Фундаменты с промежуточной подготовкой
|
Одним из путей снижения материалоемкости фундаментов является уменьшение их высоты и снижение рабочей арматуры. С этой целью следует осуществлять трансформацию эпюры контактных напряжений таким образом, чтобы наибольшие их значения были сконцентрированы в центральной части подошвы. При этом происходит разгрузка консольных частей фундамента и снижение в расчетных сечениях изгибающих моментов и поперечных сил, в результате чего можно уменьшить высоту фундамента и расход арматуры. Контактные напряжения можно перераспределять и другими приемами. Одним из них является устройство между фундаментом и грунтом основания промежуточной подготовки переменной жесткости в плане. Для выявления степени трансформации эпюры контактных напряжений и влияния подготовки на работу фундамента и его основания были проведены исследования. С этой целью использовали железобетонные плиты размером в плане 100x100 см и высотой 10; 20 и 30 см. Основанием служил песок средней крупности плотностью 1,7 т/м3. В первой серии опытов плиты устанавливали всей нижней плоскостью на основание; во второй между железобетонной плитой и основанием устраивали бетонную прокладку шириной 30; 50; 65 и 90 см и высотой 20 мм; в третьей — устраивали промежуточную подготовку толщиной 10 см, состоящую из бетонной части шириной 30 см и рыхлого песка плотностью 1,4 т/м3. Нагрузку на плиту создавали фундаментным стеновым бетонным блоком шириной 30 см и гидравлическим домкратом, упираемым в траверсную балку. Нагрузку передавали ступенями по 50 кН с выдержкой до условной стабилизации осадки и доводили до разрушения плиты. При этом замеряли осадки и контактные напряжения под подошвой. Эксперименты показали следующее: - создаваемая во второй серии опытов нагрузка на плиты передается на грунт бетонным уступом; при осадке, равной 20 мм, включаются в работу консольные участки плиты, что приводит к замедленному росту осадки; - при наличии бетонной подготовки нагрузки трещинообразования и разрушающая значительно превышают соответствующие нагрузки для плит, опирающихся всей подошвой. Так, в последнем случае разрушающая нагрузка составила 200—230 кН, а при наличии бетонной подготовки — до 400 кН. Это может быть объяснено тем, что при наличии бетонной подготовки трансформируется эпюра напряжений и значительно уменьшается момент в расчетном сечении, В третьей серии опытов нагрузка, при которой происходит разрушение плит на промежуточной подготовке, превышала соответствующую нагрузку для плит, опираемых всей плоскостью на основание, примерно в 1,5 раза, что также указывает на трансформацию эпюры контактных напряжений. Измерения контактных напряжений полностью подтвердили отмеченную выше трансформацию эпюры, Так, на рис. 2.38 приведены экспериментальные эпюры контактных напряжений. Из опыта следует, что в первой серии опытов контактные напряжения в начальной стадии загружения отмечались под бетонной подготовкой. При нагрузке, соответствующей осадке более 20 мм, т. е. после опирания консольных участков плиты на грунт, под консолями фиксировались контактные напряжения. Дальнейшее возрастание нагрузки приводило к увеличению напряжений как в пределах бетонной части подготовки, так и под консолями плиты. В целом эпюра контактных напряжений имеет ступенчатую форму с наибольшими напряжениями под центральной частью плиты.  Отличие эпюры контактных напряжений в третьей серии опытов от отмеченной выше эпюры заключается в том, что напряжения под консолями плиты возникали сразу же после приложения нагрузки. Концентрация напряжений под центром плиты наблюдалась и в данном случае, однако соотношение между краевыми и средними напряжениями было иное. В табл. 2.28 приведены опытные значения соотношения между напряжениями под центром рс и краями рb фундамента. Данные таблицы показывают, что с увеличением среднего давления под фундаментом снижается до определенного значения соотношение между напряжениями под бетонной частью подготовки и краями фундамента.  Для определения оптимальной ширины бетонной части подготовки были проведены эксперименты, в которых этот параметр был переменным. Была установлена зависимость нагрузок трещинообразования и разрушающей для блоков, укладываемых на промежуточную подготовку и на сплошное основание, от отношения ширины бетонной части подготовки bb к ширине фундамента b (табл. 2.29) Очевидно, чем больше указанные нагрузки, тем больше концентрация контактных напряжений под центром плиты. При bb/b=0 и 1 фундамент всей подошвой опирается на основание. У фундаментов с промежуточной подготовкой нагрузки трещинообразования и разрушающая оказываются больше, чем у обычных фундаментов. При этом их наибольшие значения соответствуют ширине бетонной части подготовки, равной 0,3—0,7 ширины фундамента.  Таким образом, трансформация эпюры контактных напряжений приводит к улучшению условий работы железобетонного фундамента с промежуточной подготовкой, в частности к уменьшению моментов в расчетном сечении. С другой стороны, такая трансформация этой эпюры будет влиять и на работу основания. В частности, расчетное сопротивление грунта основания, вычисленное по действующим нормам, будет различным в пределах подошвы фундамента. Так, при вычислении расчетного сопротивления грунта основания для фундамента с плоской подошвой, а также для кон сольных участков фундамента с промежуточной подготовкой в качестве пригрузки принимают вес лежащего выше грунта обратной засыпки. При определении расчетного сопротивления грунта основания бетонной части подготовки пригрузкой является давление, передаваемое консольной частью фундамента, которое значительно превышает давление, создаваемое обратной засыпкой грунта. Поэтому расчетное сопротивление грунта основания бетонной части подготовки будет значительно выше его значения для фундамента с плоской подошвой. Применять общепринятую нормативную методику к расчету основания фундамента с промежуточной подготовкой правомерно в том случае, если при передаче на грунт бетонной частью подготовки повышенного давления не увеличиваются размеры зон пластических деформаций под краем фундамента. С целью выявления влияния повышенного давления под центром фундамента на развитие краевых пластических зон рассмотрены различные схемы передачи нагрузки на основание. Так, на рис. 2.39, а приведена схема нагрузок, передаваемых на основание традиционным фундаментом с плоской подошвой шириной b, а на рис. 2.39, б — на основание фундамента с промежуточной подготовкой, ширина бетонной части которой равна b'.  При первой схеме для определения расчетного сопротивления грунта основания справедлива формула, регламентируемая нормами, которая в развернутом виде без коэффициентов γc1, γс2 и k может быть записана следующим образом:  Формула для второй схемы нагрузок отличается от формулы (2.101) наличием дополнительного давления q1 и оказывается сложной из-за выражений для определения компонент напряжений Поэтому принят следующий подход. Рассматривают две полубесконечные нагрузки интенсивностью q2 и q1 (рис. 2.39, е) и решают задачу нахождения q2 при фиксированном q1, для которой зона развития пластических деформаций имеет заданную глубину. При этом нагрузка принимается полубесконечной, а начало координат располагают в месте перепада нагрузки. Приведенное далее решение базируется на следующих положениях: - компоненты напряжений от заданной на границе полупространства нагрузки находят интегрированием решения Фламана; - компоненты напряжений от собственного веса грунта определяют, исходя из гидростатического закона распределения напряжений в грунте; - уравнение границы пластической зоны находят подстановкой полученных компонент напряжений в условие прочности Кулона—Мора; - давление от нагрузки q1, соответствующее расчетному сопротивлению грунта в основании фундамента, находят в предположении, что максимальная глубина развития пластической зоны составляет 0,25 ширины фундамента b. Интегрирование решения Фламана дает от нагрузки q1   Интегрируя аналогичные выражения в пределах от 0 до +∞получаем компоненты напряжений от нагрузки q1. Принимаем напряжения от собственного веса грунта σх = σz = γz. Полученные компоненты подставляем в условие Кулона—Мора  Полученная функция F определяет уравнение границы пластической зоны. В результате преобразований функция F принимает вид:  Для получения выражения экстремума этой функции решают совместно систему уравнений:  Уравнение (2.108) решаем относительно х. При этом получаем два решения, соответствующих положению экстремума справа и слева относительно оси z. В результате анализа решении установлено, что физический смысл имеет только решение для х≥0, которое имеет вид:  Подставляя это решение в уравнение (2.107) и принимая в полученном уравнении z=b/4, после преобразований и замены нагрузки q2 на γh получаем  т. е. выражение, полностью совпадающее с выражением (2.101). Отсюда следует вывод, что глубина развития пластической зоны под краем фундамента не зависит от ширины бетонной части промежуточной подготовки. Следует отметить, что повышение среднего давления по подошве фундамента с промежуточной подготовкой приводит к незначительному увеличению его осадки по сравнению с осадкой фундамента без подготовки. На грунтах с высоким модулем деформации повышенная осадка фундамента с промежуточной подготовкой, как правило, не превышает предельных значений. Однако в практике возможны случаи, когда указанное возрастание осадки будет недопустимым. Трансформация эпюры контактных давлений с одновременным уменьшением осадки может быть достигнута следующим приемом. Под центральной частью фундамента осуществляют местное уплотнение грунта статическим или ударным способом. При этом понижение поверхности в этом месте составляет 5—10 см. Затем образовавшееся углубление заполняют жестким материалом, например щебнем или бетоном, и таким образом получают горизонтальную поверхность На этой поверхности располагают фундамент с плоской подошвой При загрузке фундамента контактные напряжения будут действовать под всей подошвой фундамента. Однако в центральной части подошвы под местным уплотнением будут концентрироваться напряжения, превышающие напряжение под краями фундамента. Наличие местного уплотнения приведет к уменьшению сжимаемости грунта основания, вследствие чего осадка такого фундамента будет меньше, чем осадка фундамента, расположенного на природном грунте. Для проверки влияния местного уплотнения на концентрацию напряжений и уменьшение осадки проведены эксперименты на песке и суглинке. Методика эксперимента была следующей. Статической нагрузкой задавливали штамп, соответствующий размеру бетонной части подготовки, на глубину 5 см. В образовавшееся углубление устанавливали мессдозы, а затем укладывали бетон, после чего устанавливали сборные фундаменты с плоской подошвой. Таким образом, под подошвой фундамента создавался локально уплотненный массив. Между подошвой фундамента и грунтом основания также располагали мессдозы, что позволяло измерять контактные напряжения под фундаментом и углубленной бетонной подготовкой. Фундаменты испытывали гидравлическими домкратами, упираемыми в опорную балку.  На песчаных грунтах были испытаны ленточные фундаменты шириной 1 м и длиной 3 м. Ширина бетонной подготовки составляла 0,5 м. На суглинках испытывали квадратные фундаменты размером 1,5x1,5 м; размеры подготовки составляли 0,6x0,6; 0,9x0,9 и 1,2x1,2 м. На рис. 2.40 приведены схемы опытных фундаментов и эпюры контактных давлений при различной нагрузке. Как видно из рисунка, в этом случае так же, как и при наличии промежуточной подготовки переменной жесткости, наблюдается концентрация напряжений под бетонной частью подготовки. При этом с увеличением общей нагрузки разница в значениях напряжений под бетонной подготовкой и фундаментом уменьшается. Влияние предварительного уплотнения на осадки видно из рис. 2.41, на котором приведены графики осадки квадратного фундамента на обычном основании и фундамента с предварительным уплотнением, расположенного на суглинке. Из рисунка видно, что предварительное локальное уплотнение грунта существенно уменьшает осадки. Так, при давлении по подошве, равном 0,3 МПа, осадка фундамента, имеющего локальное уплотнение размером в плане 0,9x0,9 м, меньше осадки традиционного фундамента в 2 раза. |
