при малой высоте блока, когда отношение высоты консоли к ее длине составляет около 0,2, экспериментальные нагрузки трещинообразования меньше расчетных нагрузок примерно в 1,5 раза. По мере возрастания геометрической жесткости эта разница уменьшается, и для некоторых блоков высотой 0,3 м экспериментальные и расчетные значения нагрузок совпадают.
При h/b<0,55 фактическая нагрузка трещинообразования оказывается меньше расчетной. Исключение составляют ребристые блоки марки ФО-40-12, для которых эти нагрузки совпадают при h/b = 0,3.
Для блоков высотой 30 см построена зависимость pl/pc от l1/l (l1 — расстояние от грани фундаментной стены до начала скоса верхней плоскости консоли блока; l — длина консоли блока), представленная на рис. 2.13. Отношение l1/l также характеризует геометрическую жесткость поперечного сечения блока, которая будет наибольшей при прямоугольной форме сечения. Из рис. 2.13 следует, что наличие скосов ухудшает условия работы блока и при l1/l<0,2 фактическая нагрузка трещинообразования будет меньше расчетной.
Таким образом, из представленных выше данных видно, что при существующей в настоящее время расчетной схеме не всегда обеспечивается расчет по второму предельному состоянию, т. е. по чрезмерному раскрытию трещин. При этом прослеживается четкая зависимость образования трещин от геометрической жесткости поперечного сечения блока. Принятая в настоящее время в практике проектирования расчетная схема для отдельных видов блоков не полностью отражает их реальные условия работы. Уменьшение высоты консоли приводит к чрезмерно большой ширине раскрытия трещин, вследствие чего потребуется дополнительное армирование блоков.
Железобетонные фундаменты

В результате экспериментальных исследований железобетонных блоков, работающих совместно с грунтом основания, можно отметить следующее. По мере возрастания нагрузки максимальный момент возникает в центральной части блока Под действием этого момента образуется трещина, которая развивается по мере возрастания нагрузки. Появление трещин приводит к некоторому перераспределению контактных напряжений по подошве, вследствие чего снижается момент в центральном сечении блока. Уменьшению момента способствует и то обстоятельство, что при изгибе блока основная нагрузка на него передается краевыми участками стенового блока, т. е. условия работы приближаются к расчетной схеме, показанной на рис. 2.11, в. Уменьшение момента после образования трещины зависит от ряда факторов — геометриечской жесткости блока, ширины стенового блока и пр. С уменьшением жесткости момент снижается, т. е. улучшаются условия работы блока, что создает известные запасы прочности. Однако в этом случае резко возрастает нагрузка трещинообразования и уменьшение гибкости блока не дает должного эффекта.
Для сопоставления нагрузок трещинообразования с расчетными нагрузками были проведены испытания блоков с вырезами. Испытывали две серии блоков. Первая серия включала блоки шириной 2 м, высотой 0,5 м и длиной 2,4 м, рассчитанные на давление по подошве 0,25 МПа. Первая партия этой серии содержала три типовых блока, вторая имела угловые вырезы размером 50х30 см, третья — размером 50X60 см. Вторая серия включала типовые блоки шириной 1,2 м, длиной 1,18 и высотой 0,3 м и блоки с вырезами размером 25х40 см.
Осадка первой серии блоков при нагрузке 1000 H составила для типового блока — 6 мм, для блоков с вырезами — соответственно 4,5 и 7,5 мм. Отношение экспериментальной нагрузки трещинообразования к расчетной соответствовало 1,2, т. е. имелся определенный запас. Это объясняется, в частности, тем, что контактные напряжения в центральной части были больше, чем в краевой. При этом при нагрузке, в 2 раза большей расчетной, разрушение блоков не наблюдалось. Для второй серии блоков с угловыми вырезами отношение экспериментальной нагрузки образования трещин к расчетной нагрузке составило 1,39.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent