Напруженно-деформований стан системи "пірамідальна паля - основа" під дією вертикального та горизонтального навантаження

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН СИСТЕМИ «ПIРАМІДАЛЬНА ПАЛЯ - ОСНОВА» ПIД ДIЄЮ ВЕРТИКАЛЬНОГО ТА ГОРИЗОНТАЛЬНОГО НАВАНТАЖЕННЯ

05. 23. 02 - підвалини та фундаменти

Щур Олена Вікторівна

УДК 624. 131

Дніпропетровськ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі основ та фундаментів Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти України.

Науковий керівник доктор технічних наук, доцент Зоценко Микола Леонідович, професор кафедри основ та фундаментів Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шаповал Володимир Григорович, професор кафедри основ та фундаментів Придніпровської державної академії будівництва та архітектури кандидат технічних наук, доцент Тугаєнко Юрій Федорович, доцент кафедри основ та фундаментів Одеської державної академії будівництва та архітектури.

Провідна установа Донбаська державна академія будівництва та архітектури, Міністерство освіти України, м. Макіївка

Захист відбудеться «18» березня 1999 р. о 13. 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 085. 01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури із спеціальності 05. 23. 02 «Підвалини та фундаменти» за адресою: 320600, Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ПДАБтаА, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 320600, Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

пірамідальна паля горизонтальне навантаження

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Короткі пірамідальні палі, які широко застосовуються під час будівництва різноманітних будівель та споруд, завдяки виникненню при їх зануренні у грунт розвинутої зони ущільненого грунту, мають, в певних умовах, порівняно з призматичними палями та стрічковими фундаментами, більшу несучу здатність, меншу матеріаломісткість та трудомісткість. Такі палі використовуються як фундаменти, які, окрім вертикального, сприймають значне горизонтальне навантаження (фундаменти розпірних конструкцій, опор контактної мережі, ліній електропередач, зв'язку та ін.). Треба відзначити, що робота коротких пірамідальних паль при дії горизонтального навантаження вивчена недостатньо. Не з'ясована дійсна картина розподілу контактних напруг на бічній поверхні пірамідальних паль. Здійсненими до цього часу дослідженнями встановлено характер розподілу лише нормальних напруг на контакті пірамідальна паля - грунт, що не дозволяє з достатньою точністю оцінити напружено-деформований стан (НДС) системи «пірамідальна паля - основа» під дією горизонтального навантаження. Викладені вище причини доводять актуальність наукових досліджень, спрямованих на вивчення спільної роботи пірамідальної палі з грунтом під дією горизонтального навантаження.

ЗВ'ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ТЕМАМИ, ПЛАНАМИ. Дослідницькі задачі, які розв'язані в дисертації, входили до складу науково-дослідницької теми «Впровадження прогресивних фундаментів ущільнення у практику будівництва», яка є частиною програми РН. Ц. 003 «Матеріаломісткість».

МЕТА РОБОТИ. Метою дисертаційної роботи є дослідження НДС системи «пірамідальна паля - основа» під дією горизонтального навантаження та розробка методики розрахунку пірамідальних паль, які сприймають вертикальне та горизонтальне навантаження.

Для досягнення зазначеної мети поставлені такі задачі:

- експериментально дослідити нормальні та дотичні напруги, що виникають на контакті пірамідальна паля - грунт під дією горизонтального навантаження, і визначити їх вплив на несучу здатність палі;

- дослідити зміни під дією горизонтального навантаження зони ущільнення, яка виникає при зануренні пірамідальної палі в грунт, та фізико-механічних характеристик грунту у ній;

- провести математичне моделювання НДС системи «пірамідальна паля - грунт» під дією вертикального та горизонтального навантаження з урахуванням отриманих закономірностей між фізико-механічними властивостями грунту в зоні ущільнення та порівняння його результатів з експериментальними дослідженнями;

- оцінити ефективність застосування коротких пірамідальних паль порівняно з іншими видами фундаментів.

НАУКОВА НОВИЗНА РОБОТИ:

- встановлений характер розподілу нормальних та дотичних до бічної поверхні палі напруг, які виникають при дії горизонтального навантаження, та їх вплив на несучу здатність палі;

- отримані закономірності зміни під дією горизонтального навантаження зони ущільнення, яка виникає при зануренні палі, та фізико-механічних характеристик грунту в ній;

- запропонована методика оцінки НДС системи «пірамідальна паля - основа» під дією вертикального та горизонтального навантаження;

- розроблена методика визначення найбільш економічного варіанту фундаментів, яка заснована на комплексній оцінці їх конструктивних, технологічних та економічних параметрів.

ПРАКТИЧНА ЦІННІСТЬ ТА РЕАЛІЗАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ полягає в розробці методики оцінки НДС системи «пірамідальна паля - основа» під дією вертикального та горизонтального навантаження, яка заснована на рішенні пружнопластичної задачі, і використанні її для визначення несучої здатності паль при будівництві об'єктів сільськогосподарського призначення у Полтавській області, а також у впровадженні запропонованої методики порівняння різноманітних варіантів фундаментів у практику проектування.

ОСОБИСТИМ ВНЕСКОМ АВТОРА є:

- проведення експериментальних досліджень, аналіз отриманих результатів та визначення відповідних залежностей для розрахунку коротких пірамідальних паль;

- розробка методики оцінки НДС системи “коротка пірамідальна паля - основа” під дією вертикального та горизонтального навантаження з використанням рішення пружнопластичної задачі;

- розробка методики визначення найбільш економічного варіанту фундаментів для будівель та споруд, яка заснована на комплексному аналізі їх конструктивних, технологічних та економічних параметрів.

АПРОБАЦІЯ РОБОТИ. Основні положення дисертації доповідалися на наукових конференціях:

1. II Українська науково-технічна конференція по механіці грунтів та фундаментобудуванню (Полтава, жовтень 1995 р.).

2. V международная конференция по проблемам свайного фундаментостроения (Тюмень, сентябрь 1996 г.).

3. III Українська конференція по механіці грунтів та фундаментобудуванню (Одеса, вересень 1997 р.).

4. 45-48 наукові конференції професорів, викладачів, наукових робітників, аспірантів та студентів Полтавського технічного університету (Полтава, 1993-1996 рр.).

ПУБЛІКАЦІЇ ПО РОБОТІ. По темі дисертації опубліковано 16 наукових робіт.

ОБ'ЄМ ТА СТРУКТУРА РОБОТИ. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, загальних висновків, списку літератури та додатків. Загальний об'єм дисертації 144 сторінки, в тому числі 128 сторінок машинописного тексту, 41 малюнок, 10 таблиць. Список літератури вміщує 207 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі доводиться актуальність та практична цінність роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, подається короткий зміст дисертації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан досліджень роботи коротких пірамідальних паль та методи їх розрахунку на дію вертикального та горизонтального навантаження.

Вивченню особливостей взаємодії коротких пірамідальних паль з грунтом сприяли наукові праці В. М. Алексєєва, А. О. Бартоломєя, Б. В. Бахолдіна, Я. Д. Гільмана, О. С. Головачева, В. Н. Голубкова, М. Н. Гольдштейна, А. Л. Готмана, А. О. Григорян, В. С. Глухова, Б. І. Далматова, А. І. Догадайло, М. В. Жукова, М. Л. Зоценка, В. І. Крутова, Ф. К. Лапшина, П. П. Личова, Е. Г. Малацидзе, М. Б. Меклера, О. О. Орла, О. В. Пілягіна, Є. В. Платонова, А. Б. Пономарьова, С. А. Слюсаренка, Ю. Ф. Тугаєнка, В. Й. Хазіна, В. Б. Швеця та ін.

Основна особливість цих паль полягає в утворенні навколо них при зануренні у грунт розвинутої зони впливу. Найбільш значною складовою зони впливу є зона ущільненого грунту, яка має форму еліпсоїда обертання з максимальним діаметром на відстані 1/2-1/3 від рівня голови палі, що дорівнює 2-3, і розповсюджується не більш ніж на 10 см нижче вістря. Фізико-механічні характеристики грунту в цій зоні, звичайно, значно перевищують фізико-механічні характеристики природного грунту. Це сприяє збільшенню несучої здатності палі. Встановлено, що розміри зони ущільнення залежать від початкових характеристик грунту, об'єму палі та кута її конічності.

Результати експериментальних досліджень особливостей роботи коротких пірамідальних паль були покладені за основу при розробці методів їх розрахунку на дію вертикального та горизонтального навантаження, найбільш перспективними з яких є методи математичного моделювання, де використовується рішення змішаної пружнопластичної задачі та різноманітні моделі грунту.

При розробці методів розрахунку паль важливим моментом є дослідження напруг на контакті паля - грунт. Такі дослідження виконували в різні часи Є. В. Платонов, В. Й. Хазін, Б. В. Бахолдін, І. Т. Ігонькін, М. Л. Зоценко, Б. І. Завалій, Л. І. Колєсніков, Н. С. Шикалович, Р. М. Кодрянова, О. В. Козак, А. Л. Готман, В. С. Глухов та ін., що дозволило накопичити значний експериментальний досвід в галузі вивчення контактних напруг при дії вертикального навантаження, отримати та проаналізувати епюри нормальних та дотичних до бічної поверхні палі напруг, встановити характер зміни напруг від величини вертикальної складової похилого навантаження, визначити нормальні контактні напруги на бічній поверхні палі від дії горизонтального та похилого навантаження.

Експериментальні дослідження напруг на контакті паля - грунт використовуються для аналізу результатів оцінки НДС системи «пірамідальна паля - основа», яка базується на рішенні змішаної пружнопластичної задачі. Рішення цієї задачі відображено в роботах М. І. Горбунова-Посадова, В. В. Соколовського, А. С. Строганова, І. В. Федорова, Ю. М. Мурзенка, О. К. Бугрова, І. П. Бойка, О. В. Пілягіна, О. Б. Фадєєва, Д. М. Шапіро. До цього часу створена значна кількість програм для визначення НДС системи «паля - грунт», в яких використовуються різні чисельні методи та моделі грунту. До них належать «ФЛИНЗ ОС» (автори - О. К. Бугров, А. А. Ісаков, К. К. Гребнєв, ЛПІ), «Росинка» (І. П. Бойко, КІБІ), «ELPLAST» (О. В. Пілягін, С. В. Казанцев, Марійський ПІ), «START» (Д. М. Шапіро, Г. В. Полторак, Воронезький ГіпродорНДІ) та ін.

Другий розділ присвячений експериментальним дослідженням НДС системи «пірамідальна паля - основа» під дією горизонтального навантаження, які складалися з:

- статичних випробувань палі під дією горизонтального навантаження;

- вимірювання нормальних та дотичних напруг, які виникають на контакті пірамідальна паля - грунт під дією горизонтального навантаження;

- дослідження зміни під дією горизонтального навантаження зони ущільненого грунту, яка утворюється навколо зануреної палі, методом пенетрації.

Дослідження виконували за допомогою інвентарної тензометричної палі (рис. 1), конструкція якої розроблена співробітниками кафедри основ та фундаментів Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка. Паля виготовлена з листової сталі у вигляді надсіченої піраміди з квадратом у основі перерізом 70*70 см у верхній частині та 10*10 см - у нижній. Довжина палі - 2 м, кут між вертикаллю та гранню палі - 9. Маса палі - 1230 кг.

Для вимірювання контактних напруг тен-зопаля була обладнана тензодинамометрами. Одна з кришок тензодинамометрів за допомогою болтів прикріплялася до ядра жорсткості палі, а друга

Дослідний майданчик складався такими грунтами:

шар 1 - пісок мілкий, маловологий: h=3, 0 м, =1, 69 т/м3, W=6%, =36, c=4 кПа, E=30 МПа;

шар 2 - супісок щільний: h=1, 0 м, =1, 94 т/м3, W=19%, =34, c= 11 кПа, E=25 МПа;

шар 3 - пісок мілкий, водонасичений, середньої щільності: h=12, 0 м, =1, 88 т/м3, W=9%, =35, c= 6 кПа, E=21 МПа.

Статичні випробування тензометричної палі виконували згідно ГОСТ 5686-78. До початку випробування голова палі була занурена на 0, 4 м. Горизонтальне переміщення палі при навантаженні 165 кН склало 4, 5 см. Несуча здатність палі за даними випробувань - 115 кН.

В процесі завантаження тензометричної палі горизонтальним на-вантаженням проводилось дослідження напруг на контакті пірамідальна паля - грунт. Нормальні та дотичні напруги на робочих гранях палі вимірювали по кожному тензодинамометру при горизонтальному навантаженні 40, 80, 100, 120, 140, 160 кН.

Для кожної ступені навантаження були отримані два графіки: на одному показана епюра нормальних напруг, на другому - дотичних. На рис. 2 ці графіки об'єднані на одному полі. Вони являють собою осереднюючі криві, проведені через точки, які розташовані посередині навісних панелей і відповідають значенням напруг на них. Аналіз цих графіків дозволяє зробити такі висновки:

1. Епюри нормальних та дотичних напруг мають аналогічний характер, причому чисельні значення нормальних напруг перевищують відповідні значення дотичних напруг.

2. Згідно епюрам напруг можна точно визначити місцерозташування точки повороту осі палі (вона знаходиться на відстані 1, 17 м, або 3/5 довжини палі, від її голови). Нормальні та дотичні напруги в цій точці з боку передньої та задньої грані дорівнюють нулю.

3. Участок епюри, розташований з боку передньої грані палі, має окреслення трикутника з нульовим значенням в точці повороту осі палі та максимальним на рівні її вістря.

4. Участок епюри, розташований з боку задньої грані палі, має криволінійне окреслення з нульовими значеннями у голові та в точці повороту осі палі, і максимальним - на глибині 0, 82 м, або 2/5 довжини палі, від її голови.

5. Порівняння епюр нормальних та дотичних напруг, побудованих для різних значень горизонтального навантаження, показує, що характер їх окреслення аналогічний для всіх фаз НДС.

6. Нормальні до бічної поверхні палі зусилля складають 90 -98% відповідного горизонтального навантаження, а дотичні - 2-10%.

Для встановлення закономірностей зміни зони ущільнення від дії горизонтального навантаження після статичних випробувань була проведена розкопка палі та виконані дослідження грунту навколо неї методом пенетрації.

Розкопка палі проводилась у напрямках всіх чотирьох її граней. Проби відбиралися на 11 горизонтах. Всього на кожному горизонті було проведено 72 пенетраційних випробування та відібрано 36 проб грунту у кільця-обойми. У кожній точці пенетрації визначали питомий опір пенетрації. За допомогою аналізу графіків зміни цієї характеристики грунту встановлювали границі зони ущільнення.

Ця зона в площині, перпендикулярній напрямку дії горизонтальної сили, має форму еліпсоїда обертання з діаметром у горизонтальному напрямку - 216 см, або близько 3, 1, у вертикальному - 210 см, або 3, і під дією горизонтального навантаження суттєво не змінюється.

В площині дії горизонтальної сили (з боку задньої грані) зона ущільнення збільшується у верхній частині (=136 см, або 1, 94), і залишається незмінною на відстані більше 1, 6 м, або 4/5 довжини палі, від її голови. З боку передньої грані спостерігається значне збільшення (до =124 см, або 1, 77) зони ущільнення у нижній частині (на відстані від голови палі більше 0, 8 м, що складає 2/5 її довжини), а у верхній частині - зміни незначні.

Шляхом узагальнення результатів пенетраційних випробувань для дослідного майданчика були отримані рівняння взаємозв'язку між фізико-механічними характеристиками грунту та питомим опором пенетрації:

;

; (1)

,

де , , , - модуль деформації, питоме зчеплення, кут внутрішнього тертя, питомий опір пенетрації грунту; , , , - значення, які дорівнюють одиниці у прийнятому вимірі; - вологість грунту.

Ці рівняння дозволяють визначати під час математичного моделювання характеристики грунту у будь-якій точці навколопальового простору.

Третій розділ містить основні теоретичні положення та результати математичного моделювання спільної роботи коротких пірамідальних паль з грунтом під дією вертикального та горизонтального навантаження.

Методика розрахунку паль грунтується на рішенні змішаної пружнопластичної задачі в умовах плоскої та просторової (осесиметричний випадок) деформації. Розрахунки проводились за програмою START, створеною д. т. н. Д. М. Шапіро. Грунт вважається суцільним ізотропним середовищем, яке моделюється згідно з теорією пластичної течії. Пружнопластична задача вирішується за допомогою методів скінчених елементів та початкових напруг. За умови критичної рівноваги приймаються умова Мора-Кулона (2) для плоскої задачі та Мізеса-Шлейхера-Боткіна (3) для просторової задачі:

, (2)

, (3)

де - головні напруги у точці грунтового середовища; - питоме зчеплення; - кут внутрішнього тертя; , - характеристики міцності грунту при просторовому напруженому стані; - перший інваріант тензора напруг; - другий інваріант девіатора напруг.

Розрахунок короткої пірамідальної палі від дії вертикального навантаження здійснюється на основі осесиметричної версії. Система «паля - грунт» замінюється системою трикутних скінчених елементів (рис. 3). При математичному моделюванні роботи коротких пірамідальних паль під дією горизонтального навантаження застосовується рішення пружнопластичної задачі в умовах плоскої деформації. Система «паля - грунт» замінюється системою прямокутних скінчених елементів (рис. 4).

У розрахунковій області (рис. 3, 4) виділяються як окремі елементи залізобетонна паля, зона ущільнення, шари природного грунту. В свою чергу, зона ущільнення поділяється на декілька шарів, фізико-механічні характеристики яких визначаються за допомогою рівнянь (1).

Розрахункові дослідження роботи пірамідальних паль під дією вертикального навантаження були виконані для тензометричної та п'яти паль різних типорозмірів (0. 8-0. 8-1. 6, 0. 8-0. 8-2. 35, 0. 7-0. 7-2. 0, 0. 6-0. 6-2. 7), розташованих на трьох дослідних майданчиках, основа яких складалася дрібними пісками, супісками, суглинками. За граничний опір палі приймалося навантаження, яке відповідало осіданню, де =0. 2 - перехідний коефіцієнт, - допустиме осідання (визначається згідно СНиП 2. 02. 01-83 «Основания и фундаменты». Порівняння отриманих результатів розрахунку залежностей осідання палі від навантаження з даними статичних випробувань (рис. 5а) показують хороше співпадання (розходження не перевищує 7, 3%).

Розрахункові дослідження паль на дію горизонтального навантаження були виконані для тензометричної та двох пірамідальних паль (0. 7-0. 7-2. 0), розташованих на трьох дослідних майданчиках, складених дрібними пісками, супісками та суглинками.

За критичний опір палі приймалося навантаження, яке відповідало горизонтальному переміщенню палі , де =0. 2 - перехідний коефіцієнт, - допустиме переміщення палі (визначалось згідно «Инструкции по расчету, проектированию и устройству оснований и фундаментов сельскохозяйственных зданий с трехшарнирными рамами: ВСН 01-76»). Порівняння результатів визначення критичного опору палі за розрахунком та за даними експерименту (рис. 5б) дають розходження між ними 2, 7 - 25, 6%.

Для поглибленого аналізу НДС системи «пірамідальна паля - основа» зроблено порівняння контактних напруг, отриманих за розрахунком та експериментальним шляхом, яке дозволило встановити, що епюри розрахункових та експериментальних напруг у випадку вертикального навантаження на палю мають аналогічний характер, який залишається незмінним на всіх стадіях НДС. Нормальні до бічної поверхні палі зусилля складають - 27-31%, а дотичні - 69-73% відповідного навантаження. Це доводить, що при дії на палю вертикального навантаження на її несучу здатність, в значній мірі, впливають дотичні напруги.

Епюри нормальних та дотичних напруг, побудовані за результатами розрахунку палі на дію горизонтального навантаження, та за даними експерименту схожі. Характер розподілу напруг, визначених за розрахунком, при всіх стадіях НДС залишається незмінним, але точка повороту осі палі при різних значеннях навантаження переміщується у межах 0, 2-0, 3 м. Нормальні до бічної поверхні палі зусилля складають - 90 - 97% відповідної горизонтальної сили, а дотичні - 3 - 10 %, що узгоджується з результатами експериментальних досліджень. Таким чином, при дії горизонтального навантаження на палю на її несучу здатність суттєво впливають нормальні напруги.

У ході розрахункових досліджень вивчено вплив на несучу здатність палі зміни її геометричних параметрів, глибини занурення, фізико-механічних характеристик грунту навколопальового простору. Встановлено, що при збільшенні глибини занурення палі у грунт, критичний опір її навантаженню зростає. Несуча здатність палі також прямо пропорційна куту її конічності. Зміна фізико-механічних властивостей грунту навколопальового простору на 25% призводить до збільшення несучої здатності на 10 - 30%.

У четвертому розділі приведена методика порівняння варіантів фундаментів, яка передбачає вибір найкращого варіанту шляхом комплексного аналізу його технологічних, конструктивних та економічних параметрів, дозволяє узгоджувати критерії економічності та надійності. При цьому кожний з варіантів фундаментів представляється у вигляді математичної моделі:

, (4)

де - корисність варіанту, яка оцінюється під час порівняння; - технологічні параметри варіанту; - конструктивні параметри; - економічні параметри.

Параметри , , є випадковими величинами, тому і - випадкова величина. Таким чином, виникає невизначеність системи показників, яка складається з кількох варіантів, з котрих один є найкращим, оскільки невідомо який саме це варіант. Для визначення ступеню невизначенності системи застосовується поняття ентропії, яка розраховується за формулою:

, (5)

де - кількість варіантів;

- нормоване значення j-го показника по i-му варіанту.

Найкращим вважається варіант з найбільшим показником корисності, який визначається по формулі:

, (6)

де - безрозмірне значення j-го показника по i-му варіанту.

- кількість показників.

Запропонована методика визначення оптимального варіанту фундаментів була апробована для фундаментів під тришарнірну раму з прогином 21 м та кроком 6 м. При порівнянні розглядалися такі варіанти: окремий фундамент, фундамент на призматичних палях, фундамент на коротких пірамідальних палях, пірамідально-призматичний фундамент, фундамент на пірамідальних палях. Розрахунки виконані для інженерно-геологічних умов дослідної площадки.

При порівнянні використовувались такі показники: відносний опір вертикальному навантаженню; відносний опір горизонтальному навантаженню; об'єм бетону; витрати арматури; маса фундаменту; енергомісткість; трудомісткість; тривалість зведення фундаменту; собівартість будівельно-монтажних робіт, капітальні вкладення у виробничі основні фонди та оборотні кошти, приведені витрати.

Порівняння варіантів для фундаментів під тришарнірну раму показало, що найкращим є фундамент з коротких пірамідальних паль. Це відповідає результатам аналогічного порівняння за критерієм приведених витрат. Аналіз результатів показав, що ефективність запропонованої методики у порівнянні з методикою оцінки за критерієм приведених витрат збільшується, якщо розглядаються варіанти з близькими приведеними витратами, тому що у цьому випадку вирішальними факторами є технологічні та конструктивні параметри фундаменту.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. Експериментальні дослідження роботи тензометричної палі під дією горизонтального навантаження дозволили визначити характер розподілу нормальних та дотичних до її бічної поверхні напруг. Побудовані за результатами вимірювань епюри показують, що при всіх стадіях НДС системи «пірамідальна паля - основа» характер розподілу напруг залишається незмінним. Епюри напруг з боку прикладання горизонтального навантаження мають вигляд трикутника з нульовим значенням у точці повороту осі палі і максимальним - на рівні її вістря, а з протилежного боку - окреслюються кривою з максимальним значенням на відстані 2/5 довжини палі від її голови і нульовими значеннями - на рівні голови та в точці повороту. Аналіз напруг показав, що при дії на палю горизонтального навантаження на її несучу здатність суттєво впливають нормальні до бічної поверхні зусилля, які складають 90 - 98% відповідної горизонтальної сили.

2. Пенетраційні дослідження дозволили встановити характер зміни під дією горизонтального навантаження зони ущільненого грунту, яка виникає навколо палі. Ця зона з боку дії горизонтального навантаження збільшується в нижній частині та практично не змінюється угорі, а з протилежного боку - збільшується угорі та залишається незмінною внизу.

3. За допомогою рішення змішаної пружнопластичної задачі дана оцінка НДС системи «пірамідальна паля - основа». Розроблена методика складання вихідних даних, до якої входить визначення розмірів та конфігурації розрахункової області, завдання граничних умов, вибір критеріїв критичних станів. Порівняння розрахункових та експериментальних залежностей деформацій від навантаження показує їх достатнє співпадання та дозволяє рекомендувати використану методику для визначення несучої здатності паль у практиці проектування.

4. У ході розрахункових досліджень роботи пірамідальних паль під дією вертикального та горизонтального навантаження вивчено вплив зміни розмірів та глибини занурення паль, фізико-механічних характеристик грунту на їх несучу здатність, визначені нормальні та дотичні до бічної поверхні напруги, розглянуто процес виникнення пластичних областей.

5. Проведені розрахункові дослідження показали, що рішення змішаної пружнопластичної задачі в умовах плоскої деформації може бути використане для визначення несучої здатності коротких пірамідальних паль на дію горизонтального навантаження. Порівняння розрахункових та експериментальних значень нормальних та дотичних напруг підтверджує правільність вибору розрахункової схеми та граничних умов.

6. Запропонована методика порівняння варіантів, яка передбачає вибір найкращого фундаменту на основі комплексної оцінки його технологічних, конструктивних та економічних характеристик. Аналіз результатів порівняння варіантів за цією методикою і за критерієм приведених витрат показує, що вони відрізняються тільки для варіантів з близькими значеннями приведених витрат. У цьому випадку вирішальними факторами при виборі варіанту за запропонованою методикою є технологічні та конструктивні параметри фундаменту.

7. Впровадження результатів дослідження в практику проектування та будівництва дозволило отримати економічний ефект у розмірі 73 тис. грн. та зменшити витрати: бетону на 58%, металу - на 55%, умовного палива - на 59%.

СПИСОК ДРУКОВАНИХ РОБІТ

Основні положення дисертації відображені в 16 роботах, найсуттєвішими серед яких є такі:

1. Щур Е. В. Экспериментальные исследования напряжений на контакте пирамидальная свая - грунт // Вісн. Придніпровської державної академії будівництва та архітектури: Наук. та інформ. бюл. - Дніпропетровськ, 1998. - № 3. - С. 44-49.

2. Щур Е. В. Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния системы “пирамидальная свая - основание” под действием горизонтальной нагрузки // Вісн. Придніпровської державної академії будівництва та архітектури: Наук. та інформ. бюл. - Дніпропетровськ, 1998. - № 4. - С. 45-50.

3. Щур Е. В. Методика сравнения вариантов фундаментов // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межведомственный науч. -техн. сб. - Вып. 15. - К. : Техніка, 1998. - С. 25-26.

4. Щур Е. В. Расчетные исследования работы пирамидальной сваи при действии вертикальной нагрузки // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межведомственный науч. -техн. сб. - Вып. 15. - К. : Техніка, 1998. - С. 37-38.

5. Зоценко М. Л., Щур О. В. Експериментальні дослідження роботи пірамідальних паль під дією горизонтального навантаження // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полт. держ. техн. ун-т ім. Ю. Кондратюка. - Вип. 1. - Полтава, ПДТУ ім. Ю. Кондратюка, 1998. - С. 131-141. Особистий внесок автора - проведення експериментальних досліджень, математичне моделювання роботи пірамідальної палі.

АНОТАЦІЯ

Щур О. В. Напружено-деформований стан системи «пірамідальна паля - основа» під дією вертикального та горизонтального навантаження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05. 23. 02 - Підвалини та фундаменти. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 1998.

Експериментально досліджені нормальні та дотичні до бічної поверхні короткої пірамідальної палі напруги під дією горизонтального навантаження. Вивчено зміни під дією горизонтального навантаження зони ущільнення, яка утворюється при зануренні палі в грунт. Дана оцінка напружено-деформованого стану системи «пірамідальна паля - основа» під дією вертикального та горизонтального навантаження з використанням рішення змішаної пружнопластичної задачі. Запропонована методика визначення оптимального варіанту фундаменту.

Ключові слова: нормальні, дотичні напруги, пірамідальна паля, напружено-деформований стан, змішана пружнопластична задача, зона ущільнення, горизонтальне навантаження, вертикальне навантаження.

ANNOTATION

Shchur E. V. Strain and deformation state of the «Pyramidal Pile - Base» system under action of vertical and horizontal loads. Manuscript.

Dissertation for degree of Candidate of Technical Sciences speciality 05. 23. 02 - Basements and foundations. The Pridnieprovsk State Academy of Construction and Architecture. Dnipropetrovsk, 1998.

The normal and tangential strains upon side surface of the short pyramidal pile under action of the horizontal load have been experimentally investigated. The change under the action of the horizontal load of packing zone, which is formed when dipping the pile into the ground, has been investigated. Evaluation of the strain-deformation state of the «Pyramidal Pile - Basement» system under action of the vertical and horizontal loads has been carried out with solution of the mixed elastic-plasticity-problem being used. Techniques for determination of the optimum foundation version are offered.

Key words: normal, tangential strains, pyramidal pile, strain and deformation state, the elastic-plasticity-problem, the packing zone, vertical load, horizontal load.

АННОТАЦИЯ

Щур Е. В. Напряженно-деформированное состояние системы «пирамидальная свая - основание» под действием вертикальной и горизонтальной нагрузки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 23. 02 - Основания и фундаменты. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 1998.

Проведены экспериментальные исследования нормальных и касательных к боковой поверхности короткой пирамидальной сваи напряжений, возникающих при действии горизонтальной нагрузки. Исследования выполнены с помощью пирамидальной сваи, оборудованной тензодинамометрами, способными измерять нормальные и касательные усилия.

По результатам эксперимента построены эпюры нормальных и касательных напряжений при различных ступенях нагрузки. Установлено, что при действии горизонтальной нагрузки на пирамидальную сваю характер распределения напряжений не изменяется с увеличением силы.

Эпюры нормальных и касательных напряжений имеют аналогичное очертание, но численные значения нормальных напряжений превышают соответствующие значения касательных напряжений. Согласно эпюрам максимальные напряжения возникают: со стороны действия горизонтальной силы у острия сваи, с противоположной стороны - на расстоянии 2/5 длины сваи от ее головы. Минимальные напряжения возникают: со стороны действия силы в точке поворота оси сваи, с противоположной стороны - на уровне ее головы и в точке поворота.

В ходе эксперимента методом пенетрации исследованы изменения под действием горизонтальной нагрузки зоны уплотнения, которая образуется при погружении сваи в грунт. Установлено, что под действием горизонтальной нагрузки зона уплотнения изменяется только в плоскости действия силы (увеличивается внизу со стороны грани, к которой приложена сила, и вверху - со стороны противоположной грани). Получены уравнения взаимосвязи удельного сопротивления пенетрации с физико-механическими характеристиками грунта, позволяющие определить удельное сцепление, угол внутреннего трения, модуль деформации в любой точке околосвайного пространства.

Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния системы “пирамидальная свая - основание” при действии вертикальной и горизонтальной нагрузки. При математическом моделировании использовалось решение осесимметричной (для вертикально нагруженных свай) и плоской (для горизонтально нагруженных свай) упругопластической задачи.

При проведении расчетных исследований грунт представлялся сплошной изотропной средой, моделируемой согласно закону пластического течения. Решение упругопластической задачи осуществлялось с помощью метода конечных элементов и метода начальных напряжений. Особенностью выполненных исследований являлось выделение на расчетной схеме зоны уплотнения, состоящей из нескольких слоев, физико-механические характеристики которых определялись по уравнениям взаимосвязи их с удельным сопротивлением пенетрации.

В результате расчетных исследований получены графики зависимости осадки сваи от вертикальной нагрузки, горизонтального перемещения от горизонтальной нагрузки, эпюры нормальных и касательных к боковой поверхности сваи напряжений, изучено влияние на несущую способность сваи изменения ее геометрических параметров, глубины погружения, физико-механических характеристик грунта околосвайного пространства. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало хорошую сходимость, что позволяет рекомендовать предложенную методику для расчета коротких пирамидальных свай при действии вертикальной и горизонтальной нагрузки.

Предложена методика определения оптимального варианта фундаментов, основанная на комплексной оценке их конструктивных, технологических и экономических параметров. Данная методика была апробирована в различных инженерно-геологических условиях для фундаментов под трехшарнирную раму.

Ключевые слова: нормальные, касательные напряжения, пирамидальная свая, напряженно-деформированное состояние, смешанная упругопластическая задача, зона уплотнения, вертикальная нагрузка, горизонтальная нагрузка.

Размещено на Allbest.ru

...